Solar sulama sistemleri için MPPT tabanlı üç fazlı evirici tasarımı ve uygulaması
Design and application of MPPT based three phase inverter for solar irrigation systems
Yazar: MUZAFFER ÇAYIR
Danışman: DOÇ. DR. HARUN ÖZBAY
Bandırma Onyedi Eylül Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Günümüzde elektrik enerjisinin üretiminde fosil kökenli kaynakların bilinen rezervlerinin hızla tükenmesi yenilenebilir enerjinin önemini ve kullanımını artırmıştır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının çevre dostu ve fosil kaynaklara nazaran daha yararlı olması tercih edilme konusunda başlıca nedenler olmuştur. Bu bağlamda güneş enerjisi elektrik enerjisi üretiminde oldukça tercih edilir hale gelmiştir. Güneş enerjisi kullanılarak fotovoltaik (FV) panellerden maksimum seviyede yararlanabilmek için yapılan akademik çalışmalar hız kazanmıştır. Fotovoltaik sistemlerin; şebeke etkileşimli eviriciler, sulama sistemleri, çiftlik evleri, şebekeden uzak binalar, uzay araçları, askeri uygulamalar gibi birçok kullanım alanı mevcuttur.
Güneş enerjisi kaynaklı fotovoltaik sistemler ile elektrik üretilirken sistemden maksimum güç elde etmek son derece önemlidir. Gün içinde değişen atmosferik şartlar altında, kurulan sistemden alınan güç sürekli olarak değişkenlik gösterebilmektedir. Bu sebeple sistemin maksimum güç noktasında çalışması ve maksimum verimin sağlanması için birçok sistem geliştirilmektedir. Bu sistemler mekanik sistemler olabileceği gibi, elektronik sistemler de olabilmektedir. 
Bu çalışma, FV sistemlerin tarımsal sulama alanı için bir sistem tasarımı, benzetimi ve deneysel çalışmasını içermektedir. Çalışmada FV panellerden elde edilen maksimum gücün yüke aktarımı için tek aşamalı bir evirici tasarlanmış, bu tasarımda DC-DC dönüştürücü kullanılmamıştır. Maksimum Güç Noktası İzleyici (Maximum Power Point Tracking, MPPT) algoritmalarından olan değiştir-gözle (P&O) ve artan iletkenlik (IC) algoritmaları PSIM ortamında geliştirilerek sisteme özgü tasarım yapılmıştır. Bu algoritmaların geliştirilmesi ile 500-1000 W/m² arasında değişen güneş ışınımı değerlerinde FV panellerden elde edilebilen maksimum güç sulama sistemine yüksek verimlilikle aktarılmıştır. Çalışmada sulama amacıyla kullanılan asenkron motor, skaler (V/f) kontrol tekniği ve Alan Yönlendirmeli Kontrol (FOC) tekniği kullanılarak kontrol edilmiştir. MPPT ve motor kontrol teknikleri için özgün olarak geliştirilen algoritmalar gömülü kod üretimi ile deneysel çalışmada kullanılan işlemciye uygun hale getirilmiştir. Önerilen sulama sisteminin benzetim çalışması PSIM programı kullanılarak yapılmıştır. Benzetim çalışmasında yaklaşık 1 kW'lık üç fazlı asenkron motor kullanılarak sistemin performansı değerlendirilmiştir. Deneysel çalışmalar için ise 1 kW'lık bir dalgıç pompa kullanılmıştır. Elde edilen benzetim ve deney sonuçları karşılaştırmalı olarak sunulmuştur.
Anahtar Kelimeler: Fotovoltaik Sistemler, Maksimum Güç Noktası Takibi, Değiştir-Gözle Algoritması, Artan İletkenlik Algoritması, Tarımsal Sulama.

Abstract:
Nowadays, the rapid depletion of known reserves of fossil-based resources in the production of electrical energy has increased the importance and use of renewable energy. The main reasons for choosing renewable energy sources are that they are environmentally friendly and more beneficial than fossil resources. In this context, solar energy has become highly preferred in electrical energy production. Academic studies to make maximum use of photovoltaic (PV) panels using solar energy have accelerated. Photovoltaic systems; Grid interactive inverters have many uses such as irrigation systems, farm houses, off-grid buildings, spacecraft, and military applications.
When generating electricity with solar photovoltaic systems, it is extremely important to obtain maximum power from the system. Under changing atmospheric conditions during the day, the power received from the installed system may constantly vary. For this reason, many systems are being developed to ensure that the system operates at its maximum power point and provides maximum efficiency. These systems can be mechanical systems or electronic systems.
This study includes a system design, simulation and experimental study of PV systems for agricultural irrigation. In the study, a single-stage inverter was designed to transfer the maximum power obtained from PV panels to the load, and a DC-DC converter was not used in this design. Perturb-Observe (P&O) and Incremental Conductance (IC) algorithms, which are among the Maximum Power Point Tracking (MPPT) algorithms, were developed in the PSIM environment and a system-specific design was made. With the development of these algorithms, the maximum power that can be obtained from PV panels at solar radiation values ranging between 500-1000 W/m² has been transferred to the irrigation system with high efficiency. In the study, the asynchronous motor used for irrigation purposes was controlled using the scalar (V/f) control technique and Field Oriented Control (FOC) technique. Algorithms originally developed for MPPT and motor control techniques were adapted to the processor used in the experimental study through embedded code generation. The simulation study of the proposed irrigation system was carried out using the PSIM program. In the simulation study, the performance of the system was evaluated using a three-phase asynchronous motor of approximately 1 kW. For experimental studies, a 1 kW submersible pump was used. The obtained simulation and experimental results are presented comparatively.
Keywords: Photovoltaic Systems, Maximum Power Point Tracking, Perturb-Observe Algorithm, Incremental Conductance Algorithm, Agricultural Irrigation.