بخشی از مقاله
مقاله ترجمه شده مدلسازی دینامیک و تحلیل کارایی یک سیستم فتوولتائیک بر مبنای مبدل منبع جریان وابسته به شبکه
پرانجا پارامیتا داش، و مهرداد کاظرانی
چکیده
توپولوژی مبدل منبع ولتاژ (VSI) بصورت گسترده برای اتصال شبکه سیستم های تولید نیروی توزیع شده (DG) مورد استفاده قرار می گیرد. البته VSI زمانیکه بعنوان یک واحد آماده سازی نیرو در سیستم های فوتو ولتائیک (PV) بکار برده شود، معمولاً نیازمند یک مرحله مبدل الکترونیک قدرت دیگری برای افزایش ولتاژ خواهد بود، و بنابراین به هزینه و پیچیدگی سیستم می افزاید. برای تکثیر سیستم های PV وابسته به شبکه، یک گزینه تجارت موفق، هزینه، کارایی، و عمر متوسط سطح مشترک الکترونیکی نیرو را باید بهبود دهیم. مبدل منبع جریان (CSI) مزایایی نسبت به VSI از لحاظ قابلیت های حفاظت اتصال کوتاه و تقویت داخلی، قابلیت کنترل جریان خروجی مستقیم، و ساختار فیلتر ساده تر طرف ac دارد. تحقیقات در مورد DG بر مبنای CSI هنوز در اوایل توسعه خود است. این مقاله بر روی مدلسازی، کنترل، و کارایی های گذرا و حالت ثابت یک سیستم PV بر مبنای CSI متمرکز شده است، و همچنین ارزیابی کارایی تطبیقی از سیستم های PV بر مبنای CSI و بر مبنای VSI در شرایط گذرا و خرابی را انجام دهد. پیش بینی های تحلیلی با استفاده از شبیه سازی ها در طرح حمایتی کامپیوتر سیستم نیرو/گذرای الکترومغناطیسی از جمله محیط DC(PSCAD/EMTDC) بر اساس یک مدل سیستم کامل تأیید می گردد.
کلمات کلیدی: کنترل، مبدل منبع جریان (CSI)، خرابی، مدلسازی، فوتو ولتائیک (PV)، رفتار گذرا
علائم و اختصارات
مبدل منبع جریان (CSI) ولتاژ پایانی طرف ac
ولتاژ در نقطه جفتگیری معمول (PCC)، ولتاژ در طرف دوم ترانسورماتور
ولتاژ باس ایستگاه (شبکه)
ولتاژ طرف DC از CSI
ولتاژ آرایه فوتو ولتائیک (PV)
جریان آرایه PV
جریان ارتباط DC از CSI
جریان انتهایی طرف ac از CSI
جریان خازن فیلتر
جریان وارد شده به داخل شبکه
نیروی آرایه PV
توان واقعی داده شده توسط سیستم PV به شبکه
توان راکتیو توسط سیستم PV نسبت به شبکه
نسبت دورهای مبدل واسطه
ظرفیت فیلتر
مقاومت خط توزیع
القاگری خط توزیع
سرعت زوایه قالب dq
فرکانس زوایه ای نامی شبکه (برای مثال 377 rad/s برای 60 هرتز)
زاویه مرجع قالب dq
سطح آفتاب زدگی/پرتو افکنی
بخش واقعی {}
بخش تجسمی {}
زیرنویس بیانگر مؤلفه محور d
زیرنویس بیانگر مؤلفه محور q
نماد بیانگر کمیت فضا-فازور
نماد بیانگر مقدار اوج یک متغیر سه مرحله ای
بالانویس بیانگر جابجایی ماتریس
فرکانس پیچیده،
1- مقدمه
در سالهای اخیر، بعلت نگرانی در مورد اثرات معکوس استفاده از سوخت های فسیلی بر روی محیط و امنیت انرژی، توجه زیادی به سیستم های فتو ولتائیم (PV) شده است. علیرغم این توجه زیاد، هنوز هم طرح های تولید قدرت بر مبنای نفت، گاز طبیعی، زغال سنگ، انرژی اتمی، نیروی هیدرولیک و باد، از تعداد طرح های سیستم های PV وابسته به شبکه بیشتر هستند. تاکنون سیستم های PV با توان دهها مگاوات عمدتاً در سطح توزیع اولیه، نصب و به شبکه متصل شده اند. نصب سیستم های PV در سطح توزیع ثانویه تحت حاکمیت واحدهای بالایی با توان چند کیلووات و بدون هیچ تأثیر مهمی بر روی سیستم های قدرت موجود هستند. با توجه رو به رشد به انرژی خورشیدی و اتخاذ سیاست های ملی برای انرژی سبز، افزایش مهمی در تعداد دستگاه های PV با اندازه بزرگ، و با تأثیر مهم بر روی شبکه قدرت موجود مشاهده شده است. دو مؤلفه اصلی یک سیستم PV با پتانسیل برای بهبود، مدول های PV ومبدل های الکترونیک قدرت هستند. مدول های PV به هزینه کلی سی
ستم های PV کمک زیادی میکنند. خوشبختانه، بعلت افزایش زیاد در تولید مدول های PV در قسمت های مختلف جهان، تمایل رو به کاهشی در قیمت هر وات مدول PV مشاهده می گردد. خصوصاً در سال 1992، قیمت یک مدول PVحدود 4.4 تا 7.9 دلار آمریکا برای هر وات بود. قیمت کنونی آن در بازار بین 2.6 تا 3.5 دلار آمریکا برای هر وات است. تکنیک حاضر در مبدل های PV عمدتاً بر مبنای توپولوژی مبدل منبع ولتاژ (VSI) است که معمولاً نیازمند مرحله دیگری از تبدیل الکترونیک قدرت برای بالا بردن ولتاژ مدول های PV برای مبدل های PV بزرگ-مقیاس است. کاهش هزینه و افزایش قدرت و کارایی شبکه الکترونیک قدرت را می توان توسط تکثیر سیستم های PV در سیستم های قدرت بهتر ساخت.
مبدل منبع جریان (CSI) پتانسیل تبدیل شدن به یک توپولوژی ترجیحی برای مرتبط سازی یک سیستم PV به شبکه قدرت متناوب را به این دلایل دارد: 1) CSI جریان طرف مستقیم و همواری را فراهم می سازد، که یک ویژگی مطلوب برای مدول های PV است. 2) عنصر ذخیره سازی انرژی CSI دارای طول عمر بلندتری نسبت به VSI است. 3) CSI دارای قابلیت تقویت ولتاژ درونی است، که امکان یکپارچه سازی پانل های PV ولتاژ های خروجی پایین تر را برای آن فراهم می سازد و شرایط مورد نیاز انتقال دهنده سطح مشترک را کاهش میدهد. 4) با تکامل سویچ های IGBT انسدارد معکوس (RB)، سری دیودها حذف خواهند شد که منجر به کاهش قابل ملاحظه ای در هزینه و تلفات رسانایی خواهد
شد. 5) پیشرفت های اخیر در تکنولوژی ابررسانایی، که منجر به توسعه سیستم های ذخیره انرژی مغناطیسی ابررسانا (SMES) گشته است، میتواند تا حد زیادی تلفات در عنصر ذخیره انرژی CSI را کاهش دهد.
یک بررسی در مورد کاربرد CSI در سیستم PV ، یک تلاش مداوم برای مزیت بردن از نقاط قوت این توپولوژی را نشان میدهد درحالیکه نقاط ضعف آنرا شناسایی می کن
د و تلاش میکند تا آنها را اصلاح کند. ارزیابی کارایی یک منبع PV با سطح مشترک با CSI و سطح ولتاژ متناوب کاهش یافته شبکه ای در منبع شماره 3 انجام شده است. CSI بکار برده شده در این مطالعه از RB-IGBT تشکیل شده است. منبع 3 بر روی قابلیت حرکت خرابی ولتاژ-پایین تمرکز کرده است اما در این مورد توضیحی نداده است که CSI چطور رفتار خواهد کرد، وقتی که شبکه قطع می شود. مشخص است که استفاده از یک راکتور طرف مستقیم کوچک، چطور منجر به افزایش در محتوای هارمونیک جریان طرف متناوب CSI می گردد. البته یک راکتور طرف مستقیم از دیدگاه اندازه و هزینه قابل قبول نیست. برای غلبه بر این مسئله، یک استراتژی کنترل جدید با هدف کاهش محتوای هارمونیک در جریان خروجی یک سیستم PV بر مبنای CSI کاربرد-تعاملی مرحله-منفرد PWM در منبع شماره 4 پیشنهاد شده است. روش پیشنهاد شده در منبع 4 هارمونیک رده پایین را بدون هیچ کنترل بازخوردی حذف می کند. البته، نتایج بیان شده برای یک سیستم PV با قدرت خیلی کم بدست آمده اند. هیچ مدرکی ارائه نشده است که ثابت کند که طرح پیشنهادی برای کاربردهای قدرت-بالا نیز سودمند خواهد بود.
توپولوژی CSI دارای مشکل ثبات داخلی است که بخاطر رزونانس بین توان فیلتر طرف متناوب و القاگری شبکه پیش آمده است. در منبع شماره 5 این نوسانات با تولید یک جریان خفیدگی از ولتاژ خازن فیلتر کاهش پیدا میکنند. منبع 5 الگوریتم کنترل شارژ حلقه بسته ای را در قالب منبع چرخشی همزمان برای متوقف کردن فرکانس طبیعی نوسانات ایجاد شده توسط فیلتر ارائه میدهد. توپولوژی CSI اتخاذ شده در منبع 5 بر مبنای تیراستور تبدیل خطی جریان متناوب به مستقیم است. روش ساده ای برای متوقف سازی نوسانات رزونانس در یک مبدل منبع جریان PWM در منبع 6 بیان شده است. این روش بر مبنای کنترل پالس است و جریان همنوایی ایجاد شده توسط فیلتر پایین گذر طرف متناوب متوقف می کند. مزیت ای
ن روش اینست که به حلقه بازخورد اضافی برای متوقف سازی نوسانات نیاز ندارد. البته سیستم بکار برده شده در منبع 6 با هیچکدام از منابع انرژی تجدیدپذیر ترکیب نشده است.
عملکرد یک CSI متصل به شبکه مرحله منفرد در منبع 7 بررسی شده است. در منبع 7 یک CSI با یک مبدل تقویت ترکیب شده است که بصورت یک شکل دهنده موج عمل میکند. البته عملکرد دینامیک مبدل PV در واکنش به تغییرات در سطح قراردهی در معرض نور آفتاب و نه رفتار سیستم PV در حین شرایط خرابی در منبع 7 آمده است. منبع 8 عملکرد یک سیستم PV متصل به شبکه غیرقابل انتقال سه مرحله ای را بر مبنای CSI با یک سیستم مسیریابی حداکثر نقطه قدرت (MPPT) و طرح کنترل PWM ارزیابی میکند. MPPT پیشنهاد شده
در منبع 8 حداکثر قدرت را توسط تنظیم کردن ضریب مدوله سازی ردیابی می کند. یک برگشت اصلی روش کنترل پیشنهاد شده در منبع 8 اینست که به مبدل PV اجازه نمی دهد که در حالت standalone عمل کند. در بعضی از موارد، که مجزا سازی مورد نیاز است، حالت standalone عملیات یک مبدل PV یک شرط لازم است.
از دیدگاه بحث های بالای و برای کمک کیفیتی در زمینه سیستم های شرطی سازی قدرت برای سیستم های PV، این مقاله تحلیل، مدلسازی، و طراحی یک سیستم PV متصل به شبکه سه مرحله ای بر مبنای توپولوژی CSI را معرفی می کند، که یک تکنولوژی اثبات شده در صنعت حرکتی متناوب است، اما برای کاربرد های مشترک نیروی توزیع شده (DG) بطور کامل بررسی نشده است. بعد از مقدمه، ابتدا ساختار یک سیستم PV متصا به شبکه سه مرحله ای بر روی CSI معرفی می گردد. سپس مدلسازی و طرح کنترل گر سیستم PV بیان می گردد. سپس ارزیابی عملکرد تطبیقی از سیستم های CSI-مبنا و VSI-مبنا انجام می شود. و در آخر نتیجه گیری ها بیان می شوند.
2- ساختار سیستم PV
شکل 1 نمودار یک خطه سیستم PV متصل به شبکه، یک مرحله ای، و سه مرحله ای پیشنهاد شده را با CSI بعنوان واحد آماده سازی قدرت نشان میدهد. آرایه PV یک ترکیب موازی از مدول PV است، درحالیکه هر مدول PV یک سری ترکیب از سلول PV است. القاگر طرف مستقیم موج های جریان طرف مستقیم را فیلترسازی میکند و اجازه کنترل را به آن میدهد. طرف متناوب مبدل از طریق یک فیلتر خازنی تشکیل شده از سه خازن متصل به Y با طرف اصلی مبدل هم کنش می گردد. کار اینست که هارمونیک های تعویضی را جذب کند و جریان سینوسی خالصی در سطح مشترک شبکه تولید کند. بریکر یک جزء لاینفک از سیستم PV است و توسط مجزا سازی آن از سیستم PV محافظت میکند، زمانیکه خرابی در طرف ثانویه مبدل وجود دارد. طرف اولیه مبدل متصل به دلتا است درحالیکه طرف ثانویه آن با یک نقطه بی اثر بنا شده بصورت استوار متصل به استار است. مقاومت و القاگری خط توزیع بترتیب توسط و نشان داده می شود. و نیز برتیب نشاندهنده قدرت های فعال و راکتیو فراهم شده توسط سیستم PV برای سیستم توزیع هستند. بریکر قسمتی از سیستم محافظتی نصب شده توسط کاربرد است.
ساختار کنترل پیشنهاد شده برای سیستم PV، CSI-مبنا از یک حلقه کنترل جاری تشکیل شده است که برای کنترل جریان طرف مستقیم و یک حلقه کنترل جریان داخلی برای کنترل جریان طراحی شده است که به داخل شبکه وارد می گردد. از یک ردیاب نقطه قدرت حداکثر (MPPT) برای اطمینان از این مسئله استفاده می شود که آرایه PV با حداکثر قدرت خود عمل میکند.
3- خصوصیات آرایه PV در زیر توصیف شده است:
در معادله 1، q واحد شارژ، k ثابت بولتمن، A ضریب ایده آل نقطه اتصال p-n ، و دمای سلول است. جریان یک جریان اشباع معکوس سلول است، که همراه با دما بصورت زیر تغییر می کند
در معادله 2، دمای مرجع سلول، جریان اشباع معکوس در ، و انرژی فاصله-باند سلول است. جریان PV به سطح جداسای و دمای مطابق بصورت زیر بستگی دارد
در معادله 3، جریان مدار کوتاه سلول در تابش و دمای مرجع، ضریب دما، و S سطح جداسازی بر حسب است. قدرت ایجاد شده توسط آرایه PV توسط ضرب کردن هر دو طرف معادله 1 در محاسبه می گردد
با جایگزین سازی از معادله 3 در معادله 4، بصورت زیر در می آید
بر اساس معادله 5، مشخص است که قدرت ایجاد شده توسط آرایه PV تابعی از سطح جداسازی S در هرگونه دمای معین است. چون مبدل استفاده شده در سیستم PV در این مقاله از نوع منبع جریان است، خصوصیت قدرت در مقابل جریان آرایه PV باید بررسی گردد. شکل 2 خصوصیات قدرت در مقابل جریان را بر مبنای پارامترهای لیست بندی شده در ضمیمه برای سطوح جداسازی 0.25، 0.5 و نشان میدهد. شکل 2 نشان میدهد که بر اساس استراتژی منبع 9، را می توان با کنترل به حداکثر رساند.
4- دینامیک سیستم PVCSI-مبنا
یک مدل محاسباتی برای تحلیل سیستم و طراحی کنترل گر ضروری است. در این بخش، سیستم شکل 1 به شکل های قالب dq و فازور-فضا مدلسازی می گردد.
A- نمایش فازور-فضا برای CSI
CSI در شکل 1 یک مبدل شش-پالسی است که از تعویض های IGBT استفاده میکند، بر اساس استراتژی مدولاسیون عرض پالس سینوسی (SPWM) عمل میکند. جریان خروحی مربوط به جریان طرف مستقیم بصورت زیر است:
که و فازورهای فضایی مطابق با جریان های خروجی زز و سیگنال های مدول سازی PWM هستند. همچنین، ولتاژ طرف مستقیم با فازور فضای ولتاژ طرف متناوبCSI بصورت زیر مرتبط می باشد
که T نشاندهنده جابجا سازی است. با فرض اینکه تلفات تعویضی مبدل نادیده گرفته شود، قدرت طرف مستقیم مبدل برابر با قدرت ایجاد شده بر روی طرف متناوب است. با اصول تعادل قدرت می توانیم بنویسیم
که * نشاندهنده پخشگر ترکیبی-پیچیده است.
B- نمایش قالب DQ سیستم PV
برای ساده سازی تحلیل و طرح کنترل گر، متغیرهای فازور-فضا از مدل سیستمی بر یک چرخش همزمان قالب dq نمایش داده می شوند، که متغیرها
در مقادیر تغییر ناپذیر زمانی و حالت ثابت هستند. روابط بین فازور-فضا و متغیرهای قالب dq بصورت زیر بیان می گردد
که نشاندهنده یک متغیر فازور فضا، و و مؤلفه های معادل با قالب dq و زاویه مرجع قالب dq است. یک رابطه مفید دیگر بین مشتق های فازور فضا و متغیرهای قالب dq بصورت زیر تعریف می گردد:
که w سرعت زاویه ای قالب dq است که با بصورت زیر مرتبط می باشد
بر اساس معادله 9، در معادله 8 را می توان بصورت زیر بیان کرد
که می توان آنرا بصورت زیر ساده سازی کرد
دینامیک طرف مستقیم را می توان بصورت زیر توصیف کرد
ضرب کردن هر دو طرف معادله 14 در جریان منجر به ایجاد رابطه قدرت زیر می گردد:
دو گزینه طرف راست از معادله 15 بترتیب نشاندهنده قدرت ایجاد شده توسط آرایه PV ، و قدرت دریافت شده توسط مبدل طرف مستقیم هستند. بنابراین می توانیم معادله تعادل قدرت را بصورت زیر بیان کنیم
با جایگزین سازی عبارت برای از معادله 13 در معادله 16، می توانیم بدست آوریم
5- کنترل گر برای سیستم PV، CSI-مبنا
پیش بینی می شود که کنترل گر یک سیستم PV، CSI-مبنا، جریان های طرف مستقیم و متناوب را کنترل کند تا از این موارد اطمینان حاصل گردد: 1) یک جریان سینوسی کیفیت-بالا به شبکه وارد می گردد، 2) توان واقعی وارد شده به شبکه برابر با حداکثر توانی است که می توان از پانل PV در همه شرایط استخراج کرد؛ و 3) مقدار مطلوبی برای توان راکتیو در سطح مشترک با شبکه فرض می شود. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، مدولاسیون عرض پالس (PWM) و کنترل CSI از طریق یک حلقه مرجله بسته (PLL) باید با ولتاژ شبکه همزمان سازی گردد. شکل 1 همچنین نشان میدهد که خطاهای بین دستورات مرجع و و مؤلفه های محور d و محور q از جریان طرف متناوب توسط کنترل گر های PI برای ایجاد سیگنال های مدولاسیون و پردازش می گردند. حتی با اینکه کنترل گر PI دارای ساختار ساده ای است و به آسانی قابل اجرا است، با اینحال تنظیم مناسب پارامترهای آن نیازمند آگاهی کافی است. یک روش ادراکی برای تنظیم پارامترهای کنترل گر PI در این بخش پیشنهاد شده است.
A- حلقه مرحله بسته (PLL)
همانطور که قبلاً نیز گفته شد، متغیرهای متناوب سیستم بر روی یک قالب dq وارد می گردند که در سرعت زاویه ای w می چرخد. در حالت ی
کنواخت و ثابت، متغیرهای متناوب توابع سینوسی فرکانس شبکه هستند. اگر سرعت زاویه قالب dq برای فرکانس شبکه تنظیم گردد، مقادیر انتقال داده شده، در حالت ثابت متغیر-زمانی خواهند بود، و طرح کنترل گر را ساده تر می سازند. اینکار توسط یک PLL انجام می شود که نمودار بلوک آن در شکل 3 نشان داده شده است. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، ورودی برای بلوک PLL ، ولتاژ متغیر سینوسی و خروجی آن زاویه انتقالات و است. ولتاژ بر اساس معادله 9 به مؤلفه های محور d و q تجزیه می گردد. در شکل 3، ولتاژ با استفاده از کنترل گر PI، به اندازه صفر تنظیم می شود. تنظیم مؤلفه محور q به اندازه صفر، توان های اکتیو و راکتیو و را از ولتاژ مستقل می سازد. از معادله 13
بنابراین با متناسب سازی و کنترل می گردد. همچنین، عبارت قالب dq برای توان راکتیو شکل زیر را می گیرد
معادله 19 نشان میدهد که را می توان توسط کنترل کرد.
B- طرح حلقه کنترل جریان ورودی
معادلات 18 و 19 نشان میدهند که توان های اکتیو و راکتیو ایجاد شده توسط CSI را می توان بترتیب با کنترل و تنظیم کرد. شکل 4 نمودار
بلوک را برای کنترل گر جریان طرف متناوبCSI نشان میدهد. ساختارهای کنترل گر و در شکل 4 بصورت زیر بیان می گردند
که و بترتیب بهره های تناسبی و انتگرال هستند. سیگنال های کنترل و بصورت زیر بدست می آیند
که و بترتیب منابع جریان بدست آمده از خروجی های جبران گرهای و هستند. مؤلفه محور d جریان خروجی مبدل با جریان بصورت زیر مرتبط است
که مؤلفه محور d از جریان خازن فیلتر است. باید بیان کنیم که با طرح فیلتر مناسب، مؤلفه اساسی فرکانس جریان خازن خیلی کوچک خواهد بود، یعنی اینکه در مقایسه با قابل نادیده گرفتن خواهد بود. همین بحث را میتوان برای مؤلفه های محور q نیز بیان کرد. بنابراین میتوانیم بنویسیم
بر اساس این فرضیه که است، تابع انتقال زیر را میتوان برای سیستم کنترل حلقه بسته نوشت که در شکل 4 نشان داده شده است
وقتی که مقدار افزایش می یابد، قطب تابع انتقال در معادله 24 به منشأ صفحه s نزدیک می شود، که مطلوب نیست. بنابراین برای تقلید رفتار گذرای یک سیستم رده اول، را باید کوچک انتخاب کنیم. بعنوان معکوس ثابت زمانی در دامنه انتخاب می گردد تا یک واکنش سریع و دقیق بدست آید. بنابراین و را میتوان بصورت زیر نوشت
با جانشین سازی مقادیر و در معادله 24، تابع انتقال بصورت زیر در می آید
C- طرح حلقه کنترل جریان خروجی
معادله 17 پس از جانشین سازی سیستمی را با بعنوان ورودی، بعنوان خروجی و بعنوان ورودی اختلال نشان میدهد. اگر ثابت زمانی و جبران گر PI کنترل گر جریان بدرستی انتخاب گردند، را می توان بصورت اندازه تقریبی انتخاب کرد. بنابراین معادله 17 را میتوانیم بصورت زیر بنویسیم
کنترل گر جریان ارتباط مستقیم طراحی شده بر اساس معادله 27 در شکل 5 نشان داده شده است. مطابق معادله 27، این حقیقت که محصولی از و است سیستم را بصورت غیرخطی در می آورد. برای کاهش تأثیر غیرخطی بودن، را میتوانیم بصورت زیر استخراج کنیم
که یک ورودی کنترل جدید است که در شکل 5 نشان داده شده است و یک سیگنال پیش نگر است که می توان آنرا در هنگامی که تقویت کننده ولتسنج باینری مقدار واحد یا صفر می گیرد، فعال یا غیرفعال کرد. با جانشین سازی از معادله 28 در معادله 27، بدست می آوریم:
معادله 29 نشان میدهد که اگر باشد، تأثیر غیرخطی بودن آرایه PV بر روی کنترل جریان طرف مستقیم حذف می گردد و واحد کنترل مؤثر به یک ادغام کننده تبدیل می شود.
6- ارزیابی کارایی تطبیقی سیستم PV ، CSI-مبنا با سیستم PV ، VSI-مبنا
هدف این بخش اینست که کارایی سیستم PV ، CSI-مبنا را در مقایسه با سیستم PV، VSI-مبنا ارزیابی کند. نتایج سیستم PV، VSI-مبنا توسط شبیه سازی سیستم معرفی شده در معادله 11 ایجاد می گردند.
A- مطالعه موردی 1: تغییر در سطح تابشگری
در این مطالعه موردی، رفتار سیستم های PV ، CSI-مبنا و VSI-مبنا در واکنش به تغییر در سطح جداسازی بیان می گردد. چون VSI و CSI توپولوژی های دوگانه هستند، خصوصیات ولتاژ در CSI شبیه خصوصیات جریان در VSI است و بالعکس. در ابتدا سطح جداسازی در به اندازه و سطح جداسازی متغیر-مرحله ای به اندازه تعیین می گردد، همانطور که در شکل 6(a)
نشان داده شده است. با تغییر در سطح جداسازی، منبع جریان طرف مستقیمCSI توسط مسیریاب MPPT از 0.7 به تغییر داده می شود. منبع جدید توسط حلقه کنترل جریان خروجی یا کنترل گر جریان طرف مستقیم مسیریابی می گردد، همانطور که در شکل 6(b) نشان داده شده است. چون جریان خروجی از لحاظ خطی با جریان طرف مستقیم مرتبط است، میتوان آنرا مانند شکل 6(c) تغییر داد. جریان منبع طرف متناوب از حلقه کنترل جریان طرف مستقیم بدست می آید. چون افزایش در جریان طرف مستقیم وجود دارد، منبع جریان محور d ، و همچنین جریان افزایش می یابد، همانطور که در شکل 7(a) نشان داده شده است. با افزایش در ، جریان بر روی طرف ثانویه مبدل نیز افزایش می یابد. کاربردپذیری حکم میکند که جریان وارد شده توسط مبدل باید با ولتاژ در PCC در یک مرحله باشد. این در شکل 7(b) نشان داده شده است. شکل های و کارایی یک سیستم PV، VSI-مبنا را در واکنش به تغییر مرحله ای یکسان در سطح جداسازی نشان میدهند . یک تغییر در سطح ولتاژ طرف مستقیم از VSI بعنوان نتیجه تغییر در سطح جداسازی مشابه با جریان طرف مستقیمCSI را می
توان در شکل 6(e) مشاهده کرد. ولتاژ خروجی طرف متناوبVSI که در شکل 6(f) نشان داده شده است، یک کمیت دو-سطحی است درحالیکه جریان خروجی طرف متناوبCSI یک کمیت سه-سطحی است. شکل 7(c) ولتاژ خروجی فیلترشده VSI را نشان میدهد. ضریب قدرت واحد ثابت شده توسط سیستم PV ، CSI-مبنا در PCC در شکل 7(d) نشان داده شده است. از روی این مطالعه موردی، می توان استنباط کرد که کارایی سیستم PV ، CSI-مبنا کاملاً رضایتبخش است و حتی بهتر از کارایی سیستم PV ، VSI-مبنا بعلت جریان خروجی سه-سطحی، طرح فیلتر طرف متناوب ساده تر و کنترل مستقیم جریان وارد شده است.
B- مطالعه موردی 2: شرایط خرابی
خرابی بر روی مبدل جانبی شبکه منجر به نوسانات جریان و ولتاژ بر روی مبدل طرف مستقیم می گردد. نوسانات در جریان طرف مستقیم مطلوب نخواهند بود وقتی که مبدل نیازمند یک جریان مستقیم ورودی هموار باشد. در مورد سیستم PV ، VSI-مبنا، کنترل گر ولتاژ طرف مستقیم را تنظیم می کند؛ بنابرای هیچ کنترل مستقیمی بر روی جریان طرف مستقیم وجود ندارد. برعکس، در سیستم PV ، CSI-مبنا، جریان طرف مستقیم تنظیم و محدود می گردد. در نتیجه، جریان روی طرف متناوب مبدل ممکن است افزایش زیادی را در حین خرابی نشان ندهد. این مطالعه موردی برای معرفی یک تحلیل تطبیقی از رفتارها در حین خرابی برای سیستم های PV ، CSI-مبنا و VSI-مبنا طراحی شده است. برای این مطالعه، سطح جداسازی در نگه داشته می شود. در زندگی واقعی، وقتی که خرابی بر روی طرف شبکه رخ میدهد، و بریکر باز می شود، طرح ضد-مجزاسازی باید اجرا گردد تا از مبدل و پرسنل محافظت شود. چون هدف این مطالعه موردی اینست که تأثیر تغییر در سطح ولتاژ طرف متناوب را بر روی کارایی سیستم PV نشان دهد، محافظت ضد-مجزاسازی غیرفعال می گردد. چهار نوع خراب
ی یعنی خرابی خط به زمین منفرد(SLG) ، خط به زمین دوتایی(DLG) ، خط به خط(LL) ، و سه مرحله ای به زمین(TPG) ، مورد مطالعه قرار می گیرند.
در زمان ، یک خرابی SLG بر روی طرف ثانویه مبدل اعمال می گردد. بعلت خرابی، ولتاژ تا صفر پایین می آید ، همانطور که در شکل 8(a) نیز نشان داده شده است. کاربرد خرابی بر روی
طرف متناوب منجر به نوساناتی در جریان طرف مستقیم CSI گشته است، که در شکل 8(b) نشان داده شده است. البته به محض اینکه خرابی برطرف می گردد نوسانات کاهش
می یابند، و کنترل گر جریان طرف مستقیم، جریان منبع را در کمتر از 20 میلی ثانیه مسیریابی میکند. بعلت این اختلال، جریان خروجی متناوب متحمل مدولاسیون می گردد، همانطور که در شکل 8(c) نشان داده شده است. مدولاسیون زیاد منجر به هارمونیک رده پایین می گردد و جریان وارد شده به داخل شبکه دیگر سینوسی نخواهد بود، همانطور که در شکل 8(d) نشان داده شده است. این مطالعه موردی بوضوح محافظت جریان اضافی درونی ساخته شده در CSI را نشان میدهد که جریان ها را در هر دو طرف متناوب و مستقیم محدود می سازد. واکنش های مشابهی نیز برای خرابی های DLG، LL، و TPG مشاهده شده اند، همانطور که بترتیب در شکل های ، و نشان داده شده است. در همه انواع خرابی ها، حجم جریان سینوسی وارد شده به داخل شبکه محدود می باشد. دلیل نفوذ هارمونیک رده پایین در شبکه در حین خرابی در حضور فیلتر اینست که خازن برای فیلتر سازی هارمونیک تعویضی طراحی شده است، نه برای هارمونیک های رده پایین. طیف های هارمونیک جریان خروجی و جریان وارد شده به داخل شبکه در هنگام خرابی SLG و قبل از آن در شکل های 10، و نشان داده شده است. مشخص است که قبل از خرابی هیچ هارمونیک رده پایین اصلی وجود ندارد و هارمونیک تعویضی در جریان فیلتر سازی می شود. شکل 10(c) طیف هارمونیک جریان را در حین خرابی نشان میدهد. طیف هارمونیک جریان در حین خرابی بیان شده توسط شکل نشان میدهد که خازن قادر نیست که هارمونیک رده پایین را فیلترسازی کند.
شکل 11 کارایی سیستم های PV ، CSI-مبنا و VSI-مبنا را در حین یک خرابی SLG نشان میدهد. همانطور که قبلاً نیز گفته شد، در سیستم PV ، VSI-مبنا کنترل گر بر روی طرف متناوب برای کنترل ولتاژ طرف مستقیم مورد استفاده قرار می گیرد، درحالیکه در سیستم PV ، CSI-مبنا کار کنترل گر اینست که جریان طرف مستقیم را کنترل کند. از روی شکل میتوان مشاهده کرد که دامنه تغییرات در جریان طرف مستقیم CSI درحین خرابی بعلت نقش تنظیم کننده کنترل گر جریان طرف مستقیم، تا حد زیادی محدود می باشد. برعکس، شکل نشان میدهد که جریان طرف مستقیم VSI اجازه دارد که در دامنه وسیعی تغییر کند. شکل نیز نشان میدهد که دامنه جریان طرف متناوب CSI در حین خرابی محدود می باشد، درحالیه جریان طرف متناوب VSI افزایش شدیدی را در هنگام حضور یک محدودکننده جریان نشان میدهد، که در شکل نیز نشان داده شده است.
7- نتیجه گیری
این مقاله یک مدل دینامیک و ساختار کنترل را برای یک سیستم PV متصل به شبکه سه مرحله ای بر مبنای CSI معرفی می کند. ساختار کنترل از دو حلقه کنترل جریان تشکیل شده است. یک MPPT منبعی را برای حلقه کنترل جریان طرف مستقیم فراهم می سازد. حلقه کنترل جریان داخلی برای کنترل جریانی طراحی می گردد که به داخل شبکه وارد می گردد. با استفاده از دو مطالعه موردی، یعنی تغییر مرحله ای در سطح جداسازی و خرابی طرف شبکه، ارزیابی کارایی تطبیقی از سیستم های PV ، CSI-مبنا و VSI-مبنا انجام شد. مطالعات خرابی شامل خرابی های یک مرحله ای به زمین، دو مرحله ای به زمین، خط به خط، و سه مرحله ای به زمین بود. از طریق مطالعات شبیه سازی، نشان داده شد که سیستم PV ، CSI-مبنا با کنترل گر طراحی شده، قادر بود که (بر خلاف یک سیستم PV ، VSI-مبنا) همه شرایط مورد نیاز یک شبکه سیستم PV را صرفنظر از شدت خرابی فراهم سازد و همچنین جریان طرف مستقیم را محدود سازد.
