Maksimum güç noktası izleme sistemine sahip 500 kw gücünde şebeke bağlantılı bir güneş enerji santralinde kısmi gölgelenmenin üretim üzerindeki etkilerinin incelenmesi
An investigation of partial shading effect in a 500 kw solar power plant which have a maximum peak point tracking system
Yazar: ALPER TURAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ LEVENT OVACIK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Dünyada yaşanan petrol krizleri petrol ve doğalgaza dayalı elektrik üretimini sekteye uğratmıştır. Neticede yenilenebilir enerji kaynakların önemi artmıştır. Yenilenebilir enerji seçenekleri arasında bulunan fotovoltaik enerjisinin bazı avantajları şöyle sıralanabilir; kolay taşınabilme ve şebekesiz çalışabilmesi nedeniyle kırsal alanlarda, pratik kurulumu nedeniyle ise herhangi bir doğal afet ya da şebeke arızası meydana geldiğinde sosyal hizmetlerin ihtiyaçlarını karşılayabilecek bir elektrik üretimi mümkündür.
Fotovoltaik panellerin en temel yapı taşı ise güneş pilleridir. Kristal olmayan (amorf) ince katmanlı silikona dayalı güneş pillerinin verimliliği tek kristal ya da çok kristalli hücrelere göre çok daha düşüktür. Buna rağmen, ince katmanlı hücreler hücresel iletişim yoluyla yapılabilme avantajına sahiptirler. Böylelikle, voltaj ve enerjinin düşük olması gereken uygulamalarda örneğin hesap makinesinin enerjisini sağlamak için amorf silikon devrelerin kullanılması daha uygundur.
Bu tez kapsamında fotovoltaik panel ve dizilerin matematiksel modelleri analiz edilmiştir. Modellerde panelin gerilim-akım oranı yük empedansı ile ayarlanmıştır. Böylece fotovoltaik sistem farklı yük ve ortam koşullarında maksimum güç noktasına mümkün olduğunca yakın olacaktır. Panelden maksimum gücü elde etmek için yük empedansı panelin maksimum güçte çalışması için gereken empedansa eşit olmalıdır. Fotovoltaik sistemdeki maksimum gücü izleyicisinin (MPPT) en önemli amacı yük empedansı eşleşmesidir. Bu eşleştirme ise genellikle bir DC/DC dönüştürücülerle yapılmaktadır. Değiştir ve gözle (P&O), artımsal iletkenlik (InCond) ve sabit voltaj gibi klasik teknikler, basit uygulama ve daha az karmaşıklık nedeniyle yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, iklim koşullarında hızlı değişim sırasında bozulma yönünü takip edememe, sürekli salınım ve PV sistemi kısmi gölgelenmede çalışırken birden fazla yerel ve global tepe arasında global maksimum güç noktasını (GMPP) takip edememe dezavantajları vardır. MPPT tekniklerinin performans değerlendirmelerini optimize etmek için literatürde birçok metaheuristik algoritması bulunmaktadır. Örneğin Firefly algoritması (FFA) ve kısmi gölgelenme koşulunda PV sistemi için InCond tekniği ile birlikte kullanılarak başarılı sonuçlar alınmıştır. Bu tez kapsamında Değiştir ve Gözle algoritması uygulama kolaylığı nedeniyle kullanılmıştır.
Bu tez kapsamında kısmi gölgelenme çeşitleri araştırılmıştır. Kuş pislikleri ve bitkilerden kaynaklanan gölgelenme durumunda panelin küçük bir kısmı etkilenmektedir. Bu da panel üzerinde hot-spot etkisi nedeniyle panelin yanmasına kadar zarar vermektedir. Zemin ve enlem bilgileri göz önüne alınmadan yapılan panel yerleşimi durumunda tesisin düşük güç üretimi ile sonuçlanmaktadır. Son olarak santral binalarından kaynaklanan gölgelenmeler incelenmiştir. 
Kısmi gölgelenme durumlarında bypass diyotlarının davranışları gölgelenen modülün bağlı olduğu yükün miktarına göre değişmektedir. İlk olarak; eğer panele bağlı yüksek akım çeken bir yük varsa gölgelenen modüller kısa devre akımına yaklaşacakları için bypass diyotları modülü kısa devreden korumak için devreye girmektedir. Bu durumda maksimum güç noktası düşük gerilim seviyesine çekilmiş olmaktadır. İkincisi ise yükün düşük akım çekmesi durumu olup bu durumda bypass diyotlarının devreye girmesi beklenmemektedir. Böylece dize gerilimi de düşmeyecektir. Yani maksimum güç noktası daha yüksek bir gerilim noktasına taşınmış olacaktır. Güç tepelerinin oluşumu belirgin değildir. Çünkü kısmi gölgelenme sonucu bypass diyotlarının I-V grafiğinde yaptığı basamaklı düşüş panele özgüdür. Ayrıca kritik panel sayısına ulaşıldığında artık panelin gölgelenmesinin tesisin çıkış gücünü değiştirmemektedir. Düşük gerilimlerde oluşan güç tepelerini büyük oranda gölgelenmemiş panellerden kaynaklanmaktadır. Ayrıca aydınlatma şiddeti çoklu tepe oluşumlarını değiştirmektedir.  
Bu tez kapsamında PV davranışını araştırmak için eşdeğer devre kullanılmıştır. Eşdeğer devre fotonik akım, diyot, kaçak akımı gösteren paralel direnç ve akıma karşı iç direnci modelleyen bir seri dirençten oluşmaktadır. Tipik bir PV hücresinin yaklaşık 0.5 volt'ta 2 watt'tan daha az ürettiği için uygun voltajda yeterli güç üretmesi için PV modülün seri veya paralel bağlanması gerekmekte olup böylece bir PV modülü oluşmuş olacaktır. Bir dizi fotovoltaik modülün seri ve paralel bağlanmasından ise bir PV dizisi yapılmaktadır.
Fotovoltaik hücrelerin akım-voltaj karakteristiği sıcaklık ve radyasyona bağlıdır. Açık devre voltajı, güneş pillerinin terminallerinde yük olmadığı zaman (sıfır akım) ölçülmekte ve kısa devre akımı ise güneş pillerinin kısa devre yapılmasıyla elde edilmektedir. Sıcaklık ve radyasyonda oluşan her türlü değişiklik, bu parametrelerinde değişimine neden olmaktadır. Sıcaklıkta oluşan değişim kısa devre akımından fazla açık devre gerilimini etkilemektedir. Aksine radyasyonda oluşan değişim açık devre geriliminden daha fazla kısa devre akımını etkilemektedir. 
Bu tezde tasarlanan fotovoltaik modelde şebekeye elektrik gücü sağlamak için DC/DC güç çeviricisi ve DC/AC evirici kullanılmıştır. Model 100 kW gücünde beş güneş enerjisi dizisi, yükselten dönüştürücüsü ve şebeke tarafı eviricisi olan sistemin ana bileşenlerinin bir temsilini içerir. Aynı zamanda bir maksimum güç noktası izleme (MPPT) algoritması önerilmektedir. Bir DC/DC dönüştürücüye dahil edilen algoritma, PV hücresinin maksimum gücünü izlemek için kullanılır. Son olarak, üç seviyeli DC/AC çevirici, DC/ DC dönüştürücünün çıkış gerilimini ayarlamak için kullanılır ve sonunda PV dizisini şebekeye bağlanır.
Son olarak MPPT kontrol metodundan faydalanarak, MATLAB/SIMULINK ortamında şebekeye bağlı ve 500 KW güce sahip santralin benzetim sonuçlarını gösterilmiştir. MPPT güneş panelinin maksimum güç noktasında çalışmasını sağlayan bir yöntemdir. Şebekeye bağlanmak için bir Darbe genişliği modülasyonu (PWM) eviricisi kullanılmıştır. Ayrıca bitirme tezinde MPPT kontrol sisteminin çalışma mekanizması hakkında bilgilere yer verilmiştir. Benzetim sonuçları, bir güneş ışınımının değişiminin herhangi bir PV sisteminin güç çıkışını nasıl etkileyebileceğini ve ayrıca şebekeye bağlı fotovoltaik sistemin kontrol performansını ve dinamik davranışını göstermektedir.
Kısmi gölgelenmenin sistem çıkışı üzerindeki etkilerini daha iyi anlamak için farklı gölgelendirme durumlarında simülasyonlar yapılmıştır. Benzetimlerde ilk başta tüm panellerin %100 ışık aldığını varsayılmıştır. Sonraki aşamalarda ise sırasıyla %30, %50 ve %100 gölgelendirme varsayılmıştır. Güneş santrali 100 kW'lık bölümlerden oluştuğundan ilk başta 100 kW'lık bölümlere gölgelendirme uygulanmıştır. İlk bölüm simülasyonlarında MPPT devredışı bırakılmıştır. Daha sonra aynı gölgelendirme simülasyonunu MPPT devredeyken tekrarlanmıştır. Sonuçta MPPT sistemi mevcut olmadığında görev döngüsü oranının değerinin sabit kaldığı ve radyasyon ve gölgelenmedeki değişikliklerden etkilenmediği görülmüştür. Diğer taraftan santralin güç çıkışı radyasyonun azalmasıyla azalmıştır. Ayrıca radyasyon miktarının sıfıra (%100 gölgeleme) ulaştığı durumda ise çıkış gücü sıfır olmuştur. Bir de MPPT yokluğundan dolayı akım eğrisinde salınımlarının yaşanması belirgin bir şekilde tespit edilmiştir. Son olarak kısmi gölgelendirmeyi panellerin tamamına (500 kW) uyguladığımızda ise bulut geçişi sırasında ve %30'luk gölgelenmede santralin mevcut çıkış miktarı yaklaşık bir amper azalarak tesisin üretim kapasitesini düşürmüştür. %50 gölgelendirme durumunda ise santralin güç enjeksiyon hacminin yaklaşık olarak yarıya düştüğü gözlenmiştir.
Konuyu daha fazla araştırmak için, MPPT sisteminin varlığında elektrik santralini iletim şebekesine bağlanması ele alınarak benzer gölgeleme modu uygulanmıştır. Gölgesiz koşullarda, MPPT sistemi aslında doğru akım anahtarlamayı kullanarak güç sistemine maksimum güç enjekte etmektedir. Gölgelenme başladığı andan itibaren MPPT sisteminin varlığı ve algoritmanın uygun performansı nedeniyle dönüştürücü görev döngüsü oranı değeri sıcaklık ve radyasyon koşullarına bağlı olarak değişmekte olup bu nedenle sistem neredeyse tüm durumlarda dış koşullardan etkilenmeksizin şebekeye maksimum güç sağlamaktadır. Simülasyon sonuçları MPPT'nin düşük gölgelenme koşullarında daha iyi performansa sahip olduğunu göstermektedir. Üstelik gölgelenme miktarı arttıkça MPPT'nin şebekeye kazandırdığı gücün düşük gölgelendirme durumuna kıyasla daha az olduğu tespit edilmiştir.
Kar, yağmur, deformasyon, rüzgâr vb. çevre koşullarının kısmi gölgelenmeyi nasıl etkiledikleri araştırılmıştır. Sonuçta ise çevre etkilerini azaltmak için öneriler sunulmuştur.
Son bölümde ise tezden elde edilen sonuçlar hakkında değerlendirmeler, bulgular ve öneriler yer almaktadır.

Abstract:
After the oil crises the electricity production based on oil and natural gas is reduced substantially. After all, the renewable power plants are increased their significance of them over the electricity production industry. The photovoltaic energy resources have the some advantages on rural areas due to easy transportation and ability to operate with off-grid network. Also it is suitable for consumers to get health and social service during natural disasters or grid blackouts.

The basic building block of photovoltaic panels is solar cells.The efficiency of non-crystalline (amorphous) thin layer silicon-based solar cells is much lower than for single-crystal or multi-crystalline cells. However, thin-layer cells have the advantage that they can be made by cellular communication. Thus, it is more convenient to use amorphous silicon circuits to provide the energy of the calculator, for example, in applications where voltage and energy are low. 

In this thesis, mathematical models of photovoltaic panels and arrays are analyzed. In the models, the voltage-current ratio of the panel is adjusted by the load impedance. Thus, the photovoltaic system will be as close to the maximum power point as possible under different load and ambient conditions. To obtain maximum power from the panel, the load impedance must be equal to the impedance required for the panel to operate at maximum power. The most important purpose of the maximum power monitor (MPPT) in the photovoltaic system is to match the load impedance. This pairing is usually done with a DC / DC converter. Classical techniques like perturb and observe (P&O), incremental conductance (InCond) and constant voltage are widely used because of simple implementation and less complexity. However, they have drawbacks of failure to track right perturbation direction during rapid change in climatic conditions, steady-sate oscillation and failure to track global maximum power point (GMPP) among multiple local and global peaks when ever the PV system is operating under partial shade condition. In advance, recently many metaheuristic algorithms are proposed to optimize performance evaluations of MPPT techniques, for example using Firefly algorithm (FFA) and InCond technique for PV system under partial shading condition is proposed. In this thesis, Perturb and Observe algorithm was used because of its ease of application.

In this thesis, partial shading types were investigated. A small portion of the panel is affected by ghosting caused by bird droppings and plants. This causes damage to the panel due to the hot-spot effect on the panel. Panel placement without taking into account ground and latitude information results in low power generation of the plant. Finally, the shadowing caused by the power plant buildings was examined.
In partial shading situations, the behavior of the bypass diodes varies according to the amount of load to which the shaded module is connected. Firstly; if there is a high current load connected to the panel, bypass diodes are activated to protect the module from short circuit since the shaded modules will approach short circuit current. In this case, the maximum power point is reduced to the low voltage level. The second one is the low current draw of the load and in this case the bypass diodes are not expected to be activated. Thus, the string voltage will not drop. So the maximum power point will be moved to a higher voltage point. The formation of power peaks is not apparent. Because the gradual decrease in the I-V graph of bypass diodes as a result of partial shading is panel-specific. Furthermore, when the critical number of panels is reached, the shading of the panel no longer changes the output power of the plant. Power peaks formed at low voltages are largely due to unshaded panels. In addition, the intensity of illumination changes multiple peak formations.

Mathematical models and simulation of the solar cell gain importance in order to better understand the solar system. An equivalent circuit is used to investigate PV behavior. The equivalent circuit consists of a photonic current, a diode, a parallel resistor that shows the leakage current, and a series of resistors that model the internal resistance to current. Since a typical PV cell produces less than 2 watts at about 0.5 volts, the PV module must be connected in series or in parallel to produce sufficient power at the appropriate voltage, thus forming a PV module. A series of photovoltaic modules are connected in series and in parallel to form a PV array.

The current-voltage characteristics of photovoltaic cells depend on temperature and radiation. Open circuit voltage is measured when there is no load at the terminals of the solar cells (zero current) and the short circuit current is obtained by short-circuiting the solar cells. Any change in temperature and radiation causes changes in these parameters. The change in temperature affects the open circuit voltage more than the short circuit current. On the contrary, the change in radiation affects the short circuit current more than the open circuit voltage.

The photovoltaic model designed in this thesis uses DC / DC converter and DC / AC inverter to provide electrical power to the grid. The model consists of five 100 kW solar arrays, a representation of the main components of the system with an amplifier converter and a grid-side inverter. A maximum power point tracking (MPPT) algorithm is also recommended. The algorithm included in a DC / DC converter is used to monitor the maximum power of the PV cell.

Consequently, the three-level DC / AC converter is used to adjust the output voltage of the DC / DC converter and eventually connect the PV array to the grid. Finally, using the MPPT control method, the simulation results of the grid-connected power plant in MATLAB / SIMULINK are shown. MPPT is a method that allows the solar panel to operate at its maximum power point. A Pulse width modulation (PWM) inverter is used to connect to the grid. In addition, the graduation thesis includes information on the mechanism of MPPT control system. The simulation results show how the change of a solar radiation can affect the power output of any PV system, as well as the control performance and dynamic behavior of the grid-connected photovoltaic system.
To better understand the effects of partial shading on system output, simulations have been performed in different shading situations. In the simulations, it was assumed that all panels received 100% light at first. In the following stages, 30%, 50% and 100% shading was performed respectively. Since the solar power plant consists of 100 kW sections, shading was applied to 100 kw sections at first. The first part simulations were performed by disabling MPPT, and then we repeated the same shading simulation with existence of MPPT. When the MPPT system is not available, the value of duty cycle(D) remains constant and is not affected by changes in radiation and shading. On the other hand, the power output of the plant decreases with the reduction of radiation and in a case where the amount of radiation reaches zero (100% shading), the output power becomes zero. The oscillations in the current curve due to the absence of MPPT have been clearly identified. When partial shading is applied to the entire plant (500 kW), the current output amount of the plant will decrease by approximately one ampere during the cloud transition and 30% shading, which will reduce the production capacity of the photovoltaic plant. In case of 50% shading, the power injection volume of the plant is approximately halved.

To further investigate the issue, the connection of the power plant to the transmission grid in the presence of the MPPT system was discussed and a similar shading mode was applied. In shadow-free conditions, the MPPT system actually injects maximum power into the power system using direct current switching. Due to the presence of the MPPT system and the proper performance of the algorithm, the duty cycle ratio value changes depending on temperature and radiation conditions from the moment which shading starts and therefore the system provides maximum power to the network in almost all cases without being affected by external conditions. Simulation results show that MPPT performs better under low shading conditions. As the amount of shading increases, it is found that the power provided by MPPT algorithm to the grid is less than the low shading case.

Additionally, how snow, rain, deformation, wind and other environmental conditions affect partial shading is mentioned. Recommendations have been made to reduce environmental impacts.  

Ultimately, evaluations, findings and suggestions about the results obtained from the thesis are given.