Fotovoltaik sistemlerde yeni bir maksimum güç noktası izleme algoritmasının geliştirilmesi
Development of a new maximum power point tracking algorithm in photovoltaic systems
Yazar: AZİZ GÜNEROĞLU
Danışman: PROF. DR. BEKİR ÇAKIR
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy
Dizin: FIR filtre = FIR filter ; FPGA = FPGA

Özet:
Bu doktora tezinde, fotovoltaik (FV) modüllerin üretmiş olduğu gücü anlık olarak maksimum düzeyde yüke aktarma konusu ele alınmıştır. FVmodüllerin düşük verimliliğe sahip olmaları, sıcaklık ve güneş ışınımı gibi atmosferik koşullardan etkilenmesi nedeni ile üretilen güç sürekli değişir. FV modüllerinsabit ışınım ve sıcaklık koşullarında maksimum gücü ürettiği tek bir çalışma noktası vardır. Bu nokta I-V veya P-V eğrisi üzerinde maksimum güç noktası (MGN) olarak tanımlanır ve FV modül bu noktada maksimum güçte çalışır. FV sistemin MGN'de çalışmamasından kaynaklanacak güç kaybı maksimum güç noktasını izleme (MGNİ) ile önlenir. MGNİ devresi için çeşitli algoritma yöntemleri kullanılarak DA-DA dönüştürücüler kontrol edilir ve MGN sürekli takip edilir. MGNİ yönteminin hızlı ve yüksek doğrulukta çalışması önemlidir. Alan Programlanabilir Kapı dizinleri (FPGA) yongası, uygulama denetleyicisi olarak kullanılmıştır. Yükseltici DA-DA dönüştürücüyü kontrol eden, FPGA Pipeline Mimari yapısı ile Değiştir-Gözle (D&G) ve CORDIC algoritmalarıbirlikte kullanılarak tasarım yapılmıştır. Bozucu etkileri ortadan kaldırmak için FPGA girişinde, alınan örnekler için analog-dijital dönüştürücü (ADD) ve sayısal FIR filtre kullanılmıştır. Alınan örnekler FPGA'da düzenleme ve filtrelemeyapılarak yüksek hassasiyetle%99,83'e ulaşandoğrulukta ve3,165µs düzeyine erişebilenhızlı bir MGN izleme yöntemi önerildi. Önerilen çalışmada, yükseltici dönüştürücü ile FPGA tabanlı D&G ve CORDIC algoritmaları ile yeni bir MGNİ kontrol mimarisi tasarımı ve donanımsal gerçeklemesi yapılmıştır. Yoğun hesaplama ve veri işleme gerektiren dolayısıyla daha fazla donanım gerektiren bir tasarımı tek bir devre içerisinde FPGA yongasında gerçekleştirildi. Önerilen mimari deneysel ve benzetim testleri ile %99,83'lük izleme verimliliğine ulaşmakta ve 3,165µs veri işleme hızı ile yüksek bir çalışma performansı göstermiştir. 

Anahtar Kelimeler: CORDIC Algoritması, DA-DA Yükseltici Dönüştürücü, FPGA, Maksimum Güç Noktası İzleme, Sayısal FIR Filtre

Abstract:
In this doctoral thesis, the issue of instantaneously transferring the power produced by the photovoltaic (PV)modules to the maximum load is discussed. Since PVmodules are affected by atmospheric conditions so have low efficiency.PV modules have only one operating point to generate maximum power under constant radiation and temperature.This point is maximum power point (MPP). The PV module operates at maximum power at this point.The PV power loss is prevented by tracking the maximum power point (MPPT).DC-DC converters are controlled by using various algorithms for MPPT.It is important that the MPPT method worksfast and with high accuracy. The Field Programmable Gate arrays (FPGA) chip was used as a controller.The FPGA pipeline architecture structure, which controls the DC-DC boost converter, has been designed by using Perturb& Observe (P&O) and CORDIC algorithms.Analog-to-digital converter (ADC) and digital FIR filter are used to eliminate the distortion effects in the samples taken.It is proposed a fast MPPTmethod, which can reach the level of 3,165 microseconds, with an accuracy of 99,83% with high precision. A new MPPT control architecture design and hardware implementation has been made with boost converter and FPGA-based P&O and CORDIC algorithms.A design that requires intensive computation and data processing, and therefore more hardware, has been implemented in one circuit in FPGA. The architecture reaches a tracking efficiency of 99,83% with experimental and simulation tests and has demonstrated a high operating performance with a data processing speed of 3,165 microseconds.

Keywords: CORDIC Algorithm, DC-DCBoostConverter, Digital FIR Filter, FPGA,Maximum Power Point Tracking