بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ردیابی و استخراج نقطه بیشینه توان((M.P.P.T در سیستم های فتوولتائیک با استفاده از روش های هوشمند P&O,INC,FUZZY
چکیده
برای کاهش هزینه ها در سیستم های فتوولتائیک روش های متنوعی ابداع و استفاده شده اند که هریک برای استخراج و ردیابی نقطه بیشینه توان الگوریتم و چارچوب خاصی را مد نظر قرار میدهند. در واقع یکی از شیوه های افزایش بهره وری سیستم های تولید انرژی به روش فتوولتائیک استحصال حداکثر انرژی هنگام تغییرات بار و میزان شدت تابش نور به سلول های مذکور می باشد. این بدان معناست که هنگام تغییرات شرایط جوی بایستی همواره حداکثر توان از آرایه های مذکور به بار منتقل شود.این مقاله ابتدا به مروری اجمالی برعملکرد ردیابی و استخراج نقطه حداکثر توان در سیستم های فتوولتائیک می پردازد، سپس سه روش مرسوم و متداول در دنبال کردن نقطه توان بیشینه مورد بررسی و تحلیل قرار می گیرد،هر کدام از روش ها به صورت مختصر تشریح و نحوی پیاده سازی هر کدام از الگوریتم ها مورد ارزیابی قرار می گیرد. یکی از جنبه های اصلی در انتخاب روش های MPPT کارآمدی الگوریتم های ارائه شده می باشد در این مقاله نشان خواهیم داد
که هریک از روش ها با چه دقت میزان عملکردی پیاده سازی گردیند،در خاتمه به عنوان معیار و مقایسه سنجش میزان عملکرد هر یک از روش ها، پارامتر میزان درصد شارز باتری % SOC را معرفی خواهیم نمود،.به کمک این معیار و مقایسه هر یک از روش ها با یکدیگراز نتایج حاصله در روش های ارائه شده برای دقت ردیابی و استخراج نقطه بیشینه توان در نرم افزار متلب ،محیط سیمولینک راست آزمایی صورت می دهیم
کلمات کلیدی: انرژی تجدید پذیر، نقطه توان بیشینهMPPT،هدایت افزایشی, INC کنترل کننده فازیFISومبدل افزایندهBOOST
1 مقدمه
استفاده از انرژی های پاک (انرژی های بدون آلایندگی) امروزه به طور فزاینده افزایش پیدا کرده است .یکی از انواع این جایگاه خاصی در بین کشورها برخوردار شده است و پیشتاز عرصه مصرف انرژی های نو در جهان میباشد.[1] امروزه این کاربردها تنها %5. مصرف انرژی دنیا را به خود اختصاص می دهند و پیش بینی می شود تا سال 2050 م این مقدار به حدود % 45 خواهد رسیدکشورهای اروپایی در پروژه مشترکی تا سال 2050قصد دارند با نصب ماژول های pv در صحرای بزرگ آفریقا از انرژی خورشیدی این منطقه برای تامین برق اروپا استفاده کنند.تحقیقات نشان می دهد تنها %3 بهره گیری از این نوع انرژی برای رفع نیاز برق قاره اروپا کافی خواهد بود[2] .تجدید پذیری، پاک بودن، قابلیت دسترس پذیری، ایستا بودن و پایان ناپذیری این نوع از انرژی از محاسن اصلی آن محسوب میشود.اهمیت درک این موضوع به نحوی است که اگر انسان می توانست کل انرژی که در طول یک روز به زمین ساطع می شود را مهار کند می توانست انرژی یک سال کره زمین را تامین کند.[3] در واقع عدم وجود سیستم انتقال و توزیع برای تهیه انرژی برای مناطق روستایی دور افتاده که شبکه برق عمومی در دسترس نمی باشد تا تولید انرژی لازم برای فضاپیماهاوماهوارهای مخابراتی پیش از پیش لزوم استفاده از این نوع تکنولوژی را ضرورتی انکارناپذیر ساخته .روشهای متفاوتی برای تبدیل انرژی نور خورشید به انرژی الکتریکی وجود دارد اما پرکاربردترین روش استفاده از سلولهای فتوولتائیک میباشد. سلول فتوولتائیک وسیله ای است که نور خورشید را به طور مستقیم به الکتریسیته تبدیل می کند به طوری که وقتی سلولها در معرض فوتونهای نور قرار میگیرند در پایانههای خروجی آن الکتریسیته تولید می-شود[4]، اما با توجه به مشخصه غیر خطی جریان - ولتاژ سلول (شکل(2- 1 و به طبع آن مشخصه توان سلول (شکل -3 (4 به شدت به دوعامل محیطی میزان شدت تابش و دمای سلول بستگی دارد . [5]
نوع انرژی ها،انرژی خورشید است که در همه جا و در اغلب طول روز در دسترس است. امروزه سیستمهای خورشیدی از هنگامی که این سلولها در معرض فتون نور قرار میگیرند در پایانههای خروجی آنها ولتاژی ایجاد میشود. اگر در خروجی باری قرار نداشته باشد این ولتاژ برابر ولتاژ مدار باز است و در این حال توان جذب شده صفر است. اگر در خروجی این سلولها بار کوچکی قرار گیرد این ولتاژ تقریبا ثابت باقی میماند اما با افزایش بار و جریان خروجی، ولتاژ شروع به کاهش میکند. چنانچه بار متصل به سلول از مقداری بیشتر شود، ولتاژ خروجی سلول به صفر میرسد و مجددا توان خروجی صفر میشود. با توجه با این مطالب میتوان گفت حداکثر توانی که میشود از یک سلول خورشیدی به ازای شدت تابش و دمای خاص استخراج نمود تنها به ازای یک ولتاژ و بار مشخص رخ میدهد (شکل . [5](4-3 با توجه به هزینه بالای خرید و راهاندازی نیروگاههای خورشیدی، لازم است که هموار بیشترین توان از آنها استخراج شود تا سیستم از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشد. توجه به این امر وجود دنبال کننده های توان بیشینه را امری ضروری در سیستم دانسته. لذا برای استفاده از این سیستم ها باید تدابیری اندیشیده شود که سیستم همواره در حال استخراج و ردیابی توان در نقطه بیشینه کاری خود در هر حالت و شرایطی باشد در غیر این صورت تلفات توان به طرز چشمگیری افزایش و کاهش شدید بازده سیستم را در پی خواهیم داست[5] لذارسیدن به این مهم لزوم استفاده از یک دنبال کننده توان بیشینه((MPPT که بتواند همواره در شرایط مختلف سلول فتوولتائیک را درنقطه توان بیشینه قرار دهد به جزئی ضروری در سیستم های فتوولتائیک تبدیل شده اشت
.2مدل مداری سلول خورشیدی
هر سلول خورشیدی را می توان با یک مدار معادل الکتریکی مدل نمود .مدل مرسوم و رایجی که شناخته و استفاده گردیه به عنوان مدل تک دیود معرفی می شودشکل .5در این مدل ولتاژ مدار باز و جریان اتصال کوتاه به عنوان دو پارامتر کلیدی در نظر گرفته می شوند.جریان اتصال کوتاه وابسته به میزان تابش و ولتاژ مدار باز تحت تاثیر نوع ماده و دما قرار دارد. مشخصه ولتاژ،جریان آن را نیز می توان به کمک رابطه 1 محاسبه نمود. در واقع هدف از این کارتطبیق منحنی مشخصه های مدل شبیه سازی با منحنی مشخصه های سلول واقعی تحت شرایط محیطی مختلف می باشد . متشکل شدن تعداد زیادی سلول خورشیدی به صورت سری و موازی ماژول خورشیدی را متشکل و از سری و موازی شدن ماژول ها آرایه های خورشدی تشکیل می شود.[7]
.3روش های جذب حداکثر توان در سیستم های فتوولتائیک
تاکنون بیش از 19 روش و تکنیک متفاوت برای استخراج و ردیابی نقطه حداکثر توان ارائه و اجرا گردیده است .[8] به وسیله MPPT حداکثر توان DC از آرایه های فتوولتائیک قابل دستیابی خواهد بود و هر یک از تکنیک های بسته به نوع پیاده سازی، پیچیدگی و کاربرد به نحوی این مهم را میسر میسازند.در واقع سلول خورشیدی وقتی دارای بیشترین بازده می باشد که در نقطه حداکثر توان کار کند .توان تولید شده به وسیله سیستم فتوولتائیک به عوامل اصلی شدت تابش و دمای سلول خورشیدی بستگی دارد که در آن شدت تابش و دمای سلول با زمان تغییر می کند پس نقطه حداکثر توان نیز تغییر می کند(شکل3و .(4 روشهای جذب حداکثر توان را در یک دستهبندی کلی میتوان به سه گروه مختلف آنلاین، آفلاین و ترکیبی تقسیم کرد.[7] روش های آفلاین معمولا برای یک سلول خورشیدی خاص طراحی میشوند و تنها برای همان سلول خورشیدی قابلاستفاده هستند. این روشها بر اساس مدل فیزیکی سلول مورد مطالعه و با اندازه گیری یکی از مقادیر سلول مانند ولتاژ حلقه باز، جریان اتصال کوتاه، ویاشدت تابش کار میکنند. روشها آفلاین عبارتاند از روش ولتاژ مدارباز[9]، روش جریان اتصال کوتاه[10] و روش های هوش مصنوعی شامل روشهای فازی شبکه عصبی.[11]این روش ها هزینه پیاده سازی نسبتاکمی دارند.در گروه دو از روش های استخراج حداکثر توان از سلول خورشیدی که به روش های آنلاین معروف هستند، معمولا ولتاژ یا جریان لحظهای بهمنظور تولید سیگنال کنترل استفاده میشوند. از آنجایی که در این روشها مکان بهینه نقطهکار از پیش مشخص نیست، در روش کنترلی با ایجاد تغییرات در زمان وظیفه مبدل DC/DC و سپس بررسی روند تغییرات توان خروجی نقطه کار بهینه پیدا میشود. از آنجایی که این روشها برای سلول بخصوص طراحی نمیشوند میتوان آنها را برای هر سلولی خورشیدی بهکار بست. مهمترین و مرسوم ترین این روشها عبارتاند از روش [12]P&O، روش
,[13]ESCروش .[14]IncCond گروه سوم از روش های استخراج حداکثر توان روشهای ترکیبی میباشند که در آنها از هر دو تکنیک آنلاین و آفلاین برای پیاده سازی روش استفاده می شود .در مقالات [15-16] به این نوع روشها پرداخته شده است
.4پیاده سازی روش های مورد نظر با استفاده از توپولوژی ارائه شده
همانطور که در اشکال 1 تا 4 معین شده در مقدمه اشاره نمودیم به ازای شرایط آب و هوایی (شدت تابش و دما ) تنها در یک نقطه حداکثر توان تحویل می گردد (شکل 3وشکل . (4 از این رو در اغلب سیستم های فتوولتائیک جهت تطبیق بار با آرایه خورشیدی به منظور جذب حداکثر توان یک مبدل سوئچینگ میان این دو قرار می گیرد. .همانطور که در شکل 6 مشاهده می کنیم مدل سیمولینک مورد نظر برای این مقاله از طرح فوق پیروی میکند.
هدف این سیستم این است که آرایه خورشیدی مورد نظر همواره درنقطه کار بهینه((Pmax که نقطه بیشینه توان MPP مطابق شکل 3و4 می باشد کار نماید . به وسیله MPPT حداکثر توان الکتریکی ممکن از آرایه PV حاصل می شود این کار با جابه جایی نقطه کار الکتریکی آرایه PV انجام می گیرد MPPT اساسا یک مبدل DC-DC می باشداین مبدل سطح ولتاژ کاری را جهت رسیدن به مقدار Vmpو دستیابی به حداکثر توانPmp تغییر می دهد.سطح ولتاژکاری از طریق تغییر سیکل وظیفه انجام می شود. سیگنال کنترلی مدولاسیون پهنای باند((PWM به گیت ترانزیستور مبدل DC-DC اعمال می شود. به عبارتی دیگر دنبال کننده بیشینه توان MPPT در مقابل هر تغییری در میزان تابش و دما که باعث تغییر در نقطه کار شود , با توجه به الگوریتمی که به کار می بردنقطه کار را به گونه ایی تغییر می دهد که سیستم همواره در نقطه بیشینه توان MPP کار کند.بنابراین MPPT مبدل DC-DC را طوری کنترل می کند که سیستم متصل به سلول خورشیدی نقش بار متغیر برای سلول خورشیدی را پیدا کند و سعی می کند بیشترین توان ممکن از سلول خورشیدی گرفته شودشکل.[17] 7
همانطور که در شکل6 مشخص است سیستم فتوولتائیک مورد نظر از یک آرایه خورشیدی, به همراه مدار کنترلر MPPT برای فرمان به مبدلDC-DC و باتری برای ذخیره انرژی تشکیل شده است . انواع متفاوتی از مبدل های DC-DC وجود دارنداما به علت پایین بودن ولتاژ خروجی سلول خورشیدی به طور معمول از مبدل افزاینده بوست ولتاژ,در ساختارسیستم تولید توان خورشیدی استفاده می گردد.علت استفاده از مبدل افزاینده بوست علاوه بر افزایش ولتاژ خروجی سیستم ,متغیر بودن مقاومت ورودی مبدل با تغییر سیکل کاری سیگنال PWM اعمالی است .این ویژگی مبدل همانطور که بیان نمودیم این قابلیت را مید هد که با تغییر سیکل کاری بتوان ولتاژ نقطه کارسلول خورشیدی را تغییر داد. [18]
قبل از هر چیزبرای شبیه سازی و مدلسازی سیستم فتوولتائیک ابتدا" نیازمند مدلی دقیق برای سلول خورشیدی هستیم که رفتاری مشابه با مدل سلول خورشیدی ارائه شده در شکل 5 داشته باشد. بدین منظور در شکل8 بلوک دیاگرام مدلسازی شده با رعایت تمامی پارامترها و دقتی بسیاربالا برای شبیه سازی سیتم ارائه گردیده.
شـــکل10 نقـــاط بهینـــه آرایـــه خورشـــیدی مـــورد نظـــر (sunpower305wht)رادر شـــدت تـــابش هـــای 0.25kw/m2 تا1kw/m2 نشان میدهد.MPPT با فرمـان بـه مبـدل DC-DC بایستی تضمین دهد با سـرعت و دقـت همگرایـی لازم تحـت تغییرات شدید شدت تابش شـکل , 11 البتـه بـا دمـای ثابـت محیط که 25 درجه سانتی گراد مد نظر قرار داده شده همواره آرایه را تحت تغییر هـر گونـه شـرایط جـوی (شـدت تـابش و دما)در نقاط بهینه به منظور تعقیب و استخراج نقطـه بیشـینه توان قرار میدهد.
یکی از روش های مرسوم و پرکاربرد در مبحث استخراج بیشینه توان روش INC می باشد.این روش ازدقت عملکردی دینامیکی مناسبی در حین تغییرات ناگهانی شدت تابش و دما برخوردار است. اساس این روش بر این اصل است که در MPP شیب نمودار P-V برابر صفراست[14] .قبل از آن شیب مثبت است و بعد از MPP شیب منفی میگردد (2).
در محل بیشینه توان
در نقاط سمت چپ منحنی
و در نقاط سمت راست منحنی
در واقع الگوریتم کنترلی MPPT با محاسبه تغییرات توان و ولتاژ در هر لحظه مقدار شیب را محاسبه می نماید.در صورتی که شیب مثبت باشد در سمت چپMPP نقطه کار واقع شده و در حال توان دهی است و لذا بایستی ولتاژ آرایه سلول خورشیدی به منظور جذب بیشتر توان افزایش یابد که با فرمان MPPT از طریق تغییر سیگنال کنترلی مدلاسیون پهنای باند((PWM ولتاژ آرایه افزایش می یابد این افزایش تا صفر شدن نسبت و رسیدن به نقطه بیشینه ادامه می یابد و در صورتی نقطه کار سیستم در سمت چپ آرایه واقع شده باشد MPPT فرمان کاهش ولتاژ آرایه سلول خورشیدی را به منظور جذب بیشینه توان به سیستم صادر می نماید این افزایش و کاهش ولتاژ تا جایی ادامه می یابد که به نقطه توان بیشینه MPPT برسد.[14] بلوک دیاگرام زیر نحوی عملکرد این روش را برسی می نمایند البته در این بخش روش هدایت افزایشی را به دو فرم پیاده سازی ونتایج آن را برسی می نمایم .
روش اول: بلوک دیاگرام شکل14 نحوی عملکرد این روش را که پیشتر در مورد آن توضیح دادم بیان می دارد .در این روش برای مینیمم کردن خطا از یک کنترل کننده انتگرالی در انتهای دیاگرام استفاده نموده است .
کل 15شکل موج های حاصل از ( MPPTTime(sec ارائه شده :متوسط توان خروجی , ولتاژخروجی, سیکل وظیفه و مقدار شدت تابش در زمانهای مختلف در روش هدایت افزایشی همانطور که در شکل 15 مشخص است در حالتی که شدت تابش در بیشترین مقدار خود قرار دارد مدار MPPT بیشترین توان موجود را از مدار استخراج میکند . البته حالتی که شدت تابش روند نزولی خود را طی میکند و به مقدار کمینه میرسد ابتدا در خروجی توان نوساناتی در حال رخ دادن است و این بدین معنا است که شکل موج سیکل وظیفه و به پیروی از آن توان خروجی آرایه دچار نوسان شده است و این تغییر در شدت تابش است که منجر به نوسانات میشود و لذا چون شدت تابش به حالت پایداری نرسیده مدار MPPT در هر لحظه به دنبال ردیابی بیشینه توان است .در واقع این نقاط مختصات مشخصی از سیستم هستند که به علت تغییرات، مدار قادر به تشخیص صحیح بیشینه توان نیوده و سیستم در اصلاح دارای تلفات توانی میشود از سویی دیگر با تغییر این شدت تابش که منجر به نوسانات رخ داده در مدار میشود مدار MPPT عملکردی کاملا صحیحی از خود ارائه داده است. که االبته
