Bir Fotovoltaik Sistemden Değişken Güneş Işınım Değerlerinde Maksimum Güç ve Sabit DA Gerilim Elde Edilebilmesine Yönelik

DA/DA Dönüştürücü ve Kontrolcü Tasarımı

Onur Deveci, Coşku Kasnakoğlu

Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü

TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi, Ankara odeveci,kasnakoglu@etu.edu.tr

Özetçe

Bu makalede bir fotovoltaik panelden değişken güneş ışınım değerlerinde maksimum güç elde edilmesine yönelik DA/DA dönüştürücüler, maksimum güç noktası izleyici ve fotovoltaik sistem çıkışında yer alan yükü sabit doğru akım (DA) gerilimde beslemeye yönelik MATLAB/Simulink programıyla PID kontrolcü tasarımı konuları ele alınmıştır. Bu inceleme kapsamında fotovoltaik sistemi oluşturan birimlerden fotovoltaik panel, alçaltan (buck) dönüştürücü, alçaltan dönüştürücü kontrolörü ve yükselten (boost) dönüştürücü tasarımı yapılarak MATLAB/Simulink-SimPowerSystems programında sistem modeli oluşturulmuştur. PID yükselten dönüştürücü kontrolörü tasarımı için gerekli sistem doğrusal modeli, sıkça kullanılan yöntemlerden farklı olarak, sistem bilinen bir çalışma noktası etrafında çalışırken bilinen bir basamak girişine verdiği yanıtın simüle edilmesiyle elde edilen giriş/çıkış verilerine göre oluşturulmuş ve yükselten dönüştürücü kontrolörü söz konusu doğrusal model baz alınarak MATLAB/Simulink aracılığıyla tasarlanmıştır. Değişik güneş ışınım değerlerinde fotovoltaik sistem simüle edilerek alçaltan ve yükselten dönüştürücü kontrolörlerinin performansları analiz edilmiş, tasarlanan kontrolcülerin fotovoltaik sistemi değişken güneş ışınım değerlerinde maksimum güç noktasında çalıştırdığı ve rezistif yüke daha önceden belirlenen sabit DA gerilimi sağladığı görülmüştür.

1. Giriş

Yakın bir zaman diliminde tükenmesi kaçınılmaz olan geleneksel enerji kaynaklarının en yüksek pay ile ilk sırayı aldığı dünya enerji üretimi, artan nüfus ve sanayileşmenin ihtiyaçlarını karşılayamamakta, enerji üretimi ve tüketimi arasındaki açık her geçen gün biraz daha artmaktadır [1]. Bu duruma geleneksel enerji kaynaklarının üretimi ve tüketiminden kaynaklanan çevre sorunları da eklenince, dünya genelinde yenilenebilir enerji kaynaklarına ve özellikle de fotovoltaik sistemlere olan ilgi son yıllarda oldukça artmıştır. Bu alanda yapılan araştırma ve geliştirme çalışmalarının ivme kazanmasıyla son 20 yılda fotovoltaik sistemlere olan talep her yıl ortalama %20-25 artış göstermiştir [2-3]. Söz konusu talep artışına katkıda bulunan en önemli etken üretim teknolojilerindeki gelişme ve buna bağlı olarak güneş hücrelerinin verimliliğindeki artış ve üretim maliyetlerindeki azalmadır [4]. Fotovoltaik panellerden elde edilen voltaj ve akım değerleri atmosferik hava koşullarına ve yük profiline göre farklılık göstermektedir [5-6]. Fotovoltaik panel yüzeyine gelen güneş ışınım değeri arttıkça panel çıkışındaki akım da artmaktadır. Panelin bulunduğu ortam sıcaklığı arttıkça panel

terminallerindeki açık devre gerilimi azalmaktadır. Sonuç olarak, bir fotovoltaik sistemden operasyonel koşullara bağlı olarak elde edilebilecek maksimum güç değeri değişkenlik göstermektedir. Yük profili ve atmosferik koşullara bağlı olarak fotovoltaik panelden maksimum güç değerini elde edebilmek için paneli optimum operasyon noktasında çalıştırmaya yönelik literatürde çeşitli maksimum güç noktası izleyici (maximum power point tracker) metotları geliştirilmiştir [6-10]. Bunlardan en sık kullanılan algoritmalar hata ve gözlem (perturb & observe) ve artan iletkenlik (incremental conductance) algoritmalarıdır [11]. Maksimum güç noktası izleyici sayesinde daha az fotovoltaik panel kullanılarak daha yüksek enerji dönüşüm verimliliğinde maliyeti daha düşük fotovoltaik sistemler kurulabilmektedir [12]. Fotovoltaik sistemlerde verimliliği arttırmak için yukarıda belirtilen maksimum güç noktası izleyici ve çıkış voltajı kontrolü gibi uygulamalara yönelik panel ve yük arasında DA/DA dönüştürücüler ve şebekeye bağlı sistemlerde panel tarafından üretilen DA gerilimi alternatif akım (AA) gerilimine dönüştürmek için eviriciler (inverter) kullanılmaktadır [13]. Bu bildiride şebekeden bağımsız çalışan bir fotovoltaik sistemden değişken güneş ışınım değerlerinde sürekli maksimum güç elde edebilmek için maksimum güç noktası izleyici, çıkışta yer alan rezistif yükün ihtiyacı olan sabit DA gerilimi sağlayacak PID kontrolcü ve söz konusu kontrolcülerin kontrol sinyalleri ile süreceği DA/DA dönüştürücülerin tasarımı üzerinde durulacaktır. Tasarlanan sistem MATLAB/Simulink programında modellenerek simülasyon sonuçları ve gelecekteki çalışmalar değerlendirilecektir.

2. Uygulama ve Yöntem

Fotovoltaik sistemi oluşturan ve bu bölümde tasarım ve modellemesi yapılacak olan bileşenler Şekil 1’de gösterilmiştir.

Şekil 1: Fotovoltaik sistem bileşenleri.

187

2.1. Fotovoltaik Panel Seçimi ve Modellenmesi

Fotovoltaik panel seçimi için ilk olarak sistemin giriş ve çıkışına yönelik tasarım parametreleri Tablo 1’deki gibi belirlenmiştir.

Tablo 1: Fotovolatik Sisteme Yönelik Tasarım Parametreleri

Tasarım Parametresi Sayısal Değeri Birimi Rezistif Yük 5 ± %20 Ω Sistem Çıkış Gerilimi 12 ± %5 V Güneş Işınım Değeri Aralığı

600-1000 W/m2

Rezistif yükün %20 toleransa sahip olduğu varsayılarak, Tablo 1’de belirtilen tasarım parametrelerine göre rezistif yükün ihtiyaç duyduğu maksimum ve minimum güç değeri (1) denklemi kullanılarak hesaplanabilir.

2V

P=R

(1)

(1) denkleminde V çıkış voltajını, R ise rezistif yük değerini gösterir. Buna göre toleransları da hesaba dahil ederek, maksimum güç değeri 39.69W; minimum güç değeri 21.66W olarak hesaplanmıştır. Fotovoltaik panel seçiminde, DA/DA dönüştürücülerdeki kayıplar ve yükün güç ihtiyacına göre belirtilen minimum güneş ışınım değerinde panelin söz konusu gücü karşılayıp karşılayamayacağı göz önünde bulundurulur. Bu çalışmada SunTech firmasına ait STP080S 80W güneş paneline ait Tablo 2’de belirtilen parametreler kullanılmıştır.

Tablo 2: Modellemede Kullanılan Fotovolatik Paneli Oluşturan 36 Adet Güneş Hücresine Ait Parametreler

Parametre Sayısal Değer Birim Isc 5 A Voc 0.6 V

Diyot Đdealite Faktörü

1.5 -

Rs 0.001 Ω Rsh 1000 Ω

Yukarıda belirtilen fotovoltaik paneldeki her bir güneş hücresi Şekil 2’deki gibi bir akım kaynağı, akım kaynağına paralel bir diyot, Rsh direnci ve Rs seri direnci ile modellenebilir [14]. Güneş hücresi çıkışındaki akım ise (2) denklemi kullanılarak hesaplanabilir [15].

*

1*

** ( 1)

pv sV I R

pv sN Vtpv ph s

sh

V I RI I I e

R

+− +

= − − − (2)

Şekil 2: Güneş hücresi elektrik devresi gösterimi.

Şekil 3: Güneş hücresi MATLAB/Simulink modeli.

Şekil 4: Seçilen fotovoltaik panelin farklı güneş ışınım değerlerindeki akım-gerilim ve güç-gerilim grafikleri.

(2) denkleminde Ipv güneş hücresi çıkış akımını, Iph güneş hücresine çarpan fotonlar tarafından üretilen akımı, Is diyot satürasyon akımını, V güneş hücresi çıkış gerilimini, N diyot idealite faktörünü, Rs seri direnci, Rsh paralel direnci, Vt ise termal voltajı gösterir. (2) denklemi kullanılarak MATLAB/Simulink’te oluşturulan fotovoltaik panel modeli Şekil 3’te verilmiştir. Seçilen panelin Tablo 1’de belirtilen minimum güneş ışınım değerinde rezistif yükün ihtiyacı olan maksimum güç değerini karşılayabildiğini doğrulamak için bir MATLAB kodu yazılmış, Şekil 3’teki model çeşitli güneş ışınım değerlerinde çalıştırılarak Şekil-4’te verilen akım-gerilim ve güç-gerilim grafikleri ve bu grafiklerden maksimum güç noktaları elde edilmiştir. Seçilen panelin 600W/m2’de 47.7W üreterek rezistif yükün maksimum ihtiyacı olan 39.69W’ı karşılayabildiği görülmüştür.

2.2. Alçaltan Dönüştürücü Tasarımı ve Modellenmesi

Sistem çıkış gerilimi olarak 12V istendiği ve seçilen panel Şekil 4’te gösterildiği gibi maksimum güç noktasındayken 17.1-17.7V aralığında çalıştığı için maksimum güç noktası izleyiciden gelecek doluluk/boşluk oranı (duty cycle) sinyaliyle çalışmak üzere söz konusu gerilim düşürme işlemini gerçekleştirebilecek alçaltan dönüştürücü kullanılmıştır. Alçaltan dönüştürücü Şekil 5’te verilen devre elemanlarından oluşmaktadır.

Şekil 5: Alçaltan dönüştürücü elektrik devresi gösterimi [16].

188

Şekil 6: Alçaltan dönüştürücü MATLAB/SimPowerSystems modeli.

Fotovoltaik sistemde Şekil 1’deki gibi iki DA/DA dönüştürücü seri bağlandığı ve doluluk/boşluk oranları birbirinden farklı olduğu için L indüktans ve C kapasitans değerleri minimum doluluk/boşluk oranına göre hesaplanarak dönüştürücünün her zaman sürekli iletim modunda (continuous conduction mode) çalışması garanti altına alınmıştır. Sürekli iletim modu için gerekli asgari indüktans değeri (3) denklemi ile hesaplanabilir [17].

minmin

(1 ) *

2 *s

D RL

f

−= (3)

(3) denkleminde D doluluk/boşluk oranını, R çıkıştaki rezistif yük değerini, fs ise anahtarlama frekansını gösterir. (3) denkleminde Dmin=0.05, R=6Ω, fs=100kHz olmak üzere Lmin=28.5µH olarak hesaplanır. Sürekli iletim modu için gerekli asgari kapasitans değeri ise (4) denklemi ile hesaplanmıştır [17].

minmin

20min

0

(1 )

8* * * s

DC

VL f

V

−=

∆ (4)

(4) denkleminde Dmin=0.05, Lmin=28.5 µH, fs=100 kHz ve ∆V0/V0=%1 olmak üzere Cmin=41.6µF olarak hesaplanmıştır. Buna göre alçaltan dönüştürücü için tasarlanan değerler (L=30µH ve C=50µF olarak alınmıştır) ve MATLAB/Simulink modeli Şekil 6’da verilmiştir.

2.3. Maksimum Güç Noktası Đzleyen Kontrolcü Tasarımı ve Modellenmesi

Fotovoltaik panelin değişen hava koşulları (sıcaklık ve güneş ışınım değerleri) ve yük profili altında sürekli maksimum güç noktasında çalışmasını sağlamak için maksimum güç noktası izleyici kullanılmaktadır. Bu çalışmada literatürde en sık kullanılan iki algoritma (hata & gözlem ve artan iletkenlik) incelenmiştir.

Şekil 7: Maksimum güç noktası izleyen kontrolcü MATLAB/Simulink modeli.

Şekil 8: Artan iletkenlik algoritması MATLAB/Simulink modeli.

Hata ve gözlem algoritmasında, fotovoltaik panelin çalışma geriliminde çok küçük değişimler gerçekleştirilerek her bir periyotta panelin çıkış gücündeki değişim (∆P) gözlenmektedir. ∆P > 0 ise, çıkış gerilimi arttırılmakta, ∆P < 0 ise azaltılmaktadır ve panel çalışma noktası maksimum güç noktasına yaklaştırılmaktadır [18]. Basit ve uygulaması kolay bir yöntem olmasına rağmen bu yöntemle panel maksimum güç noktasına ulaşsa bile ∆P=0 noktası civarında sistem salınım yaparak çalışmaya devam etmekte ve düşük güneş ışınım değerlerlerinde güç-gerilim grafiği daha düz olduğu için maksimum güç noktasının yeri tam olarak tespit edilememektedir. Bu nedenle hata ve gözlem metoduna göre özellikle maksimum güç noktasında çalışma konusunda ve hızla değişen atmosferik hava koşullarında daha iyi sonuçlar veren artan iletkenlik metodunun kullanılmasına karar verilmiştir [19]. Artan iletkenlik metoduna göre, panel güç-gerilim eğrisinin eğimi maksimum güç noktasında sıfırdır (dP/dV = 0), sağ tarafta negatif (dP/dV < 0), sol tarafta ise pozitiftir (dP/dV > 0). Bu koşullara göre maksimum güç noktası, (5) ve (6) denklemleri kullanılarak panel iletkenlik artışına göre bulunabilir.

( . )

. 0dP d V I dI

i VdV dV dV

= = + = (5)

( ) , ( ) ,( )I I I I I I

a b cV V V V V V

∆ ∆ ∆= − > < −

∆ ∆ ∆ (6)

(6) denklemine göre (6.a) maksimum güç noktasında çalışıldığını, (6.b) maksimum güç noktasının solunda çalışıldığını ve (6.c) de maksimum güç noktasının sağ tarafında çalışıldığını gösterir. Artan iletkenlik metodu hata & gözlem metodu ile benzer şekilde maksimum güç noktasını arar ancak bu yöntemle panel çıkışındaki çıkış gücünü hesaplamaya gerek yoktur ve bu nedenle ani hava koşulu değişikliklerinde ve düşük güneş

189

ışınım değerlerinde hata & gözlem metoduna göre daha iyi bir performans gösterir. Bu çalışmada kullanılan, artan iletkenlik metoduyla maksimum güç noktası izleyen kontrolcü modeli MATLAB/Simulink programında Şekil 7’deki gibi oluşturulmuştur. Artan iletkenlik maksimum güç noktası izleyici algoritması MATLAB/Simulink programında Stateflow-Chart modeli kullanılarak Şekil 8’deki oluşturulmuştur.

2.4. Yükselten Dönüştürücü Tasarımı ve Modellenmesi

Fotovoltaik panelden sonra kullanılan alçaltan dönüştürücü panel terminal gerilimini düşürdüğü için istenen çıkış gerilimini rezistif yüke verebilmek için yükselten dönüştürücü kullanılmıştır. Bu çalışmada yükselten dönüştürücü yerine alçaltan-yükselten (buck-boost) dönüştürücü ya da Cúk dönüştürücü kullanılmamasının nedeni bu dönüştürücülerin alçaltan ya da yükselten dönüştürücüler kadar verimli olmaması, alçaltan-yükselten dönüştürücü giriş ve çıkışındaki yüksek dalgacık akım değerleri ve buna bağlı yüksek gürültü değerleri ve Cúk dönüştürücünün tasarım açısından daha karmaşık ve görece yüksek maliyetli olmasıdır [20]. Yükselten dönüştürücü Şekil 9’da verilen devre elemanlarından oluşmaktadır. Fotovoltaik sistemde Şekil 1’deki gibi iki DA/DA dönüştürücü seri bağlandığı ve doluluk/boşluk oranları birbirinden farklı olduğu için asgari L indüktans değeri ve C kapasitans değeri her biri için ayrı ayrı optimum doluluk/boşluk oranına göre hesaplanarak dönüştürücünün her zaman sürekli iletim modunda (continuous conduction mode) çalışması garanti altına alınmıştır. Sürekli iletim modu için gerekli asgari indüktans değeri (7) denklemi ile hesaplanabilir [17].

2

min

* (1 ) *

2*opt opt

s

D D RL

f

−= (7)

(7) denkleminde D doluluk/boşluk oranını, R çıkıştaki rezistif yük değerini, fs ise anahtarlama frekansını gösterir. (7) denklemini maksimum yapacak doluluk/boşluk oranı Dopt=0.5, R=6Ω, fs=100kHz olmak üzere Lmin=3.75µH olarak hesaplanır. Sürekli iletim modu için gerekli asgari kapasitans değeri ise (8) denklemi ile hesaplanmıştır [17].

maxmin

0

0

* * s

DC

VR f

V

=∆

(8)

(8) denkleminde Dmax=0.95, fs=100kHz, R=4Ω ve ∆V0/V0=%1 olmak üzere Cmin=237.5µF olarak hesaplanır. Buna göre alçaltan dönüştürücü için tasarlanan değerler (L=10µH ve C=240µF olarak alınmıştır) ve MATLAB/Simulink modeli Şekil 10’da verilmiştir.

Şekil 9: Yükselten dönüştürücü elektrik devresi gösterimi [21].

Şekil 10: Yükselten dönüştürücü MATLAB/SimPowerSystems modeli.

2.5. PID Kontrolcü Tasarımı ve Modellenmesi

Fotovoltaik sistem çıkışında istenen sabit DA gerilimi sağlayabilmek için alçaltan dönüştürücüyü kontrol edecek PID kontrolcü Şekil 11’deki MATLAB/Simulink modeliyle tasarlanmıştır. MATLAB/Simulink kütüphanesinde yer alan ‘Discrete PID Controller’ bloku seçilip ‘Tune’ işlemi ile fotovoltaik sistem otomatik olarak doğrusallaştırılmaya çalışılmıştır. Ancak dönüştürücülerdeki MOSFET anahtarları sürmek için kullanılan darbe genişlik modülasyonu (pulse-width-modulation) blokları ve birbirine seri bağlı iki DA/DA dönüştürücü nedeniyle sistem doğrusallaştırılamamıştır. ‘SISO Tool’ ile, ‘sine stream’ oluşturularak sistem frekans cevabının elde edilmesi yöntemiyle, çalışma noktasının bilinen durumlara (state) göre belirlenerek bu çalışma noktası etrafında sistemin doğrusallaştırılması yöntemiyle, daha önceden bilinen bir çalışma noktası etrafında sistemin doğrusallaştırılmasıyla ve ‘Control System Designer’ aracıyla da sistem doğrusallaştırılamayınca, MATLAB R2014a versiyonunda bulunan yeni bir yöntem kullanılmıştır. ‘PID Tuner’ aracında ‘Plant’ başlığından ‘Identify New Plant’ sekmesi seçilerek ‘Plant Identification’ açılır. ‘Get I/O Data’ başlığından ‘Simulate Data’ sekmesi seçilerek ‘Simulate I/O Data’ aracı açılır. Sistem çıkışında istenen gerilim değerini verecek doluluk/boşluk oranı offset (u0) olacak şekilde sistem çalışırken belirlenen bir basamak girişine verdiği yanıt simüle edilir. PID kontrolcü modelden otomatik olarak çıkartılarak sistem öncelikle belirlenen basamak girişinde çalıştırılır daha sonra offset girişinde çalıştırılır ve elde edilen giriş/çıkış verilerinin farkı alınarak bir tanılama verisi (identification data) oluşturulur. Bu tanılama verisine göre, sistemin doğrusal modeli doğrusallaştırma yöntemleri ile değil simülasyon ile oluşturulmuş olur ve söz konusu veriye göre bir kontrolcü tasarlanarak fotovoltaik sistemin kontrolü sağlanabilir.

Şekil 11: PID kontrolcü tasarımı için düzenlenen MATLAB/Simulink modeli.

190

Şekil 12: Tanılama verisi ve bu veriye göre tanımlanan sistem grafiği.

Şekil 13: Tasarlanan PID kontrolcü referans takibi grafiği.

Bu çalışmada yer alan fotovoltaik sistemin simülasyonu sonucu oluşturulan tanılama verisine uyum sağlayacak şekilde tasarlanan kontrolcü grafiği Şekil 12’de verilmiştir. Tasarlanan PID kontrolcünün katsayıları ve denklem (9) kullanılarak hesaplanan ayrık zamanlı transfer fonksiyonu Tablo 3’te verilmiştir.

1

[ ] . . .11 1 . .

1

s

s

NG z P I T D

zN T

z

= + +−

+−

(9)

Tablo 3: PID Kontrolcü katsayıları ve ayrık zamanlı transfer fonksiyonu

Katsayı Say. Değer Transfer Fonksiyonu P -0.0157015 I -27.13532 D -1.283e-06 N 18651.39 Ts 1e-7

2

2

0.0396 0.0792 0.0396[ ]

1.998 0.9981

z zG z

z z

− + −=

− +

Şekil 14: Yükselten dönüştürücü PID kontrolcüsü MATLAB/Simulink modeli.

Tasarlanan kontrolcünün referans takibi grafiği Şekil 13’teki gibi nihai yükselten dönüştürücü kontrolcü modeli Şekil 14’teki gibi elde edilmiştir.

3. Tartışma, Sonuçlar ve Gelecek Çalışmalar

Fotovoltaik sisteme yönelik tüm birimlerin tasarımı ve modellenmesi tamamlandıktan sonra tüm sistemin nihai modeli MATLAB/Simulink ortamında oluşturulmuştur. Fotovoltaik panel ve alçaltan dönüştürücü arasında ve alçaltan dönüştürücü ve yükselten dönüştürücü arasında ters akımları önlemek için diyot kullanılmıştır. Fotovoltaik panel ve alçaltan dönüştürücü arasında da gerilim dalgalanmalarını (ripple) filtrelemek ve azaltabilmek için kapasitör kullanılmıştır. Fotovoltaik sistem girişine uygulanan değişken güneş ışınım değerleri (600-1000 W/m2 arasında) Şekil 15’te, fotovoltaik sistemin çıkışındaki rezistif yük gerilimi ise için Şekil 16’da gösterilmektedir.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8600

700

800

900

1000

Zaman (saniye)

Gü

neş I

şın

ımı

(W/m

2)

Şekil 15: Fotovoltaik panelin girişine uygulanan güneş ışınım değerleri (W/m2) grafiği.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.80

2

4

6

8

10

12

14

Zaman (saniye)

Çık

ış G

eri

limi

(V)

Vout

Şekil 16: Değişken güneş ışınım değerlerinde R=4Ω yük için fotovoltaik sistemin çıkış gerilimindeki değişim grafiği.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.80

5

10

15

Zaman (saniye)

Çık

ış G

eri

limi

(V)

Şekil 17: Değişken güneş ışınım değerlerinde R=4Ω yük için modifiye edilen PID kontrolcü için fotovoltaik sistemin çıkış

gerilimindeki değişim grafiği.

191

Şekil 18: Modifiye edilen PID kontrolcü MATLAB/Simulink modeli.

Şekil 16’da görüldüğü gibi t=0.6 saniyeye kadar artan güneş ışınım değerlerinde çıkış gerilimi 12V civarında sabit tutulmuştur. Ancak t=0.6 saniyede güneş ışınım değeri 1000W/m2’den 600W/m2’ye düşerken kontrolcü gerilimi 12V civarında sabit tutamamakta, çıkış gerilimi 3V’a düşmektedir. Bu nedenle tasarlanan PID kontrolcü Şekil 18’deki gibi modifiye edilerek sistem simüle edilmiş ve Şekil 17’deki gibi çıkış geriliminin t=0.6 saniyeden sonra da 12V civarında sabit tutulabildiği görülmüştür. Ayrıca bu modifikasyon sayesinde t=0 anında sistem çalışmaya başladığında 12V sabit gerilimi oluşturacak çalışma noktasına yakın bir sabit doluluk/boşluk oranı verildiği için maksimum gerilim salınımı (maximum overshoot) da azaltılmıştır. Pratikte güneş ışınım değerlerinde bu çalışmadaki simülasyonlar sırasında kullanılan değerler gibi anlık değişimler olmamaktadır. Bu nedenle pratikte güneş ışınım değerleri değiştiği zaman Şekil 17’ye göre çok daha az gerilim salınımları beklenmektedir. Modifiye edilmiş PID kontrolcü ile R=5Ω ve 6Ω için çıkış gerilimleri Şekil 19 ve Şekil 20’deki gibi elde edilmiştir ve rezistif yükün Tablo 1’de belirtilen tolerans aralığında, çıkış geriliminin 12V civarında sabit tutulabildiği görülmüştür. Bir diğer ister olan maksimum güç noktasında çalışma, R=4Ω için Şekil 21’de görüldüğü gibi elde edilmiştir. Şekil 4’te verilen maksimum güç noktalarıyla karşılaştırıldığında fotovoltaik panellerin en düşük yük değerinde yani en yüksek güç ihtiyacında iken dahi sürekli maksimum güç noktasında çalıştırılarak ihtiyacı rahatlıkla karşıladığı gözlenmiştir.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.80

2

4

6

8

10

12

14

Zaman (saniye)

Çık

ış G

eri

limi

(V)

Şekil 19: Değişken güneş ışınım değerlerinde R=5Ω yük için fotovoltaik sistemin çıkış gerilimindeki değişim grafiği.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.80

5

10

15

Zaman (saniye)

Çık

ış G

eri

limi

(V)

Şekil 20: Değişken güneş ışınım değerlerinde R=6Ω yük için fotovoltaik sistemin çıkış gerilimindeki değişim grafiği.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.80

20

40

60

80

Zaman (saniye)

Gü

ç (

W)

Power (W)

Panel Gücü

Rezistif Yük Gücü

Şekil 21: Değişken güneş ışınım değerlerinde R=4Ω yük için fotovoltaik sistemin giriş ve çıkış gücündeki değişim grafiği.

Tablo 1’de belirtilen isterlerden çıkış gerilimi toleransı R=4Ω için Tablo 4’teki gibi hesaplanmıştır. Buna göre güneş ışınım değeri düştükçe gerilim salınımları artmaktadır ve 600-800W/m2 için %5 tolerans isteri sağlanamamıştır.

Tablo 4: R=4Ω yük değeri için çıkış gerilimindeki dalgalanmalar

Güneş Işınım Değeri

Çıkış Gerilimi Toleransı

600 W/m2 12V±%11 700 W/m2

12V±%9,0 800 W/m2 12V±%6,9 900 W/m2 12V±%3,6

1000 W/m2 12V±%2,2 Çalışmanın sonraki aşamalarında,fotovoltaik sistem daha geniş bir güneş ışınım değeri aralığında ve daha az gerilim toleransında çalışacak şekilde iyileştirmeler yapılacaktır. Şekil 21’de görüldüğü gibi panelin maksimum güçte çalışıtırılmasıyla üretilen gücün rezistif yükün ihtiyacını karşıladıktan sonra kalan fazlasını depolayabilmek için sisteme akü ilave edilecektir. Ayrıca daha karmaşık maksimum güç noktası izleyici algoritmaları kullanılarak panel gerilimindeki dalgalanmanın belirlenen seviyeye düşmesi için çalışılacaktır. Yükselten dönüştürücüyü kontrol etmek üzere farklı güneş ışınım değeri aralıklarında PID kontrolcü ile kazanç ayarlama (gain scheduling) yöntemi ve PID kontrolcü dışında diğer kontrolcüler de değerlendirilerek optimum performansı veren kontrolcü elde edilmeye çalışılacaktır. Böylece şebekeden bağımsız, maksimum güç ve sabit gerilimde bir DA rezistif yükü besleyebilecek otomatik kontrollü bir fotovoltaik sistem elde edilecektir.

4. Kaynakça

[1] S. Kadıoğlu ve Z.Tellioğlu, “Enerji kaynaklarının kullanımı ve çevreye etkileri”, TMMOB Türkiye Enerji Sempozyumu, s:55-67, 1996.

[2] L.Linares, R.W.Erickson, S.MacAlpine, ve M. Brandemuehl, “Improved energy capture in series string photovoltaics via smart distributed power electronics”, Proceedings of 24th APEC Exp., s:904-910, 2009.

[3] J. Selvaraj ve N. A. Rahim, “Multilevel Inverter For Grid-Connected PV System Employing Digital PI Controller”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Cilt: 56, No: 1, s:149-158 , 2009.

[4] J. M. Carrasco, L. G. Franquelo, J. T. Bialasiewicz, E. Galvan, R. C. PortilloGuisado, M. A. M. Prats, J. I. Leon, ve N. Moreno-Alfonso, “Power-electronic systems for the

192

grid integration of renewable energy sources: A survey”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Cilt: 53, No: 4, s:1002–1016, 2006.

[5] K.H.Hussein, I. Muta, T. Hoshino ve M. Osakada, “Maximum Photovoltaic Power Tracking: An Algorithm for Rapidly Changing Atmospheric Conditions”, IEEE

Proceedings on Generation, Transmission and

Distribution, Cilt: 142, No:1, s:59-64, 1995. [6] X. Liu ve L.A.C. Lopes, “An Improved Perturbation and

Observation Maximum Power Point Tracking Algorithm for PV Arrays”, in IEEE Proceedings of 35th Power Electronics Specialists Conference, Cilt: 3, s:2005-2010, 2004.

[7] H. Patel ve V. Agarwal, “MPPT scheme for a PV-fed single-phase single-stage grid-connected inverter operating in CCM with only one current sensor”, IEEE Trans.

Energy Convers., Cilt: 24, No: 1, s:256–263, 2009. [8] F. Liu, S. Duan, F. Liu, B. Liu, ve Y. Kang, “A variable

step size INC MPPT method for PV systems”, IEEE

Transactions on Industrial Electronics, Cilt: 55, No: 7, s:2622–2628, 2008.

[9] G. Petrone, G. Spagnuolo, R. Teodorescu, M. Veerachary, ve M. Vitelli, “Reliability issues in photovoltaic power processing systems”, IEEE Transactions on Industrial

Electronics, Cilt: 55, No: 7, s:2569–2580, 2008. [10] H. Yau ve C. Wu, “Comparison of Extremum-Seeking

Control Techniques for Maximum Power Point Tracking in Photovoltaic Systems”, Energies, Vol: 4, s:2180-2195, 2011.

[11] N. Onat ve S. Ersoz, “Fotovoltaik Sistemlerde Maksimum Güç Noktası Đzleyici Algoritmalarının Karşılaştırılması”, V. Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu Bildiri Kitabı, s:50-56, 2009.

[12] J.M. Enrique, E. Duran, M. Sidrach-de-Cardona ve J.M. Andujar, “Theoretical assessment of the maximum power point tracking efficiency of photovoltaic facilities with different converter topologies”, Solar Energy, Cilt: 81, s:31-38, 2007.

[13] M. Demirtas, I. Sefa, E. Irmak ve I. Colak, “Güneş Enerjili Sistemler için Mikrodenetleyici Tabanlı DA/DA Yükselten Dönüştürücü”, Gazi Univ. Muh. Mim. Fak.

Der., Cilt: 23, No: 3, s:719-728, 2008. [14] G.R. Walker, “Evaluating MPPT Converter Topologies

Using a MATLAB PV Model”, Journal of Electrical &

Electronics Engineering, Australia, Cilt: 21, No: 1, s:49-55, 2001.

[15] J.A. Gow ve C.D. Manning., "Development of a Photovoltaic Array Model for Use in Power-Electronics Simulation Studies", IEEE Proceedings of Electric Power

Applications, Cilt: 146, No: 2, s:193–200, 1999. [16] Ş. Demirbaş, S. Bayhan ve Đ. Garip, “Mikrodenetleyici

Tabanlı Đki Seviye DA/DA Alçaltan Dönüştürücü”, 6th International Advanced Technologies Symposium, s:198-202, 2011.

[17] N. Mohan, T. Undeland ve W.P. Robbins, Power

Electronics: Converters, Applications and Design, John Wiley & Sons, 2003.

[18] A. Yafaoui, B. Wu, ve R. Cheung, “Implementation of Maximum Power Point Tracking Algorithm for Residential Photovoltaic Systems”, 2nd Canadian Solar Building Conference, 2007.

[19] M. Brito, L. Sampaio, G. Luigi G.A. Melo ve C.A. Canesin, “Comparative Analysis of MPPT Techniques for

PV Applications”, IEEE International Conference on Clean Electrical Power (ICCEP), s:99-104, 2011.

[20] G. Walker ve P. Sernia, “Cascaded DC–DC Converter Connection of Photovoltaic Modules”, IEEE Transactions

on Power Electronics, Cilt: 19, No: 4, s:1130-1139, 2004. [21] B.M. Hasaneen ve A.A.E. Mohammed, “Design and

Simulation of DC/DC Boost Converter”, 12th International Middle-East Power System Conference, s:335-340, 2008.

193