Fotovoltaik panellerde model öngörülü kontrol temelli maksimum güç noktası takibinin modellenmesi ve simülasyonu
Modeling and simulation of model predictive control based maximum power point tracking for photovoltaic panels
Yazar: BATUHAN ÖNEY
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MENEKŞE AYDIN
Haliç Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy

Özet:
Dünya nüfusunun artması, sanayileşme ve teknolojinin gelişmesiyle birlikte tüketilen enerji miktarı gün geçtikçe artmaktadır. Üretilen enerjinin de %79'dan fazlasını fosil kaynaklar oluşturmaktadır. Bu nedenle temiz enerji kaynaklarından yararlanılması önemli bir çözümdür. Güneş enerjisi en yaygın kullanılan temiz enerji kaynağıdır. Güneş enerjisinin temiz, tükenmez ve kullanım kolaylığı güneş enerjisini diğer yenilenebilir enerji kaynakları arasında daha avantajlı hale getirir. Güneş enerjisinden doğrudan elektrik üretimi fotovoltaik panel ile meydana gelmektedir. Fotovoltaik kelime anlamı olarak ışık fotonundan elektrik üretimi anlamına gelmektedir. Üzerine fotonların düştüğü fotovoltaik güneş hücreleri, güneş enerjisini yarı iletken malzemeler yardımıyla direkt olarak DC elektrik enerjisine dönüştüren sistemlerdir. Yarı iletken teknolojisi son zamanlarda gelişmesine rağmen, güneş panellerinin verimliliği düşüktür. Fotovoltaik panel verimine etki eden birçok etken vardır. Bunlar; panel eğim açısı, gölgelenme, tozlanma, güneş ışınım şiddeti, sıcaklık, kablolama vb. kayıplarıdır.
Bu tez çalışmasında bir FV panelin çıkış gücünü en yüksek noktaya ulaştırabilmek için Maksimum Güç Noktası Takibi yöntemlerinden Değiştir&Gözle Algoritması kullanılarak MATLAB/Simulink programında bir benzetim çalışması yapılmıştır. Panel girişindeki sinüzoidal DC gerilimi azaltmak ve kararlı halde kullanılmasını sağlamak için düşürücü (buck) dönüştürücü kullanılmıştır. Bu güç dönüştürücünün olası tüm anahtarlama durumlarının kontrolünü denetlemek, giriş-çıkış voltaj ve akımlarının gelecekteki davranışlarını tahmin ve optimize etmek için Model Öngörülü Kontrol kullanılmıştır. MÖK maksimum gücü elde etmek için değerleri DC-DC düşürücü dönüştürücüye aktarmaktadır. Bobin akımı, ölçmek yerine tahmin edilir. Bu durum ekstra akım sensörü kullanımını ortadan kaldırır ve sistem maliyetini düşürmektedir.  Çalışmada FV panelin farklı sıcaklık ve güneş ışınım değerlerine göre değişimleri MGNT ile analiz edilmiştir. Bu analizler sonucunda elde edilen panel akım, gerilim ve güç eğrilerinin FV panelin performansına etkileri değerlendirilmiştir. FV panelin düşürücü ve yükseltici dönüştürücülerle yapılan benzetim sonuçlarının Maksimum Güç Noktası etrafında olduğu görülmüştür. Çalışmada D&G algoritmasının maksimum güç noktası seviyelerinde tutarlı sonuçlar verdiği görülmüştür. Ayrıca diğer çalışmalara benzer şekilde D&G algoritmasının MGN etrafında salınımlara sahip olduğu gözlemlenmiştir. Ayrıca MÖK'ün geçici hal durumlarına bakıldığında MGN seviyelerine hızlı ulaştığı ve iyi bir denetleyici olduğu anlaşılmaktadır.

Abstract:
With the increase in the world population, industrialization and the development of technology, the amount of energy consumed is increasing day by day. Fossil sources account for more than 79% of the energy produced. Therefore, utilizing clean energy sources is an important solution. Solar energy is the most widely used clean energy source. The clean, inexhaustible and ease of use of solar energy makes solar energy more advantageous among other renewable energy sources. Direct electricity generation from solar energy occurs with photovoltaic panels. Photovoltaic literally means the production of electricity from a photon of light. Photovoltaic solar cells, on which photons fall, are systems that directly convert solar energy into DC electrical energy with the help of semiconductor materials. Although semiconductor technology has developed recently, the efficiency of solar panels is low. There are many factors that affect the efficiency of photovoltaic panels. These; panel tilt angle, shading, dusting, solar radiation intensity, temperature, cabling etc. are losses.
In this thesis, a simulation study was carried out in MATLAB/Simulink program by using the Perturb &Observe Algorithm, one of the Maximum Power Point Tracking methods, in order to maximize the output power of a PV panel. A buck converter is used to reduce the sinusoidal DC voltage at the panel input and to ensure stable use. Model Predictive Control is used to control the control of all possible switching states of this power converter and to predict and optimize the future behavior of input-output voltages and currents. The MPC transfers the values to the DC-DC step-down converter to obtain the maximum power. Coil current is estimated rather than measured. This eliminates the use of extra current sensors and reduces the system cost. In the study, the changes of the PV panel according to different temperature and solar radiation values were analyzed with MPPT. The effects of the panel current, voltage and power curves obtained as a result of these analyzes on the performance of the PV panel were evaluated. It has been seen that the simulation results of the PV panel with step-down and step-up converters are around the Maximum Power Point. In the study, it was seen that the D&G algorithm gave consistent results at maximum power point levels. In addition, similar to other studies, it has been observed that the D&G algorithm has oscillations around the MPP. In addition, when we look at the transient status of the MPC, it is understood that it reaches the MGN levels quickly and is a good controller.