500kWp ŞEBEKE ETKİLEŞİMLİ FOTOVOLTAİK SİSTEMİN MAKSİMUM GÜÇ NOKTASI TAKİBİ TABANLI SİMULASYONU VE İNCELENMESİ

👤Semih Doğan Kocaeli Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Elektrik Mühendisliği ABD, 41380, Umuttepe, Kocaeli dogan.semih@outlook.com

ÖZET
Dünya üzerinde var olan en büyük enerji kaynağı olan Güneş potansiyelinin, fotovoltaik sistemler içerisinde maksimum verimde kullanılması gerekmektedir. Literatürde birçok teorik modelleme örneği olmakla beraber, bu benzetim çalışmalarının gerçek uygulama örneklerine uyarlama çalışmaları bu tip sistemlerin karakteristiklerinin incelenmesinde büyük önem arz etmektedir. Ülkemizde şebeke gerilim değerleri baz alınarak yapılan bu çalışmada, piyasada satılan DC-AC evirici paratmetrelerine sadık kalınmaya çalışılmıştır. Böylelikle benzetim çalışmasındaki sayısal verilerin uygulama örneklerine yakınlığı irdelenmiştir. Bu çalışmada, günümüzde uygulamalara yönelik bir Güneş enerji santralinin temel konseptleri ve Matlab Simulink yardımıyla benzetim çalışmaları açıklanacaktır.
Anahtar kelimeler: Fotovoltaik sistem, maksimum güç noktası, DC-DC dönüştürücü,Matlab/Simulink

1. GİRİŞ
🔍 Yenilenebilir enerji kaynaklarına olan ilgideki artış, Dünya çapında birçok verimli ve stabil yenilenebilir enerji sistemlerinin geliştirilmesini tetiklemektedir. Bu artan ilgi ile beraber, kurum ve kuruluşlar yoğun bir şekilde kaynaklarını temiz enerji sistemlerinin geliştirilmesine harcamaktadır. Yeşil enerji kaynaklarının şüphesiz ki en yaygın kullanım alanlarından biri, fotovoltaik güneş pilleri ve fotovoltaik sistemlerdir.

Dünya yüzeyine düşen Güneş enerji potasinyeli araştırıldığında, bir yıllık toplam enerji 0,709x1014 TEP (ton eşdeğer petrol) kadardır. Başka bir deyişle, Güneş saniyede yaklaşık 3.8x1023 kW büyüklüğünde bir enerji yaymaktadır [1]. Bu değer Dünya üzerindeki petrol rezervine oranlandığında 516 kat olarak bilinmektedir. Bu çapta büyük bir enerji kaynağının varlığından söz ederken, günümüz teknolojileriyle bu kaynağın potansiyelinin çok küçük bir parçasını kullanıyor olmak, tüm bilim insanlarının ve firmalarının başı çeken araştırma konularından biri haline gelmiştir.🔍 

Özellikle avantajları düşünüldüğünde, fotovoltaik sistemlerin sayısız alanda kullanılması ve bağlı olduğu sistemlerin etkin çalışması, bu konuda daha fazla araştırma ve geliştirme faaliyetlerinin yapılması ile mümkün olacaktır. Geçtiğimiz 20 yıl içerisinde, fotovoltaik sistemlerdeki talep artışının yıllık 20%-25% civarında olduğu düşünüldüğünde, özellikle sistemin kilit noktası olan fotovoltaik panelleri verimli bir şekilde üretebilmek ve çalıştırabilmek büyük önem arz etmektedir.
Fotovoltaik panel gruplarından en yüksek verimini elde etmek amacıyla maksimum güç noktası takibi (MPPT) konsepti geliştirilmiştir. Bilindiği 🔍 üzere, atmosferik şartların sürekli değişiminden dolayı, güneş panel gruplarının anlık çıkış güçleri değişmektedir. Aynı zamanda, değişken yük yapılarının panel çıkış gücüne etkisi bulunmaktadır. Geliştirilen akıllı kontrol sistemleri ile optimum düzeyde sistem devamlılığı sağlanır.

2. FOTOVOLTAİK PANEL VE KONFİGÜRASYONU
Kurulacak sistemi daha iyi analiz etmek ve benzetim çalışması yapmak adına, sistemin kalbi olan FV hücre yapısına göz atmak gerekir. Lineer ve efektif bir modelleme yapılması için hücre içerisindeki matematiksel tanımlamalar bir dizi işlem algoritmalarıyla tanımlanmıştır. Bu tanımlamalar sayesinde ideal bir FV hücrenin eşdeğer devresi oluşturulmuştur.🔍

Bir FV panel içerisinde bilindiği üzere, yarı-iletken malzemelerden üretildiği bilinen bir panelin, Güneş ışınları altındayken gerilim bağımlı bir akım kaynağı olarak sembolize edilebilmektedir. Böylelikle açığa çıkan panel gerilimi Vpv olarak, akım değeri ise IL olarak ifade edilecektir. Panel gövde yapısı eşdeğer devre üzerinde diyot yardımıyla gösterilmiştir. Fotovoltaik hücrelerin birbirine bağlantısı Rs ve iletken malzemenin direnci Rsh ifadesidir.🔍 Bu ifadelerden faydalanarak oluşturulan eşdeğer devre Şekil 1’de gösterilmiştir [2].
Elektrik devre kuramı ve Kirchoff akımlar kanunu kullanılarak devrenin denklem kuramları kullanılırsa;

🔍

İdeal tek bir hücre düşünüldüğünde, Rs değeri ve Rsh direnç değerleri çok küçük değerler olacağından, bu dirençlerin akım üzerine etkileri tekrar hesaplanacak olursa;

🔍
olarak ifade edildiğinde, k Boltzmann sabiti (k =1.38x10-23 J/K), Tc güneş pili mutlak sıcaklık (K), q ise elektron yükü (q=1.6x10-19 C) olarak kabul edilmektedir.

Bu denklemlerin türevlerinde panel karakteristiklerini belirleyen çok önemli verilere ulaşılabilmektedir. Örneğin, bir fotovoltaik panelin kısa devre akımı Isc sistem tasarımında önemli bir kriter olup, tüm koruma devre tasarımlarında dikkate alınan bir değerdir. Ayrıca fotovoltaik panel açık devre gerilimi Voc değeri yine 2 numaralı denklem yardımıyla hesaplanabilmektedir.🔍

Panel karakteristik denklemleri eksponansiyel değişimleri sergilediğinden, akım-gerilim ve güç-gerilim grafikleri tasarımlarda oldukça faydalı verilerdir.

Ek olarak, atmosferik koşulların (sıcaklık farkları ve ışınım değişimi) fotovoltaik panel üzerinde etkilerini verimli bir şekilde araştırabilmek adına panel karakteristik grafiklerini incelemek gerekmektedir.

Panel maksimum güç noktası analizi yapmak için, güç-gerilim grafiği aşağıda verilmiştir.


Çalışmada kullanılmak üzere seçilmiş panel Sunpower firmasının mono-kristal yapıda SPR-305-WHT-D modeli olup, maksimum güç noktasında gerilim ve akım değerleri sırasıyla; Vmpp=54.7V ve Impp=5.58A olarak verilmiştir. Bu değerlerden yola çıkarak;

   🔍

Tek panel maksimum güç değeri 305.2W civarında olduğu bilindiğine göre, evirici seçimi merkezi tip kullanılmak amacıyla panel dizi sayısı aşağıdaki formül yardımıyla hesaplanmıştır.

🔍

Panel bağlantıları ve yerleşim uygunluğu nedeniyle 12 panel bir dizi oluşturacak şekilde terminasyon yapılması uygun görülmüştür. Çatı tipi yerleşim müsait olduğundan, 136 adet birbirine paralel dizi toplamda;


    🔍

değeri hesaplanmıştır.

Fotovoltaik sistem Kocaeli ilinin Gebze ilçesine kurulması planlandığından, bölgenin yıllık ortalama sıcaklık ve ışınım değerleri çok önemlidir. Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü’nün “Güneş Enerjisi Potansiyel Atlası” verilerinden Gebze ilçesinin yıllık atmosferik verileri alınmıştır [3].

Benzetim çalışmasında kullanılacak veriler Simulink yardımıyla sayısal verilere dönüştürülmüştür.

Sistem altyapısı oluşturulduktan sonra DC-DC çevirici ve evirici benzetim çalışmaları yapılacaktır.

3. DC-DC ÇEVİRİCİ VE MPPT TASARIMI
Sistemin kritik noktalarından biri panel gerilimini şebeke uyumlu alternatif akıma çevirebilmek için düzenlenmesi ve güç kaybı yaşanmaması için güç elektroniği prensiplerinden yararlanmaktır.🔍 Özellikle çevre şartlarının değişiminden oldukça etkilenen fotovoltaik panel gerilimi DC bir yükseltici çevirici devresi ve buna bağlı güç takip sistemleriyle tetiklenme prensibine dayanmaktadır. Yarı iletken teknolojisi kullanılarak yüksek frekansta anahtarlama yapan bir elektronik devresi kullanılarak giriş gerilimi olan fotovoltaik panellerin ürettiği gerilim yükseltilebilmektedir.

Şekil 6’da görüldüğü üzere, temel bir DC yükseltici devresi giriş gerilim kaynağına seri bağlanan indüktör, anahtarlama elemanı (genel olarak IGBT ya da MOSFET yapılı bir devre elemanı), diyot ve kondansatörden oluşmaktadır.🔍

Devre iki tip çalışma durumu göz önüne alındığında, anahtarlama elemanının iletimde ve kesimde olduğu durumlar çıkış gerilimine etki ederek gerilim seviyesini yükseltmektedir.

Uygulama benzetim çalışmasında, bu devre tasarımı yapılarak, giriş-çıkış gerilimleri arasındaki ilişki irdelenmiştir. Böylece DC dönüşüm devre formülleri kullanılarak DC dönüşüm hesaplarını “D” olarak belirtilen çevrim oranı temelli benzetim yapılmıştır.
Temel olarak giriş ve çıkış gerilimi arasındaki oran;

🔍
ve

🔍
Özellikle değişken ışınım değerlerine rağmen, DC gerilim kontrolü ile sistemin dengeli çalışması sağlanmıştır. PWM tekniği ile tetiklenecek olan anahtarlama elemanı için “D” çevrim oranı değeri gayet hızlı ve güvenilir sonuç veren özellikle alternatif akıma çevrilmeden önce hızlı bir adaptasyon aşaması sağlayan bir sistemdir.🔍
Güneş enerji santrallerinde kullanılan ve özel firmalar tarafından imalatı yapılan çoğu merkezi invertör, maksimum DC giriş gerilim değerine sahiptir. Bu değerlere sadık kalmak adına ve güç kaybının engellenmesi için belirli bir DC gerilim seviyesine sistem regüle edilmiştir. Simulasyon çalıştırıldığında aşağıdaki DC çevrim gerilim değerleri ve çevrim oranı sayısal değerleri elde edilmiştir.
Ek olarak aşağıdaki grafikte çevrim oranı değişimi ve bu oranın sayısal değerinin PWM üretici blok şeması ile yaklaşık 5kHz tetikleme frekansı ile üretilmesi verilmiştir.🔍


Maksimum güç noktası takibi, sistem verimliliği ve sürekliliği açısından büyük önem taşımaktadır. Literatürde birçok kontrol tekniği mevcuttur. Bu benzetim çalışmasının içerisinde Hata ve Gözlem “Perturb and Observe” esasına göre çalışan maksimum güç noktası takibi ve regülasyonu kullanılmıştır. Hata ve gözlem kontrolü, isminden de anlaşılacağı üzere fotovoltaik panellerden elde edilen verilerin, ötelenerek gözlemlenmesine dayanmaktadır. Bu öteleme sırasındaki değişim oranlarının pozitif ve negatif olması kontrol edilerek, P-V grafiğindeki maksimum noktanın hangi bölgesinde olduğu takip edilir. Tam olarak maksimum güç noktasına ulaşılamasa da bu noktaya çok yakın değerler arasında salınım yapmaktadır [4].

MPPT algoritması sayesinde elde edilen veriler, matematiksel işlemler benzetimiyle, yükseltici çevirici devresinin çevrim oranına yansıtılarak darbe genişlik modulasyon (PWM) teknikleriyle sisteme girdi olarak tanıtılmıştır.

4. DC-AC DÖNÜŞÜMÜ VE
MODELLENMESİ
Şebeke bağlantı Güneş enerji sistemlerinin en önemli kısımlarından biri, Güneş panel DC çıkış gerilimini AC şebeke gerilimine uyarlandığı aşamadır. Genel olarak uygulama ve tasarım mimarisine göre üç tip evirici uygulaması vardır.🔍
Ortak MPPT ile denetlenen ve büyük üretim kapasitesine sahip sistemler için merkezi tip evirici uygulamalarını çoğunlukla tercih sebebidir. Diğer yandan dizi tip ve çoklu dizi tip uygulamaları da sıkça kullanılmaktadır [5].

Özellikle şebeke etkileşimli evirici tasarımlarında, şebekeye entegrasyon iki farklı şekilde olmaktadır. DC-AC dönüşümün ardından doğrudan dağıtım şebekesine bağlantı gibi ya da çift yönlü sayaçlar yardımıyla tesisin iç ihtiyacında kullanım ile beraber üretilen fakat kullanılmayan fazla enerjinin şebekeye aktarılması mümkündür. Sistemin kurulu gücüne göre bağlantı aşamasında farklılıklar gösterse de bu tip sistemlerin en büyük faydalarından biri depolama ihtiyacı olmadığından akü masraflarının olmamasıdır [6]. Eviricileri şebeke bağlantı aşamasında sağlaması gereken şartların başında uyumluluk esası vardır. Faz kayması, harmonik bozulma gibi güç kalitesini etkileyen olumsuzlukların önüne geçilmesi gerekmektedir. Elektrik dağıtım şirketlerinin bu konudaki regülasyonlarına uyulması gerekmektedir. Bu benzetim çalışmasında, şehir şebeke faz-nötr arası RMS değeri 230V olarak alınmış olup, evirici çıkışlarında bu değerler amaçlanmıştır. Ayrıca, gerilim açısal frekans değer 50 Hertz olarak baz alınmıştır. Ayrıca evirici çıkışından alınan PWM tabanlı sinüsoidal gerilim grafiğindeki harmonik bozulmaları filtrelemek için LC filtre kullanılmıştır. 🔍Şebeke referans gerilim ve akım değerleri baz alınarak benzetim çalışmalarından elde edilen modulation indeks değerleri işleme alınmıştır.

🔍

Benzetim çalışmasındaki PWM tabanlı alternatif akım grafiği ve LC filtre çıkışı şebekeye aktarılan faz-faz arası Vrms 400V AC çıkış değerli grafikler aşağıda verilmiştir.


5. SONUÇLAR VE GELECEK
ÇALIŞMALAR
Bu çalışmada, Kocaeli ilinin Gebze ilçesinde kurulabilecek ve bölgenin coğrafi özellikleri baz alınarak 500kWp kurulu güç kapasitesinde bir Güneş enerjisi tesisisin benzetim çalışması yapılmıştır. Enerji krizinin birçok platformda gündem maddesi olduğu günümüzde, sanayi ve teknolojinin kalbi konumundaki Kocaeli ilinin artan enerji ihtiyacını hafifletmek adına, özellikle bu tesis içerisinde bulunan kontrol sistemlerinin benzetim çalışmasında yer alan paratmetrelerin seçimindeki önem vurgulanmak istenmiştir. Doğru akım karakterisliklerinde fotovoltaik panellerden elde edilen elektrik enerjisinin dönüşümü ve şebekeye aktarılma prensiplerine değinilmiştir.

Gelecek çalışmalar içerisinde, organize sanayi bölgesinde değişken şebekeye paratmetrelerinin detaylı araştırılarak sofistike bir şebeke benzetim çalışmalarının ardından, Güneş enerjisi tesisinin çalışma koşulları değerlendirilebilecektir. Ayrıca farklı maksimum güç noktası takip sistemleriyle verimlilik analizleri yapılması mümkündür.

6. KAYNAKLAR
[1]  Chiemeka I. U ve Chineke T. C, “Evaluating the global solar energy potential at Uturu, Nigeria”, International Journal of Physical Sciences Sayı4, Cilt 3, sayfa 115-119, 2009
[2]  Onat N., Ersöz S., “Fotovoltaik sistemlerde maksimum güç noktası izleyici algoritmalarının karşılaştırılması”, V. Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu, Diyarbakır, Türkiye, 19-20 Haziran, (2009) 50-57
[3]  Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü, Türkiye Güneş Enerji Potansiyel Atlası GEPA, http://www.eie.gov.tr/mycalculator/pages/41.aspx, Ziyaret Tarihi: 21 Ocak 2018
[4]  Peng Lei, Yaoyu Li, John E. Seem, “Sequential ESC-Based Global MPPT Control of Photovoltaic Array with Variable Shading”, IEEE Transactions On Sustainable Energy, Vol. 2, No. 3, July 2011.
[5]  Deshpande S., Bhasme N., “A Review of Topologies of Inverter for Grid Connected PV Systems”, International Conference on Innovations in Power and Advanced Computing Technologies, 2017
[6]  Çalıkoğlu S., Özdemir E., Uçar M., “Şebeke Bağlantılı Fotovoltaik Elektrik Üretim Sistemleri”, UTES 2010, 1-5 Aralık 2010, 121-132, Bursa, (2010).