Kısmi gölgelenme altında çalışan yeni bir maksimum güç noktası izleme (MPPT) metodu içeren pv sistemi geliştirilmesi
Developing a pv system employing a novel maximum power point tracking (MPPT) method working under partial shading
Yazar: MUSTAFA GÖKDAĞ
Danışman: PROF. DR. MEHMET AKBABA
Karabük Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Seri bağlı PV birimler arasında kısmi gölgelenme ve karakteristik uyumsuzluk söz konusu olduğunda çoklu maksimum içeren ve azaltılmış tepe değerine sahip çıkış güç eğrileri oluşur. Artırılmış tepe değerli konveks güç eğrileri elde etmek ve baypas diyotu kullanımı nedeniyle vazgeçilen gücü geri kazanmak için çeşitli güç elektroniği çözümleri önerilmiştir. Verim gereksinimlerini ve ekonomik hedefleri karşılayabilmek için bu tür çözümlerde minimum sayıda güç elektroniği elemanı ile en az gücü işlemek esastır. PV birimler arasında enerji transferi farklı gerilimli birimleri aynı çalışma gerilimine getirir ve seri birimler arasındaki farksal akıma ekstra akım yolu sağlar. Kollektif bu çalışma dizin için artırılmış tepe değerine sahip konveks eğriler üretir.

Bu çalışmada literatürdeki benzer çalışmalara kıyasla yarı sayıda güç elektroniği elemanı içeren ve PV panel-altı seviyede güç dengeleme yapan anahtarlamalı panel-altı konvertör önerilmektedir. Önerilen topoloji anahtarlamalı kapasitör konvertör konseptinden faydalanır. Güç elektroniği elemanı sayısındaki azalma güç elektroniği kayıplarını azaltmakla beraber konvertör devresinin maliyetini ve hacminide azaltır. Konvertörün çalışmasından kaynaklanan kayıp bileşenleri karakterize edilerek toplam ilave kayıp analizi gerçekleştirilmiştir. Önerilen topoloji PSpice'ta simüle edilmiş ve deneysel doğrulama için prototip devreler üretilmiştir. Hem simülasyon hem de deneysel çalışmalar teorik kayıp analizlerini doğrulamıştır. Önerilen çözüm ile klasik konfigüre edilmiş anahtarlamalı kapasitör konvertör çözümünü verim, işlenen güç miktarları ve rezistif güç kayıpları bakımından karşılaştırmak için simülasyon çalışmaları yapılmıştır. Ayrıca literatürde öne çıkan diğer çalışmalar ile kısmi gölgelenme ve uyumsuzluk durumundaki performansları verim üzerinden karşılaştırılmıştır. Tek çıkışlı N//N-1 konfigürasyon için yapılan deneysel çalışmalarda, düzgün dağılımlı ışınım şartlarında belirli parametreler ile çalışan konvertör için güç dönüşüm verimi seri dizine kıyasla > % 99 olarak elde edilmiştir. Çift çıkışlı yapı işlenen gücü azaltmak suretiyle kayıp miktarını azaltabilir. N//N şeklindeki konfigürasyonda gölgelenmenin bulunmadığı durumlarda anahtarlamayı durdurmaya izin vererek güç kaybını önlemek üzere kullanılabilir. Kısmi gölgelenme şartlarında önerilen metot konveks çıkış gücü eğrisini garanti eder ve test edilen kısmi gölgelenme şartları için baypas diyotlu seri dizine kıyasla % 10-20 güç artışı sağlar.

Abstract:
Partial shading and mismatch conditions among the series-connected modules/sub-modules suffer from a nonconvex power curve with multiple local maxima and decreased peak power for the whole string. A number of power electronics solution was proposed to obtain convex output power curve with increased peak and to regain the foregone power due to the use of baypas diodes. To meet efficiency requirements and economic goals, a power electronic solution which processes less power with the minimum number of components is essential. Energy transfer between the sub-modules brings the modules with different voltages, due to partial shading and mismatch, to the same operating voltage while providing an extra current path circuitry for mismatch current. This collective operation produces a convex power curve, which results in increased peak power for the string.

In this study a switched sub-module converter which includes half number of components when compared to the earlier similar counterparts is proposed for power balancing at PV sub-module level.  The proposed topology benefits from the switched-capacitor (SC) converter concept. Reduction in power electronics components leads to reduced power electronics losses as well as less cost and volume of the converter circuit. Analysis of the insertion loss which arises from the operation of the converter is carried out to characterize the loss components. The proposed topology is simulated in PSpice environment, and some prototypes are built for experimental verification. Both simulation and experimental results confirm the loss analysis. In order to compare both the proposed topology and the conventional switched capacitor solution in terms of efficiency, amount of processed power and resistive power loss the simulation of the both systems are carried out. Furthermore the performance of the proposed topology under partial shading and mismatch conditions is compared with the leading studies from the literature. For the experiment of the single output N//N-1 configuration it is found that the conversion efficiency of the switched converter remains > 99 % for uniform radiation under certain parameters. Dual output case can even reduce the loss minimizing the processed power. N//N configuration can also be used to prevent the loss stopping the switching. The proposed method ensures always a convex output power curve and provides 10-20 % power increment for the tested partial shading conditions as compared to the normal series string with baypas diodes.