Development of a new PV simulator structure for modelling PV arrays

Abstract

Current (I) - voltage (V) and power (P) – voltage (V) characteristics of Photovoltaic (PV) systems using solar cell or array depend on weather conditions. In order to test MPP trackers or MPPT algorithms in repeatable laboratory conditions, researchers need equipment that gives a realistic data similar to output characteristic of solar cell or array (PV panel). This equipment is defined as a PV simulator in the literature. In this study, a new PV simulator structure is proposed for modelling PV panels in laboratory environment. The proposed PV simulator basically consists of series connected cascaded modules. The significant feature of the PV simulator is being suitable for increasing the module number easily. Thus the level number of the output voltage increases in the simulator. Due to this feature, I-V curve of the simulator quite resembles the I-V curve of PV panel desired to be modelled. In order to show the performance of the proposed structure, a simulation study was carried out. First, I-V data of a real PV panel was loaded to the simulation program. The necessary switching signals were generated in the simulation program for PV simulator by using an actual I-V data. I-V and P-V curves were obtained for 5 and 6 module condition and results were compared to the curves of the sample PV panel. I-V and P-V curves were also obtained for different solar irradiance values and partial shaded conditions. By increase of the module number I-V and P-V curves of the PV simulator and sample PV panel quite resemble each other. The proposed structure is suitable for operating as a PV simulator. Both the simulator has a modular structure and the results are considered, it is seen that the proposed simulator is convenient for using at high voltage and power applications.

Keywords

• PV simulator,photovoltaic simulator,I-V curve,P-V curve,partial shaded

FV Panellerin Modellenmesi için Geliştirilen Yeni Bir FV Simülatör Yapısı

Abstract

 Güneş hücresi veya dizisi kullanan Fotovoltaik (FV) sistemlerin akım (I) – gerilim (V) ve güç (P) – gerilim (V) karakteristikleri hava koşullarına bağlıdır. Araştırmacıların, tekrarlanabilen laboratuvar koşullarında maksimum güç izleyici veya izleyici algoritmalarının performanslarını tespit edebilmeleri amacıyla güneş hücresi veya dizisinin (FV panel) çıkış karakteristiğine benzeyen ve gerçekçi verileri verebilen yardımcı bir ekipmana ihtiyaçları vardır. Bu ekipmana literatürde FV simülatör adı verilmektedir. Bu çalışmada, FV panellerin laboratuvar ortamında modellenmesi için geliştirilen yeni bir FV simülatör yapısı önerilmiştir. Önerilen FV simülatör seri bağlı kaskat modüllerden meydana gelmektedir. FV simülatörün en belirgin özelliği modül sayısının kolaylıkla arttırılabilmesidir. Böylece FV simülatörün çıkış geriliminin seviye sayısı artmaktadır. Bu özellik sayesinde FV simülatörün I-V eğrisi, modellenmek istenen gerçek FV panelin I-V eğrisine daha çok benzemektedir. Önerilen yapının performansını göstermek amacıyla bir simülasyon çalışması yapılmıştır. Simülasyon çalışmasında, ilk önce gerçek bir FV panelin I-V verileri simülasyon programına yüklenmiştir. Gerçek I-V verileri kullanılarak FV simülatör için gerekli anahtarlama sinyalleri simülasyon programında oluşturulmuştur. 5 ve 6 modüllü durum için FV simülatörün I-V ve P-V eğrileri elde edilmiş ve gerçek FV panelin eğrileri ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca farklı güneş ışınımları ve parçalı gölgelenme durumları için de I-V ve P-V eğrileri elde edilmiş ve sonuçları verilmiştir. Modül sayısı arttıkça gerçek FV panel ile önerilen FV simülatörün I-V ve P-V eğrileri birbirine çok yakın çıkmaktadır.  Önerilen yapının FV simülatör olarak kullanılması oldukça uygundur. Gerek modüler yapıya sahip olması gerekse elde edilen sonuçlar dikkate alındığında, önerilen simülatörün yüksek gerilim ve güç uygulamalarında kullanılmaya elverişli olduğu görülmektedir

Keywords

• FV simülatör,Fotovoltaik simülatör,I-V Eğrisi,P-V Eğrisi,Parçalı Gölgelenme

References

1. [1] C. H. Chang, E. C. Chang and E. L. Cheng, "A High-Efficiency Solar Array Simulator Implemented by an LLC Resonant DC–DC Converter," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 28, no. 6, pp. 3039-3046, 2013.
2. [2] H. Lee, M. J. Lee, S. N. Lee, H. Lee, H. Nam and S. Park, "Development of Photovoltaic Simulator based on DC-DC Converter," in International Telecommunications Energy Conference - INTELEC, 2009.
3. [3] A. Koran, K. Sano, R. Y. Kim and J. S. Lai, "Design of a Photovoltaic Simulator with a Novel Reference Signal Generator and Two-Stage LC Output Filter," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 25, no. 5, pp. 1331-1338, 2010.
4. [4] Z. G. Piao, S. J. Gong, Y. H. An and G. B. Cho, "A Study on the PV Simulator using Equivalent Circuit Model and Look-up Table Hybrid Method," in International Conference on Electrical Machines and Systems, 2013.
5. [5] C. H. Chang, C. A. Cheng and H. L. Cheng, "Modeling and Design of the LLC Resonant Converter Used as a Solar-Array Simulator," IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 2, no. 4, pp. 833-841, 2014.
6. [6] J. P. Lee, B. D. Min, T. Kim and J. Kim, "Development of a Photovoltaic Simulator with Novel Simulation Method of Photovoltaic Characteristics," in 31st International Telecommunications Energy Conference - INTELEC, 2009.
7. [7] H. Qi, Y. Bi and Y. Wu, "Development of Photovoltaic Array Simulator Based on Buck Convertor," in International Conference on Information Science, Electronics and Electrical Engineering - ISEEE, 2014.
8. [8] Y. Li, T. Lee, F. Z. Peng and D. Liu, "A Hybrid Control Strategy for Photovoltaic Simulator," in Applied Power Electronics Conference and Exposition - APEC, 2009.

9. [9] P. Vongkoon and P. Liutanakul, "Digital R-S-T Controller for Current Loop Control of DC/DC Buck Converter: A Photovoltaic (PV) Array Simulator under Partial Shading Condition," in 9th International Conference on Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology - ECTI-CON, 2012.
10. [10] J. Zhao and Z. W. Kimball, "A Digitally Implemented Photovoltaic Simulator with a Double Current Mode Controller," in Twenty-Seventh Annual IEEE Applied Power Electronics and Exposition - APEC, 2012.
11. [11] A. F. Cupertino, G. V. Santos, H. A. Pereira, S. Silva and V. Mendes, "Modeling and Control of a Flexible Photovoltaic Array Simulator," in IEEE 24th International Symposium on Industrial Electronics - ISIE, 2015.
12. [12] D. D. C. Lu and Q. Y. Nguyen, "A photovoltaic panel emulator using a buck-boost DC/DC converter and a low cost micro-controller," Solar Energy, pp. 1477-1484, 2012.