Improved tracking algorithm for rooftop pv systems employing multi-input DC-DC converter
Çatı üstü PV uygulamalarında kullanılmak üzere çok girişli DC-DC çevirici için geliştirilmiş takip algoritması
- Tez No: 783686
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ DENİZ YILDIRIM
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 161
Özet
İnsanlığın enerji ihtiyacı, nüfus ve tüketim artışıyla birlikte hızla artmaktadır. Bu ihtiyacı karşılamak için 20. yüzyılın başlarından itibaren çeşitli enerji üretim yöntemleri araştırılmaktadır. İlk zamanlarda en çok yatırım yapılan alanlarından olan petrol ve doğalgaz kaynaklarıyla ilişkili yaşanan ekonomi-politik krizlerin etkisiyle, yüzyılın ortalarından sonra ham madde bağımlılığını azaltacak enerji türlerine yatırım artmıştır. Güneş enerjisi de, bu alanlardan biri haline gelmiştir. Burada, fosil yakıtları kullanmanın çevresel risklerinin de bu eğilimin nedenlerinden biri olduğu şeklinde bir temenni olabilir, ancak gerçek öyle değildir. Güneş enerjisi konsepti aşağıdaki üç ana bölümden oluşmaktadır. Güneş foton enerjisini DC elektrik enerjisine dönüştürmek için fotovoltaik (PV) paneller; MPPT uygulaması ve bağlı bulunan yüke göre elektrik gücünün başka formlara dönüştürülmesi için güç elektroniği cihazları; Son olarak, sistemlerin yük kısmı ki bu bir DC yük, AC yük veya doğrudan elektrik şebekesi olabilir. Bu tezde, bunlardan güç elektroniği kısmı ile ilgili bir çalışma yapılmıştır. Güç elektroniği açısından bakıldığında PV sistemi, bir DC/AC dönüştürücünün kullanıldığı tek aşamalı veya bir DC/DC ve bir DC/AC dönüştürücüye sahip iki aşamalı olabilir. Bilindiği gibi PV panel karakteristikleri lineer değildir; bu nedenle, paneldeki maksimum kullanılabilir gücü elde etmek için bir maksimum güç noktası izleme (MPPT) algoritması tasarlanmalıdır. Ayrıca, PV panelinin DC gücünü AC güce dönüştürmek için, bazı elektronik manipülasyonlar, anahtarlamalı güç kaynakları kullanılarak gerçekleştirilmelidir. Bu temel gereksinimler, tek aşamalı PV güç sistemini oluşturan bir dönüştürücü içinde sağlanabilir veya iki aşamalı bir PV güç sistemi oluşturmak için iki dönüştürücüye bölünebilir. Her iki sistemin de avantajları ve dezavantajları vardır. Tek katmanlı sistemlerde MPPT algoritmasının uygulanması, yüke göre gerilim ve akımın dönüştürülmesi tek bir devrede yapıldığından bu devrelerin gerçeklenmesi karmaşık bir hal almaktadır. Diğer durumda ise iki farklı devre inşasının gerekmesi tüm sistemin maliyetini ve mekanik olarak kapladığı alanı arttırabilir. Bu çalışmanın içeriği, iki aşamalı PV güç sisteminde kullanılacak bir DC/DC dönüştürücü devresinin tasarımıdır. Dönüştürücünün ana hedefleri, MPPT algoritmasını uygulamak ve şebeke enjeksiyonu için AC gerilime dönüştürülmek üzere PV panelinin düşük DC gerilim seviyesini 400V DC seviyesine yükseltmektir. Ayrıca tasarlanan dönüştürücü, giriş olarak dört PV paneli kabul etmekte ve MPPT algoritmasını her birine bağımsız olarak uygulamaktadır. Dönüştürücü, Kolektör Modül olarak adlandırılmıştır. Sonuç olarak, Kolektör modül, her biri 400W güç aktarabilen, girişleri (PV paneller) 25V-50V arası olabilen 4 adet güç elektroniği devresinden oluşmaktadır. Böylece modülün toplam nominal çıkışı 1600W olur. Her devrenin çıkışı paralel olarak birbirine bağlanarak tek bir 400V'luk DC gerilim çıkışı oluşturulmaktadır. Bireysel MPPT konfigürasyonunun nedeni, dizi bağlantılı PV panel sistemlerindeki sorunları ortadan kaldırmaktır. Bilindiği gibi, bir PV paneli, PV hücre konfigürasyonu ile ışınım gücü ve sıcaklık gibi çevresel etmenlerden dolayı oluşan I-V ve P-V eğrilerine sahiptir. MPPT algoritması, PV panelin çalışma noktasını bu eğriler üzerinden maksimum güç noktasına taşımayı amaçlar. PV paneller sistemin gücünü artırmak için seri veya paralel bağlandığında bağlantı konfigürasyonuna göre bu eğriler değişir. Ancak, tek bir PV panelinde bile gölgelenme durumu veya başka bir sorun meydana gelirse sistem performansı önemli ölçüde düşer. Çünkü bu durumda sorunlu PV panel yalnızca toplam sisteme katkı sunamamakla kalmaz diğer paneller tarafından üretilen güce de olumsuz anlamda etki eder. Literatürde birçok MPPT algoritması teorik ve pratik olarak incelenmiş ve PV sistemlerinde uygulanmıştır. Bu algoritmalar temelde geleneksel ve yapay zekâ hesaplamalı olarak ayrılmaktadır. Geleneksel yöntemlerde PV panelin akımı ve gerilimi ölçülerek bir operasyon noktası elde edilir. Elde edilen operasyon noktası, bir önceki örneklemede elde edilen operasyon noktasıyla çeşitli tekniklerle karşılaştırılarak bir sonraki devre hareketi belirlenir. Burada kullanılan karşılaştırma tekniklerine göre Perturb and Observe (P&O, Karıştır ve Gözlemle), Incremental Conductance (InC, Artımsal İletkenlik) gibi algoritmalar geliştirilmiştir. Yapay zekâ hesaplamalı yöntemlerde ise geliştirilen yapay zekâ algoritmaları ve bunlara iletilen çeşitli bilgiler ışığında sistem hareketi belirlenmektedir. Bu algoritmaların birbirlerine göre, uygulama kolaylığı, doğruluk, kararlılık veya ortam değişikliklerine karşı reaksiyon hızı ile ilgili avantaj ve dezavantajları vardır. Bu avantaj ve dezavantajlar ile öncesinde bahsedilen gölgelenme durumu teorik yöntemlerle hesaplanabilir ve tahmin edilebilir olarak değerlendirilir. Bununla birlikte, sistemin I-V ve P-V eğrilerinin üzerinde oluşan başka bir olguya“güç tuzakları”adı verilir. Bu olgu, PV panelleri ve güç elektroniği devrelerinin etkileşiminden kaynaklanır. Bunun sonucu olarak, doğrusal olmasa da karakteristiği bilinen I-V eğrisi, temel özelliklerini yadsıyan bir yapıya sahip olur. Örneğin, ideal bir I-V eğrisi, aynı ışınım gücünde PV gerilimi düştüğünde, PV akımının artacağı ters orantılı temel bir karakteristiğe sahiptir. Ancak, panel ve devre entegrasyonunun sonucuyla ortaya çıkan I-V eğrisi, özellikle DCM-CCM limiti civarında bu temele uymaz. Sonuç olarak, sisteme standart bir MPPT algoritması uygulandığında, kararlı hal çalışma noktasının gerçek maksimum güç noktasından çok uzakta olduğu gözlenmektedir. Sonuç olarak bu problemin giderilmesi için bu tezde InC algoritmasının geliştirilmiş bir versiyonu geliştirilmiş ve kolektör modüldeki her güç devresine bağımsız olarak uygulanmıştır. Bu algoritma ve tüm sistemin kontrol yapısı tek bir mikrodenetleyici üzerinden gerçekleştirilmiştir. Bu tezde temel olarak sistemin yazılım yapısına odaklanılmaktadır. Bu yapı, yeni geliştirilmiş MPPT algoritmasının tasarlanması ile dört devre için gerekli akım & gerilim örnekleme anları ve MPPT hesaplama anları arasındaki zaman paylaşımı konfigürasyonundan oluşmaktadır. Ek olarak, kolektör modül içindeki dört devre, ardışık devrelerin PWM sinyalleri arasında 45°'lik bir faz kayması olacak şekilde“interleaved”tekniği ile sürülmektedir. Bu teknik sayesinde hem yazılımdaki zaman paylaşımı daha kolay hale gelirken, donanım açısından güç devrelerinin birbirine bağlanmasına göre çeşitli avantajlar ortaya çıkar. Son olarak ise, geliştirilen yazılım yapısının uygulanacağı kolektör modülün donanım tarafı tasarlanmıştır. Modülde bulunan güç devrelerinde push-pull topolojisi kullanılmıştır. Bu topolojinin seçilme nedenleri temel olarak iki adet“low-side”MOSFET'le çalıştığı için uygulama kolaylığına sahip olması, galvanik izolasyon bulundurması ve 400W güç için uygun olması gösterilebilir. Tasarlanan kolektör modül çeşitli şekillerde test edilmiştir. İlk olarak, MPPT doğruluğunu kontrol etmek için güç devreleri bir PV simülatör cihazına ayrı ayrı bağlanmıştır. Bir PV simülatörü, çıkış karakteristiği gerçek PV panelleriyle örtüşen bir analog cihazdır. Bu cihazla, bir PV panelinin kontrol edilebilir bir taklidi kullanılmış olup, bu sayede kolektör modüldeki devreler çeşitli giriş güçleri altında test edilebilir. Sonuçlara göre tüm devrelerin MPPT verimleri %99'un üzerindedir. Bu, tasarlanan MPPT algoritmasının maksimum güç noktasını başarıyla izlediğini doğrular. Öte yandan, güç aktarım verimliliği her devre için %92-%93 civarındadır. Ardından, eş zamanlı güç aktarımını doğrulamak için kolektör modül, tüm girişleri aynı anda yüklenerek çalıştırılmıştır. İlk olarak girişte 4 adet PV paneli kullanılırken, ikinci testte giriş olarak 3 adet PV paneli ve PV simülatörü kullanılmıştır. Her iki durumda da hem MPPT hem de güç aktarım verimi, bireysel test sonuçlarına benzer değerlerle sonuçlanmıştır. Bu testlerin sonucunda hem eşzamanlı MPPT çalışması ve güç aktarımı hem de sistemde aynı anda farklı PV kaynaklarının kullanılabilirliği doğrulanmıştır.
Özet (Çeviri)
The energy need of humankind has been increasing rapidly with the population and consumption increment. Various energy production methods have been investigated to meet this need since the beginning of the 20th century. After half of that century, solar energy has become one of the most studied concepts of energy production methods. With the help of economy-politics crises upon oil or natural gas, investment in non-dependent energy types has increased. Solar energy has become one of the invested areas. Here wishful thoughts may be such that the environmental risks of using fossil fuels are also one of the reasons for this tending, but it is not. The solar energy concept consists of three following main parts. Photovoltaic (PV) panels for transforming solar photon energy into DC electrical energy. Power electronics devices for MPPT implementation and manipulating the electrical power according to the load side. Lastly, the load part of the systems can be a DC load, AC load, or the utility grid directly. In this thesis, a study about the power electronics part of the concept has been completed. At the power electronics aspect, the system may have a single DC/AC converter or two-stage with a DC/DC and a DC/AC converter. As known, PV panel characteristics are not linear; therefore, a maximum power point tracking (MPPT) algorithm should be designed to extract the maximum available power from the panel. Also, to transform the PV panel's DC power into AC power, some electronic manipulation should be configured with switching mode power supplies. These main requirements can be provided within a converter that forms the single-stage PV power system or can be divided into two converters to build a two-stage PV power system. Both systems have their benefits and drawbacks. This study's content is designing a DC/DC converter of the two-stage PV power system. The main targets of the converter are implementing the MPPT algorithm and boosting the low DC voltage level of the PV panel up to 400V DC level for being transformed into AC voltage for utility grid injection. Additionally, the designed converter accepts four PV panels as its input and applies the MPPT algorithm to each one independently. The converter is named as Collector module. As a result, the Collector module consists of four small power electronics topologies whose outputs are connected in parallel to form the single high 400V DC voltage output. The input of the system (PV panels) can have various parameters between 25V to 50V voltage and up to 400W power. Thus, the total nominal output of the module is 1600W. The reason for this individual MPPT configuration is to eliminate the problems with the string-connected PV panel systems. As known, a PV panel has I-V and P-V curves due to PV cell configuration and environmental aspects such as irradiance strength and temperature. The MPPT algorithm aims to carry the PV panel operation point through these curves and locates the maximum power point. When the PV panels are serial or parallel connected to increase the system's power, these curves change according to connection configuration. However, the system performance degrades significantly if some shading effect or other problem occurs on even a single PV panel. Because in this case, the problematic PV panel is not just a lack of contribution to the total system but also has adverse effects on the power produced by other PV panels. In literature, many MPPT algorithms have been theoretically and practically examined and applied to PV system converters. They have advantages and disadvantages regarding implementation easiness, accuracy, stability, or settling speed towards ambient changes. These aspects can be calculated and predicted with theoretical methods. However, another phenomenon is named“power traps”above the I-V and P-V curves of the system. This phenomenon is caused by the interaction of PV panels and power electronics circuits. The outcome of this phenomenon is a disordered structure of a non-linear I-V curve. Such as, even though the ideal theoretical curve is not linear, its fundamental concept is that when PV voltage decreases, PV current should increase at the same irradiance strength as an inverse relationship. However, with the result of the panel and circuit integration, the resultant curve does not follow this fundamental, especially around the DCM-CCM limit. Consequently, when a regular MPPT algorithm is applied to the system, it is observed that the steady-state operation point is far away from the actual maximum power point. As a result, an improved version of the Incremental Conductance (InC) algorithm has been developed and applied to each circuit independently by a single microcontroller. This thesis mainly focuses on the system's software structure, such as designing the novel MPPT algorithm and time-shaping between the moments of required measurement occurrences for four circuits and the MPPT calculations. Lastly, these four circuits are driven with the interleaved technique by having a 45° phase shift between the consecutive circuit's PWM signals. Last, the collector module's hardware structure has been designed for this study. Push-pull topology has been used for four power circuits. The designed module has been tested in various ways. Firstly, individual power circuits were connected to a PV simulator device separately to check the MPPT accuracy. A PV simulator is an analog device whose output characteristic coincides with actual PV panels. With this device, a controllable imitation of a PV panel has been used; hence the circuits in the collector module could be tested under various input powers. According to the results, the MPPT efficiencies of all circuits are above 99%. This verifies that the designed MPPT algorithm has successfully tracked the maximum power point. On the other hand, power transfer efficiency is around 92%-93% for each circuit. Then, all inputs of the collector module were loaded at the same time to verify simultaneous power transfer. Firstly, 4 PV panels are used as inputs. Secondly, 3 PV panels and the PV simulator are used as inputs. In both cases, both MPPT and power transfer efficiency ended up with similar values to the individual test results. Consequently, simultaneous MPPT operation and power transfer are verified with these tests, as well as the availability of using different PV sources simultaneously.
Benzer Tezler
- Derin obje sezicilerle tümleştirilmiş bayesçi filtreleme ile videoda obje izleme
Integration of bayesian filtering and deep object detection for video object tracking
FİLİZ GÜRKAN GÖLCÜK
Doktora
Türkçe
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BİLGE GÜNSEL KALYONCU
- Development Of A Modular Control Algorithm For High Precision Positioning Systems
Yüksek Hassasiyetli Pozisyonlama Sistemleri Için Modüler Kontrol Algoritması Geliştirilmesi
NURCAN GEÇER ULU
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Makine Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MELİH ÇAKMAKÇI
- Development of an electronic attack (EA) system in multi-target tracking
Çoklu hedef izlemede elektronik taarruz (ET) sisteminin geliştirilmesi
ÖZLEM TÜRKÇÜ
Yüksek Lisans
İngilizce
2007
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. M. KEMAL LEBLEBİCİOĞLU
- Maximum power point tracking using firefly algorithm for solar photovoltaic systems
Solar fotovoltaik sitemler için ateş böceği algoritması kullanarak maksimum güç noktası izleme
FARAJ JAMA ALI MADI
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKarabük ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ HÜSEYİN ALTINKAYA
- A novel neural network based approach for direction of arrival estimation
Yapay sinir ağı tabanlı yeni bir geliş açısı tahmin yaklaşımı
SELÇUK ÇAYLAR
Doktora
İngilizce
2007
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLBİN DURAL
PROF. DR. MEHMET KEMAL LEBLEBİCİOĞLU