Modelling and Control of A High Power Factor Grid Connected PV Sytem Under Varying Irraditions

Yüksek Güç Faktörlü Şebeke Bağlı Bir PV Sistemin Modellenmesi ve Farklı Işınımlar Altında Kontrolü

Abstract

Nowadays, energy consumption is rapidly increasing due to developing technology, whereas energy resources are rapidly exhausting.The use of non-renewable resources such as coil, natural gas and uranium e.t.c. is difficult and cost for the generation of electricity. Atthe same time, because of their carbon content, it causes environmental pollution and global warming. Thus, interest in the use ofrenewable energy sources for instance solar and wind is increasing. Solar energy is especially preferred due to endless and free solarenergy. The energy obtained from the sun can vary depending on irradiation, panel temperature and pollution. There is nonlinearrelationship between the voltage and current at the output of the solar panels and the power obtained from the sun changes. For thesereasons Maximum Power Point Tracking (MPPT) algorithms are being developed to draw maximum energy from a solar panel.Among these algorithms, the most common and easiest application is Perturb and Observe (P&O) method. In this study, modellingand control of a high power factor grid connected solar system under different irraditions and their effects on the grid are investigated.The proposed PV system is constructed by combining a boost converter and a full bridge inverter. At the input of the system, there aremany serial solar panes to provide the petitive power and voltage. The boost converter is operated with P&O algorithm to provide MPPT. At the same time, the inverter is operated with Average Current Mode Control (ACMC) to supply current to the grid with highPower Factor (PF). Here, both converters are controlled analogously. For this purpose, a grid connected PV system with 1 kW and100 kHz switching frequency was established and simulated with PSIM program. In the developed system, 4 panels with 250W-1000W/$m^2$irradition properties are connected in series. By operating the system under different irradiation and power values, the control ofthe system and the effects of the line were examined. In the results obtained, it was observed that under different conditions, theproposed system has a fast dynamic response time depending on the relevant control algorithms and always has high PF on the ACside.

Özet

Günümüzde gelişen teknolojiye bağlı olarak enerji tüketimi hızla artmakta, buna karşılık enerji kaynakları hızla tükenmektedir. Elektrik enerjisinin üretiminde kullanılan kömür, doğalgaz ve uranyum v.b. yenilenemeyen kaynaklarının kurulumu zordur. Aynı zamanda karbon içeriğine sahip olmaları sebebiyle çevre kirliliğine ve küresel ısınmaya yol açmaktadır. Böylece, güneş ve rüzgar gibi yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımına olan ilgi gün geçtikçe artmaktadır. Özellikle, güneş enerjisinin her daim var olan bir enerji olması sebebiyle daha çok tercih edilmektedir. Güneşten elde edilen enerji ışınıma, panel sıcaklığına ve kirliliğine bağlı olarak değişebilmektedir. Güneş panellerinin çıkışındaki gerilim ve akım arasında nonlineer bir ilişki bulunmakta ve güneşten elde edilen güç sürekli değişmektedir. Bu sebeplerden dolayı, bir güneş panelinden maksimum enerji çekmek üzere Maksimum Güç Noktası Takibi (MGNT) algoritmaları geliştirilmektedir. Bu algoritmalar arasında en yaygın ve uygulaması en kolay olan Sars ve Gözlemle (S&G) metodudur. Bu çalışmada, yüksek güç faktörlü şebeke bağlı bir PV sistemin modellenmesi ve farklı ışınımlar altında kontrolü ile şebekeye etkileri incelenmiştir. Sunulan PV sistemi, yükseltici tür dönüştürücü ile tam köprü tür inverterin birleştirilmesi ile oluşturulmuştur. Sistemin girişinde, istenilen güç ve gerilimi sağlamak üzere PV paneller seri olarak bağlanmıştır. Yükseltici tür dönüştürücü, S&G algoritması ile çalıştırılarak MGNT sağlanmaktadır. Aynı zamanda inverter, Ortalama Akım Mod Kontrol (OAMK) yöntemi ile çalıştırılarak, şebekeye yüksek Güç Faktörü (GF) ile akım verilmesi sağlanmaktadır. Burada her iki devre de analog olarak kontrol edilmektedir. Bu amaçla, 1 kW gücü ve 100 kHz anahtarlama frekansına sahip şebeke bağlı bir PV sistem kurularak, PSIM programı ile simülasyonu gerçekleştirilmiştir. Geliştirilen sistemde 250 W-1000W/$m^2$ ışınım özelliklerine sahip 4 eş panel seri bağlanmıştır. Farklı ışınım ve güç değerleri altında sistem çalıştırlarak, sistemin kontrolü ile şebeke etkileri incelenmiştir. Elde edilen sonuçlarda farklı koşullar altında hedeflenen sistemin, ilgili kontrol algoritmalarına bağlı olarak hızlı dinamik cevap verme süresine sahip olduğu ve şebeke tarafında her daim yüksek GF elde edildiği gözlemlenmiştir.