بخشی از مقاله
چکیده
در سال های اخیر به دلیل آلایندگی نیروگاه ها با سوخت فسیلی و افزایش هزینه های تولید توسط این نیروگاه ها، استفاده از انرژی ها با منابع تجدیدپذیر مانند انرژی باد و انرژی خورشیدی گسترش چشمگیری داشته است. سیستم های فتوولتائیک به عنوان یکی از پاک ترین و ارزان ترین سیستم های تولید برق، سهم عمده ای در این صنعت را به خود اختصاص داده است. یکی از مسائل مهم در استفاده از سیستم های فتوولتائیک، ردیابی نقطه حداکثر توان است. با توجه به تغییرات لحظه ای شدت آفتاب و دمای محیط، نیاز به روشی است که در سریع ترین سیکل کاری کانورتر DC/DC را تصحیح کند و سیستم را در نقطه حداکثر توان قرار دهد. در این مطالعه یک روش ساده و مقاوم جهت ردیابی نقطه حداکثر توان سیستم های فتوولتائیک ارائه شده است.
در این روش، استفاده از الگوریتم بهینه سازی مورچگان جهت تعیین سیکل کاری کانورتر DC/DC و در نتیجه ردیابی نقطه حداکثر توان پیشنهاد شده است. الگوریتم بهینه سازی مورچگان یکی از پرکاربردترین الگوریتم های بهینه سازی اکتشافی است که توانایی بالایی در حل مسائل غیرخطی دارد و درعین حال از سرعت همگرایی بسیار خوبی برخوردار است. به منظور ارزیابی روش پیشنهادی از مدل یک نیروگاه خورشیدی تحت سایه جزئی استفاده شد و نتایج مطالعات عددی نشان داد که روش پیشنهادی عملکرد بسیار خوبی در ردیابی نقطه حداکثر توان در سیستم های فتوولتاییک تحت سایه جزئی دارد.
کلمات کلیدی: ردیابی نقطه حداکثر توان، سیستم های فتوولتاییک، الگوریتم بهینه سازی مورچگان ، سیکل کاری، کانورتر .DC/DC
مقدمه
با توجه به مزایای فراوان انرژی ها تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی، در سال های اخیر استفاده از این نوع انرژی کاربرد و گسترش چشمگیری داشته است. استفاده از این انرژی ها در کنار داشتن مزایای فراوان، دارای چالش هایی نیز می باشند که می توان به نوسان توان تولیدی، نوسان فرکانس و عدم قطعیت های موجود در تولید اشاره کرد. .[1, 2] سیستم های فتوولتائیک به عنوان یکی از ارزان ترین و پاک ترین روش های تولید انرژی الکتریکی سهم عمده ای در مطالعات انجام گرفته به خود اختصاص داده است. با توجه به اینکه بازده سیستم های فتوولتائیک تقریبا پایین است، ردیابی حداکثر توان در این سیستم ها مهم ترین مسئله در رابطه با این سیستم ها است. در سال های اخیر روش های مختلفی جهت ردیابی حداکثر توان در سیستم های فتوولتائیک توسط محققین پیشنهاد شده است.
در [3] یک روش کنترلی جدید براساس کنترل کانورتر DC/DC سیستم های فتوولتاییک ارائه شده است. روش ارائه شده هم برای سیستم های فتوولتاییک متصل به شبکه و هم مستقل از شبکه قابل اعمال است. از مزایای این روش، می توان به مستقل بودن روش کنترلی نسبت به ساختار سیستم فتوولتاییک است. روش پیشنهادی بر روی یک سیستم فتوولتاییک استاندارد تست شده است. هم چنین به منظور بررسی دقیق تر عملکرد روش ارائه شده، از روش های الگوریتم ازدحام ذرات و تکاملی تفاضلی نیز استفاده شده است. مقایسه نتایج نشان داده که روش پیشنهادی قادر است پس از ٌٍ بار تکرار و جستجوی منحنی V-I به جواب بهینه سراسری برسد، در حالی که برای روش های الگوریتم ازدحام ذرات و تکاملی تفاضلی این مقدار برابر ًِ و ًًٍٍ تکرار است.
مقایسه نتایج، نشان دهنده برتری روش ارائه شده نسبت به روش های دیگر است.در [4- 7] از شبکه های عصبی جهت ردیابی نقطه حداکثر توان استفاده شده است. نتایج مطالعه [4] نشان داده که روش کنترلی پیشنهادی براساس شبکه های عصبی بسیار پیچیده بوده و بار محاسباتی سنگینی بر سیستم تحمیل می کند. در [5] نیز از شبکه عصبی جهت ردیابی نقطه حداکثر توان استفاده شده است. در این روش، از شبکه عصبی پرسپترون چندلایه استفادهشده است. در [6] از شبکه عصبی تابع شعاعی و یک نوع جدید کانورتر جهت ردیابی نقطه حداکثر توان استفاده شده است. هم چنین برای مقایسه عملکرد روش پیشنهادی، از روش های P&O و INC نیز استفاده شده است. در [8] از شبکه عصبی همراه با سیستم فازی جهت ردیابی نقطه حداکثر توان سیستم فتوولتاییک استفاده شده است.
در این مطالعه از سیستم فازی جهت استخراج داده های آموزشی مورد نیاز برای شبکه عصبی استفاده شده است. در این روش از اینوتر دو سطحی و سه سطحی در ساختار سیستم کنترلی استفاده شده است. در [9] از کنترل گر فازی جهت تعیین سیکل کار به منظور ردیابی حداکثر نقطه توان در سیستم فتوولتاییک استفاده شده است.در [10- 12] از الگوریتم ژنتیک جهت ردیابی نقطه حداکثر توان استفاده شده است. در [10] یک روش جدید براساس الگوریتم بهینه سازی ژنتیک ارئه شده است که در آن نیازی به دانستن مقدار شدت آفتاب و دما نیست. در این روش، الگوریتم ژنتیک با اندازه گیری ولتاژ مدار باز و جریان اتصال کوتاه سیستم فتوولتاییک، جریان و ولتاژ نقطه حداکثر توان را تخمین می زند.
الگوریتم زنبور یکی از الگوریتم های بهینه سازی جدید و سریع است که قدرت بالائی در حل مسائل بهینه سازی غیرخطی و پیچیده دارد. به همین خاطر در سال های اخیر از این الگوریتم جهت ردیابی حداکثر نقطه توان در سیستم های فتوولتاییک بطور گسترده استفاده شده است .[13 - 16]در این مطالعه یک روش جدید برپایه استفاده از الگوریتم بهینه سازی مورچگان جهت ردیابی حداکثر توان در سیستم های فتوولتائیک پیشنهاد شده است. روش پیشنهادی در عین سادگی از دقت خوبی در ردیابی حداکثر توان در سیستم های فتوولتائیک برخوردار است. در بخش دوم مقاله، مدل سیستم فتوولتاییک ارائه شده است. در بخش سوم، روش پیشنهادی معرفی شده است. در بخش چهارم مقاله نتایج مطالعات عددی ارائه شده است و در بخش پنجم نتیجه گیری کلی مطالعه بیان شده است.
مفاهیم مورد نیاز
مدل سیستم فتوولتاییک
در اکثر سیستم های فتوولتا ییک از مدل نمایی ساده جهت مدل سازی مشخصه جریان ولتاژ ماژول های خورشیدی استفاده می شود و با توجه به مدل مذکور، مشخصه جریان ولتاژ یک ماژول خورشیدی بیان می گردد. در روش پیشنهادی از مدل دودیوده سیستم فتوولتاییک استفاده شده است. مدل مذکور در شکل - ٌ - نشان داده شده است. استفاده از مدل دو دیوده باعث کاهش حجم محاسبات و بالا رفتن دقت مدل مخصوصا هنگامی که تابش آفتاب کم است، می شود .[17] اطلاعات بیشتر در رابطه با مدل سیستم فتوولتائیک در مرجع [17] آمده است.
الگوریتم مورچه
الگوریتم کلونی مورچه الهام گرفته شده از مطالعات و مشاهدات روی کلونی مورچه هاست. این مطالعات نشان داده که مورچهها حشراتی اجتماعی هستند که در کلونیها زندگی میکنند و رفتار آنها بیشتر در جهت بقاء کلونی است تا درجهت بقاء یک جزء از آن. یکی از مهمترین و جالبترین رفتار مورچهها، رفتار آنها برای یافتن غذا است و بویژه چگونگی پیدا کردن کوتاهترین مسیر میان منابع غذایی و آشیانه. این نوع رفتار مورچهها دارای نوعی هوشمندی تودهای است که اخیراً مورد توجه دانشمندان قرار گرفته است در دنیای واقعی مورچهها ابتدا به طور تصادفی به این سو و آن سو می روند تا غذا بیابند. سپس به لانه بر میگردند و ردّی از فرومون به جا میگذارند. چنین ردهایی پس از باران به رنگ سفید در میآیند و قابل رویت اند. مورچههای دیگر وقتی این مسیر را مییابند، گاه پرسه زدن را رها کرده و آن را دنبال میکنند. سپس اگر به غذا برسند به خانه بر میگردند و رد دیگری از خود در کنار رد قبل میگذارند؛ و به عبارتی مسیر قبل را تقویت میکنند. فرومون به مرور تبخیر می شود که از سه جهت مفید است:
-باعث می شود مسیر جذابیت کمتری برای مورچههای بعدی داشته باشد. از آنجا که یک مورچه در زمان دراز راههای کوتاهتر را بیش تر میپیماید و تقویت میکند هر راهی بین خانه و غذا که کوتاهتر - بهتر - باشد بیشتر تقویت می شود و آنکه دورتر است کمتر.
- فرومون اصلاً تبخیر نمی شد، مسیرهایی که چند بار طی می شدند، چنان بیش از حد جذّاب می شدند که جستجوی تصادفی برای غذا را بسیار محدود میکردند.
-وقتی غذای انتهای یک مسیر جذاب تمام می شد رد باقی میماند.لذا وقتی یک مورچه مسیر کوتاهی - خوبی - را از خانه تا غذا بیابد بقیه مورچهها به احتمال زیادی همان مسیر را دنبال میکنند و با تقویت مداوم آن مسیر و تبخیر ردهای دیگر، به مرور همه مورچهها هم مسیر می شوند. هدف الگوریتم مورچهها تقلید این رفتار توسط مورچههایی مصنوعی ست که روی نمودار در حال حرکت اند. مسئله یافتن کوتاهترین مسیر است و حلالش این مورچههای مصنوعی اند.
َ-روش پیشنهادی
مدار معادل یک آرایه خورشیدی با ترکیب سری N SS وموازی N PP می تواند بصورت شکل - ٍ - نشان داده شود.همانطور کهقبلاً بیان شد، سلول های فتوولتاییک به شرایط سایه جزئی بسیار حساس هستند. اگر یک سلول یا بخش کوچکی از یک ماژول در رشته موازی سایه دار شوند، در نتیجه سلول های سایه دار شده به جای کمک به توان خروجی، توان را از سلولهای دیگر در رشته جذب خواهند کرد که این توان جذب شده به گرما تبدیل می شود و باعث تشکیل نقاط داغ می شود که می تواند به سلول ها صدمه بزند. بیشتر ماژولهای تجاری از دیودهای بای پس در رشتهای از سلولها برای غلبه بر این اثر استفاده می کنند.
بنابراین، سلولهای سایه دار، بای پس می شوند و در نتیجه تنها توان از رشته سایه دار سلولها تلف می شوند. یک ماژول PVمعمولاً از اتصال سری سلولها با یک دیود بای پس در دو سر هر ٌَ-ًٍ سلول تشکیل می شود. این گروه سلول ها، یک سری با دیود بای پس نامیده می شود و هر ماژول دارای 2 یا 3 سری خواهد بود .هنگامی که تنها یک سلول یا تعداد کمی از سلولها در یک سری، سایه دار جزئی شود رفتار آن سری به گونهای است که گویی کل سری، تحت شرایط سایه جزئی قرار دارد.یک ماژول تجاری واقع گرایانه تر می تواند به صورت اتصال سری دو یا تعداد بیشتری از این ماژول های ساده در نظر گرفته شود که در شکل - َ - نشان داده شده است.
استفاده از این مدل ماژول ساده بدین معنی است که مادامیکه تابش به صورت یکنواخت باشد، هیچ تفاوتی در توان خروجی، صرفنظر از اینکه یک سلول یا ماژول کامل سایه دار شود، وجود ندارد.برای تشریح مشخصه های ماژول های PV تحت شرایط نیم سایه و تمام سایه، منحنی های جریان-ولتاژ و توان-ولتاژ مربوط به ماژول PV با و بدون دیود بای پس برای سیستم شکل - ّ - به ترتیب در شکل های - ُ - و - ِ - نشان داده شده است. هر ماژولPV مقدار تابش متفاوتی 300 W m2 - - GM 2 1000 W m 2 , GM 1 را دریافت می کند. در شکل - ُ - ، فقط یک نقطه MPP در منحنی توان-ولتاژ برای رشته ماژول بدون دیودهای بای پس وجود دارد.
