بخشی از مقاله
چکیده–
پمپ آب خورشیدی یکی از کاربردهای جدید از انرژی خورشیدی به ویژه برای مناطق دور افتاده است. پمپ های خورشیدی دارای مزایایی همچون بکارگیری در مناطق دور از شبکه انتقال برق، کاهش هزینهها با توجه به روند افزایش قیمت برق، عدم استفاده از منابع سوختهای فسیلی، عدم نیاز به متخصص و کارشناسان خبره برای راه اندازی، نیاز به مراقبت و تعمیرات کمتر در قیاس با پمپ های دیزلی بدلیل کم بودن اجزا متحرک، میباشند. پمپ های آب عموما به دو دسته AC و DC تقسیم میشوند. از آنجایی که پانلهای خورشیدی جریان DC تولید می کنند، پمپ هایDC باعث کاهش تجهیزات مورد نیاز و صرفه جویی بیشتر در انرژی میشوند. در این مقاله ساختاری جدید برای سیستم پمپ خورشیدی با استفاده از مبدل dc/dc بهره بالا با استفاده از سلف تزویج ارائه می گردد. این مبدل علاوه بر ایجاد بهره بالا، دارای استرس ولتاژ و جریان پایینی میباشد. همچنین درایو فرکانس متغیر با استفاده از اینورتر شش کلیدی به روش کنترل مستقیم گشتاور استفاده شده است. در لینک dc نیز از باتری برای مدیریت توان استفاده شده است. مبدل dc/dc طوری کنترل می شود که توان ماکزیمم از آرایه ها استحصال شده و به باتری و یا بار انتقال یابد. برای صحتسنجی روش، از شبیه سازی در نرم افزار MATLAB استفاده شده که نتایج صحت عملکرد سیستم را نشان میدهد.
کلید واژه- استحصال بیشینه توان، پمپ خورشیدی، پانلهای خورشیدی، سلف تزویج، مبدلهای dc/dc بهره بالا.
-1 مقدمه
به طور کلی پمپ های خورشیدی پمپ هایی هستند که در آنها انرژی خورشیدی به وسیله پانل های خورشیدی به انرژی الکتریسیته تبدیل میشود و این انرژی در راه اندازی پمپ آبی مورد استفاده قرار میگیرد. به طور کلی این پمپ ها از سه قسمت، پانل های خورشیدی، کنترل کننده، پمپ آب تشکیل شده اند. پمپ های قابل استفاده به دو دسته پمپ های DC و پمپ های AC تقسیم می شوند.[1] از آنجا که پانلهای خورشیدی جریان DC تولید میکند، پمپ های DC باعث کاهش تجهیزات مورد نیاز و صرفه جویی بیشتر در انرژی می شود. اما از آنجا که قدرت این چنین پمپ هایی در مقایسه با پمپ های AC پایین است، در مواردی که توان بالا برای پمپاژ آب مورد نیاز باشد - بیش از 250 وات - ، از موتور AC استفاده می کنند، بنابراین ساختار باید شامل یک تبدیل کننده جریان DC به AC نیز باشد.[2]
از نظر اقتصادی نیز موتور پمپ های AC بسیار ارزانتر از موتور های DC هستند. اما اینورتر DC به AC نسبتا گران قیمت است. بسته به فاکتورهای انرژی - حجم آب مورد نیاز در ارتفاع مورد نظر - پمپ مطلوب انتخاب میشود. اصولاً شرکت های سازنده اینگونه پمپ ها نمودارهایی را ارائه می کنند که مصرف کننده می تواند با توجه به فاکتور انرژی و با توجه به توان تابشی منطقه، میزان توان ماکزیمم مورد نیاز آب پمپ را مشخص کند و به وسیله مشخص شدن این توان ماکزیمم تعداد پانلهای خورشیدی مورد نیاز را برآورد کند.
پانل های خورشیدی دارای مشخصه V-I غیرخطی میباشد و در شرایط آب و هوایی و دمای متفاوت تنها یک نقطه کار وجود دارد که در ماکزیمم توان مدول PV از آن استخراج میشود به این نقطه ماکزیمم توان Maximum Power - MPP - Point گویند. تاکنون روشهای متفاوتی برای یافتن MPP در مقالات ارائه شده است، از جمله روشهای P&Q - انحراف و مشاهده - [3]، رسانایی بحرانی[5-4]، روشهای مبتنی بر شبکه عصبی و منطق فازی[8-6]، ولتاژ مدار باز کسری، جریان اتصال کوتاه کسری، روش RCC اشاره کرد.
وجود یک مبدل DC/DC افزاینده با بهره بالا برای استحصال ماکزیمم توان از ولتاژ پایین dc و تامین ولتاژ مورد نیاز بار/شبکه ضروری به نظر میرسد. در حالت عادی برای مبدل dc/dc از مبدل افزاینده و فلایبک استفاده می شود. اما زمانی که سیستم بدون ترانسفوماتور باشد یا ولتاژ خروجی سلول ها خیلی پایین باشد، نیاز است تا از مبدلی با بهره بالا استفاده شود. زیرا که بدلیل المان های پارازیتی و تلفات، مبدل های مرسوم ذکر شده نمی توانند بهره بالایی ایجاد کنند و یا در صورت ایجاد بهره بالا، در دیوتی سایکل بالایی کار می کنند که سبب تلفات هدایتی بالا و مشکل بازیابی معکوس در دیود ها می شود. همچنین، نسبت تبدیل ترانسفورماتوری بالا سبب افزایش اندوکتانس نشتی و افزایش تلفات اهمی در مبدل فلای بک میگردد.
در سال های اخیر، مبدل های با بهره بالایی ارائه شده است -9] .[11 با وجود بهره بالا، در مبدل های با یک سوئیچ، استرس ولتاژ و جریان زیاد می باشد و تلفات هدایتی زیاد می باشد. مبدل هایی با دو کلید گزینه مناسب تری برای افزایش بهره ولتاژ میباشد.[12] اگرچه بهره ولتاژ در این مبدل ها محدود می گردد ولی توسعه و بهبود این مبدل ها ادامه دارد. مبدل استفاده شده در این مقاله از ساختار دوکلیدی بهره برده است و شامل سلف تزویج با سه سیم پیچ، دو سلول چند برابر کننده ولتاژ است تا بهره بالا تولید کند. ساختار دوکلیدی سبب میگردد که استرس ولتاژ و جریان روی کلیدها کاهش یابد. همچنین، دو خازن چند برابرکننده در طول روشن و خاموش شدن کلیدها به ترتیب شارژ میگردد که سبب افزایش بهره میگردد. همچنین انرژی ذخیره شده در سلف نشتی روی خازنهای کلمپ تخلیه شده و سبب میگردد که دو کلید دارای مقاومت روشن پایینی باشد و استرس پایینی تجربه کند. همچنین این ساختار دارای مشکل جریان بازیابی معکوس نیست و بنابراین بازده سیستم بالاتر میرود.
در این مقاله با استفاده از ساختار dc/dc بهره بالا، توان ماکزیمم پانلها به لینک dc تحویل داده میشود. به لینک DC مشترک باتری نیز وصل است، اتصال یافته و این لینک DC پمپ خورشیدی را از طریق اینورتر و روش کنترلی DTC کنترل خواهد کرد. در ادامه ساختار پیشنهادی معرفی میگردد و حالات کاری آن بررسی میگردد. سپس نتایج شبیه سازی با استفاده از نرم افزار MATLAB/Simulink ارائه خواهد شد و در انتها نتیجه گیری انجام میشود.
-2 معرفی ساختار پیشنهادی
شکل 1مدار قدرت ساختار پیشنهادی را نمایش میدهد. چنانچه ملاحظه میگردد، آرایههای خورشیدی از طریق یک مبدل dc/dc با بهره بالا که در ادامه معرفی میگردد، به اینورتر سه فاز وصل شده است. بدلیل اینکه ولتاژ آرایههای خورشیدی حتی با سری کردن چند سلول هم نمی تواند برای اتصال به موتور استفاده شود، وجود این مبدل ضروری میباشد. ضمن اینکه اثر سایه میتواند سبب کاهش ولتاژ خروجی آرایهها نیز شود. برای استحصال ماکزیمم توان بایستی ولتاژ خروجی مبدل DC/DC تثبیت شود. این امر توسط یک باتری که با مبدل DC/DC دو طرفه افزاینده به لینک DC وصل شده است، صورت میپذیرد. خروجی اینورتر سه فاز به یک موتور پمپ اتصال یافته است. روش کنترل اینورتر کنترل مستقیم گشتاور میباشد. باتری نیز توسط یک شارژر دو جهته باک/بوست به لینک DC اتصال یافته است.
-1-2 معرفی مبدل dc/dc با بهره بالا
مدل شده، تشکیل شده است. این ساختار همچنین دارای دو کلید S1 و S2، پنج دیود و پنج خازن است. کلیدهای S1 و S2 از یک محل سیگنال دریافت میکنند. در [13] مبدلی dc/dc با دو کلید ارائه شده است که دارای سلول های چند برابر کننده ولتاژ می باشد. مزایای این مبدل شامل حذف مشکل استرس بالای ولتاژ، کاهش استرس جریان و افزایش بهره بدلیل حضور سلول های چند برابر کننده ولتاژ میباشد.
انرژی سلف نشتی مربوط به سلف تزویج روی خازن های C1 و C2 تخلیه میشود و در نتیجه اضافه ولتاژ روی کلیدها کاهش مییابد. این سبب میگردد که مقاومت هدایتی کلید کاهش یابد. این موضوع سبب میگردد که بازده سیستم بالا رود و همچنین بهره بالا نتیجه گردد. همچنین، ولتاژ دو سر C3 و C4 از طریق نسبت تبدیل سلف تزویج قابل تنظیم است. در ادامه ضریب تزویج k به صورت Lm/Lm+Lk در نظر گرفته میشود. همچنین نسبت دور N1:N2:N3 به صورت 1:1:N در نظر گرفته میشود. در ادامه تحلیل مبدل DC/DC در حالت کاری پیوسته - - CCM بررسی میگردد. شکل 3 منحنی های خروجی را نمایش میدهد. دیود iD4 آرام آرام کاهش مییابد. بنابراین ولتاژ دیود D3 و ولتاژ VC1 و VC4 کلمپ میگردد. خازن خروجی CO نیز توان مورد نیاز بار را تامین میکند. زمانیکه جریان iD4 به صفر برسد و iLk=iLm گردد، این بازه به اتمام میرسد.
-2-1-2 حالت کاری دوم t1-t2
در طول این بازه کلیدها همچنان روشن هستند. دیودهای D1، D2، D4 و Do بایاس معکوس هستند. دیود D3 بایاس مستقیم است. سلف مغناطیس کنندگی و سلف L2 توسط منبع ورودی شارژ میگردد. قسمتی از انرژی منبع ورودی به سلف L3 انتقال مییابد تا خازن C4 را با منبع ورودی شارژ نماید. خازن خروجی COنیز توان مورد نیاز بار را تامین میکند. با خاموش شدن کلیدها این بازه به اتمام میرسد.
-1-1-2 حالت کاری اول t0-t1
در این بازه، کلیدهای S1 و S2 شروع به هدایت میکنند. دیودهای D1 تا D3 و Do بایاس معکوس هستند. دیود D4 بایاس مستقیم است. سلف نشتی Lk و سلف مغناطیس کنندگی Lm توسط منبع Vin شارژ میشوند. سلف L2 نیز توسط منبع ورودی شارژ میشود. بدلیل جریان نشتی، جریان سلف iL3 و جریان
-3-1-2 حالت کاری سوم t2-t3
در طول این بازه، کلیدها خاموش میباشند. دیودهای D1، D2، D4 و Do بایاس معکوس هستند. انرژی سلف نشتی و مغناطیس کنندگی روی خازن های پارازیتی کلیدها تخلیه میگردد. خازن C4 همچنان در حال شارژ است. خازن خروجی انرژی مورد نیاز بار را تامین میکند. دیودهای D1 و D2 که بایاس معکوس
