Güneş enerji sistemleri için yeni bir hibrit mppt yönteminin geliştirilmesi ve gerçek zamanlı uygulanması
Development and real-time implementation of a new hybrid mppt method for solar energy systems
Yazar: MEHMET YILMAZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUHAMMED FATİH ÇORAPSIZ ; DOÇ. DR. ALİRIZA KALELİ
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Amaç: PV sistemlerden yüksek güç elde edilebilmesi için paneller seri, paralel veya seri-paralel bağlanabilmektedir. Ancak bu bağlantılar kısmi gölgelenme problemini de beraberinde getirmektedir. Kısmi gölgelenme PV sistemlerin çıkış gücünün azalmasına neden olmaktadır. Bu güç değerini mümkün olabilen en yüksek değerlerde yüke aktarabilmek amacıyla Maksimum Güç Noktası Takibi (MPPT) yöntemleri kullanılmaktadır. Bu tez çalışmasında, kısmi gölgelenme koşulları altında çalışan Fotovoltaik (PV) sistemlerin verimliliğinin ve yakınsama süresinin iyileştirilmesi için yeni bir hibrit MPPT yönteminin geliştirilmesi ve uygulanması amaçlanmıştır.
Yöntem: Önerilen hibrit MPPT yöntemi iki aşamadan oluşmaktadır. Birinci aşamada belirlenen tarih aralığı için Erzurum iline ait ışınım ve sıcaklık değerleri gerçek zamanlı veriler olarak toplanmıştır. Bu veriler kullanılarak hiperparametreleri optimize edilmiş Gauss Süreç Regresyon (GPR) yöntemi ile Maksimum Güç Noktasındaki (MPP) gerilim değerleri elde edilmiştir. PV sistemden maksimum güç çekilebilmesi için çıkış geriliminin MPP'deki gerilim değerlerine düşürülmesi/yükseltilmesi gerekmektedir. Bu gerilim seviyelerine DC-DC dönüştürücülerin görev süresi ayarlanarak ulaşılabilmektedir. Önerilen hibrit yöntemin ikinci aşamasında ise bu görev süresinin arzu edilen seviyeye ayarlanabilmesi amacıyla Üstün Burulma Tabanlı Kayan Kipli Kontrol (STSMC) yöntemi kullanılmıştır.
Bulgular: Önerilen bu yeni hibrit yöntemin etkinliğini gösterebilmek amacıyla dört farklı senaryo belirlenerek benzetim çalışmaları yapılmıştır. Bu çalışmaların ilk üç senaryosunda statik çevresel koşullar, dördüncü senaryosunda ise dinamik çevresel koşullar göz önünde bulundurulmuştur. Önerilen yöntem her bir senaryo için Değiştir & Gözle algoritması ve Guguk kuşu arama algoritması ile yakınsama süresi ve verim değerleri bakımından karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma sonucunda önerilen hibrit yöntemin diğer yöntemlere göre daha yüksek performansa sahip olduğu görülmüştür. Benzetim çalışmalarında kullanılan PV sistemin gerçek zamanlı uygulaması da yapılarak önerilen yöntemin başarısı kanıtlanmıştır.
Sonuç: Benzetim çalışmalarında önerilen hibrit yöntemin sisteme uygulanması durumunda birinci senaryoda 0.17 s ve %99.747 verimle, ikinci senaryoda 0.18 s ve %99.881 verimle, üçüncü senaryoda 0.19 s ve %99.876 verimle MPPT gerçekleştirilmiştir. Bu senaryolar için yakınsama süresinde %10.526-%85.950 ve verim değerinde ise %0.006-%12.295 değerleri arasında iyileştirilme sağlanmıştır. Dördüncü senaryodan elde edilen sonuçlara göre tüm farklı ışınım ve sıcaklık değişimleri için önerilen hibrit yöntemin %99.727-%99.901 verim değerleri arasında MPPT gerçekleştiği gözlemlenmiştir. Ayrıca gerçek zamanlı uygulamada önerilen hibrit yöntemin sisteme uygulanması durumunda elde edilen sonuçların benzetim çalışmalarıyla örtüştüğü görülmüştür.
Anahtar Kelimeler: MPPT, Hiperparametreleri optimize edilmiş GPR, STSMC

Abstract:
Purpose: In order to obtain high power from PV systems, panels can be connected in series, parallel or series-parallel. However, these connections also bring about the problem of partial shading. Partial shading causes the output power of PV systems to decrease. Maximum Power Point Tracking (MPPT) methods are used to transfer this power value to the load at the highest possible values. In this thesis study, it is aimed to develop and apply a new hybrid MPPT method to improve the efficiency and convergence time of Photovoltaic (PV) systems operating under partial shading conditions.
Method: The proposed hybrid MPPT method consists of two stages. In the first stage, irradiance and temperature values of Erzurum province was collected as real-time data for the determined date range. Using these data, voltage values in Maximum Power Point (MPP) were obtained with the Gaussian Process Regression (GPR) method with optimized hyperparameters. In order to draw maximum power from the PV system, the output voltage must be reduced/increased to the voltage values in the MPP. These voltage levels can be reached by adjusting the duty cycle of the DC-DC converters. In the second stage of the proposed hybrid method, the Super Twisting based Sliding Mode Control (STSMC) method was used to adjust this duty cycle to the desired level.
Findings: In order to demonstrate the effectiveness of this proposed new hybrid method, four different scenarios were determined and simulation studies were carried out. Static environmental conditions were considered in the first three scenarios of these studies, and dynamic environmental conditions were considered in the fourth scenario. The proposed method was compared with the Perturb & Observe algorithm and Cuckoo search algorithm in terms of convergence time and efficiency values for each scenario. As a result of this comparison, it was seen that the proposed hybrid method had higher performance than other methods. The success of the proposed method has been proven by real-time application of the PV system used in simulation studies.
Results: In simulation studies, when the proposed hybrid method was applied to the system, MPPT was performed with 0.17 s and 99.747% efficiency in the first scenario, 0.18 s and 99.881% efficiency in the second scenario, and 0.19 s and 99.876% efficiency in the third scenario. For these scenarios, an improvement of 10.526%-85.950% in convergence time and 0.006%-12.295% in efficiency values was achieved. According to the results obtained from the fourth scenario, it was observed that the proposed hybrid method achieved MPPT efficiency values between 99.727% and 99.901% for all different irradiance and temperature changes. In addition, it has been observed that the results obtained when the proposed hybrid method is applied to the system in real-time application coincide with the simulation studies.
Keywords: MPPT, Hyperparameters optimized GPR, STSMC