بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
روش ردیابی سریع بیشترین نقطه توان در سیستم های خورشیدی با استفاده از مبدل Y-Source و بهبود روش هدایت افزایشی
چکیده
ردیابی ماکزیمم نقطه توان (MPPT)، یک تکنیک برای متصل کردن اینورترها، شارژکننده های باتری خورشیدی و وسایل مشابه، برای بدست آوردن حداکثر توان ممکن از یک یا چند پنل خورشیدی است. تغییر در شرایط محیطی، نقطه ماکزیمم توان تغییر موقعیت خواهد داد و نقطه حداکثر توان جدید برای آرایه پدید میآید. تغییر نقطه حداکثر توان آرایه در اثر تغییر شدت نور و دمای محیط، در صورت عدم ردیابی توسط سیستم کنترلی و مبدلهای الکترونیک قدرت، باعث کاهش انرژی الکتریکی تولیدی و در نتیجه کاهش بازده سیستم فتوولتائیک خواهد شد. بنابراین برای دستیابی به این هدف، که همان ردیابی نقطه حداکثر توان آرایه است، باید از روشهای MPPT در سیستم کنترلی مربوط به مبدل های الکترونیک قدرت، بهره جست. بنابراین این مقاله به ارایه ساختاری جدید بر اساس MPPT با همگرایی سریع و مبدلی منیع امپدانسی با شبکه Y-Source پرداخته است. نتایج شبیه سازی بیانگر دقت روش کنترلی پیشنهادی و عملکرد صحیح مبدل است.
-1 مقدمه
افزایش قیمت منابع انرژی تجدید ناپذیراز دهه1970و وجود مخاطرات محیط زیستی، توجه بسیاری از محققان در سراسر جهان را به منابع جدید معطوف کرده است. با توجه به اینکه تقاضا و نیاز به انرژی در سطح جهان رو به افزایش است و هر 10 سال تقریبا دو برابر می شود، تلاش برای یافتن منبع جانشین امری ضروری است. خوشبختانه کشور ما با داشتن شرایط جغرافیایی مناسب، مستعد استفاده از منابع انرژی تجدید پذیر از جمله انرژی خورشیدی میباشد و بخشی از انرژی مورد نیاز کشور می تواند از طریق منابع انرژی تجدید-پذیر تامین گردد، به ویژه این که ایران از نظر دریافت میزان انرژی تابشی خورشیدی در شمار بهترین مناطق محسوب می-گردد.
آمارها نشان می دهد همراه با کاهش قیمت سلول های فتوولتائیک، میزان استفاده از آن در سطح جهان به طور چشمگیری افزایش مییابد. تلاش ها در این زمینه ادامه دارد و ما در آینده ای نزدیک، شاهد بهکار گیری گسترده این فنّاوری پاک در اقصی نقاط جهان خواهیم بود.
طبق برآوردها انرژی جذب شده در هر متر به طور متوسط در سا ل 10000 ترا وات است که تقریبا1000 برابر مصرف کنونی انرژی در جهان می باشد. در نقاطی که مصرف انرژی کم و مسافت های برق رسانی زیاداست، هزینه های خطوط برق رسانی موجه نیست و ایجاد تاسیسات محلی برای بهره برداری از انرژی خورشیدی یا بادی بهترین راه است. سامانه های فتوولتائیک سامانه هایی هستند که مستقیماً از نور خورشید الکتریسیته تولید می کنند. در این سامانه ها بدون مصرف سوخت های فسیلی، انرژی پاک و قابل اطمینان فراهم می شود. این سامانه ها می توانن مصارف گوناگون و گسترده ای داشته باشند، از جمله: تامین برق مورد نیاز خانه ها و چراغ های راهنمایی، راه اندازی پمپ های آب، حفاظت کاتدی و ... .
امروزه این سامانه ها در مقیاس وسیعی در حال نصب هستند و برای مصرف کنندگان، انرژی الکتریسیته خورشیدی تولید کرده و یا برای دستگاه های حساس به عنوان یک منبع انرژی پشتیبان عمل می کنند.
تحقیقات در مورد فناوری فتوولتائیک از حدود صد سال پیش آغاز شد. در سال 1873 دانشمند انگلیسی آقای Willoughby Smith دریافت که عنصر سلنیوم به نور حساس می باشد. او همچنین به این نتیجه رسید که توانایی هدایت الکتریسیته توسط سلنیوم نسبت مستقیمی با مقدار نور دریافتی دارد. مشاهده این اثر، دانشمندان زیادی را بر آن داشت تا به امید تولید الکتریسیته با استفاده از این عنصر، آزمایش هایی را ترتیب دهند. در سال 1880، Charles Fritts نخستین سلول الکتریکی خورشیدی را بر پایه سلنیوم ساخت. این سلول بدون مصرف هرگونه سوخت و بدون تولید حرارت الکتریسیته تولید میکرد.
با این حال، پذیرش اثر فتوولتائیک به عنواع یک منبع تولید انرژی تا سال 1905 انجام نگرفت، زمانی که آلبرت انیشتین پدیده فتوولتائیک را توضیح داد. تئوری اینشتین منجر به فهم عمیق تری نسبت به پدیده فیزیکی تولید الکتریسیته از نور خورشید شد. با این حال، بعد از اینشتین تا سال 1930 دانشمندان تحقیقات محدودی را بر روی عنصر سلنیوم به عنوان یک سلول خورشیدی ادامه دادند، با اینکه این سلول دارای راندمان پایین و هزینه تولید زیاد بود.
بدلیل پاک بودن این انرژی و مجانی بودن آن، استفاده از آن برای تولید انرژی الکتریکی محبوبیت پیدا کرده است و تقاضا برای این انرژی بیشتر شده است [2] و .[1]
هرچند هزینه بالای این سیستم برای کسب ماژولهای PV ، سازگاری سیستم PV در تولید الکتریسیته را کاهش داده است. بعلاوه، توان ماژولهای PV بدلیل وابستگی شدید به پرتو خورشید و بار، پایدار نیست. از این رو کنترل کننده MPPT برای کاهش تلفات و بیشترین بازده سیستم تحت تغییرات پرتو خورشید و باد معرفی شده است .[3]-[6]
روشهای MPPT زیادی برای پیشرفت بازده سیستم PV معرفی شده است که میتوآن به ولتاژ مدار باز جزیی (fractional open circuit voltage) ، جریان اتصال کوتاه جزیی((fractional short circuit current ، منطق فازی، شبکه عصبی، تپه نوردی (hill climbing) ، روش اغتشاش و مشاهده و هدایت افزایشی اشاره کرد .[7]-[12] در میان این الگوریتمها ، P&O و هدایت افزایشی معروفترین روشها هستند.
اگر یک مبدل DC-DC بین ماژول PV و بار قرار بگیرد، دیوتی سایکل کلیدزنی طوری تنظیم میشود که سیستم PV همیشه در نقطه ماکزیمم توان کار کند . برای , P&O توان ماژول PV محاسبه میشود و دیوتی سایکل مبدل برای رسیدن به MPP ، یا کم یا زیاد میشود .[13]-[16] بطور کلی، اغتشاشات در هر دو سمت به سوی نقطه MPP حرکت میکند, بنابراین، در ماژول PV نوسانات رخ میدهد. بر خلاف P&O ، شیب منحنی توان-ولتاژ (P-V) ماژول PV برای هدایت افزایشی مورد استفاده قرار میگیرد تا دیوتی سایکل مبدل را تغییر دهد.
بدلیل اهمیت استفاده از انرژی های نو و در پی آن انرژی خورشیدی و متغیر بودن توان این سیستم، این مقاله نیز بدنبال ارایه روشی سریع برای همگرایی و یافتن ردیابی حداکثر توان در سیستمهای تولید انرژی الکتریکی میباشد. در همین راستا به معرفی روش پیشنهادی بر اساس مبدل خواهیم پرداخت.
-2 سیستم پیشنهادی
همانطور که در قسمت قبل بیان شد، این مقاله به ارایهی سیستمی بر اساس مبدل Y-Source با قابلیت ردیابی نقطه ماکزیمم توان با بهبود روش هدایت افزایشی پرداخته است. شمای شبیه سازی شده در نرم افزار Matlab/Simulink در شکل (1) مشخص است.
در ادامه به بررسی قسمتهای متفاوت شبیه سازی پرداخته شده است.
هر سلول خورشیدی را میتوان با یک مدار معادل الکتریکی مدل نمود. مدلهای متفاوتی برای سلولهای خورشیدی در مراجع متفاوت بیان شده است که شکل (2) یک نمونه از آن را نشان می-دهد.
مشخصات ماژول PV شبیه سازی شده در جدول (1) درج شده است.
مبدل موردنظر، دارای یک کلید SW ، یک دیود D1 ، یک خازن C1 و یک ترانسفورماتور سه سیمپیچه است. این مبدل مشابه مبدل منبع امپدانس متداول دارای دو حالت کاری میباشد. حالت کاری اتصال کوتاه زمانی است که، کلید SW روشن و دیود D1 خاموش است. در حالتی که کلید SW قطع و دیود D1 هدایت می-کند و به بازه زمانی غیر اتصال کوتاه معروف است. روابط زیر بر این مبدل حاکم است:
شبکههای منابع امپدانسی بهصورت کامل، تمامی محدودهی تبدیلات الکترونیک قدرت را، از مبدل و رکتیفایرگرفته تا اینورتر و تبدیلات فاز و فرکانس، پوشش میدهد. شبکههای منبع امپدانسی از نظر مغناطیسی در دو گروه کلی، (1 بدون ترانسفورماتور و (2 با ترانسفورماتور تقسیمبندی میشوند که هر دسته، ویژگیهای خاص خود را دارند.
ترانسفورماتورها برای بهبود ظرفیت افزایش ولتاژ و اندیس مدولاسیون در مبدلهای الکترونیک قدرت بکار گرفته میشوند، که همچنین، باعث کاهش المانهای پسیو موردنیاز در شبکه شده و منجر به بهبود چگالی توان و کاهش قیمت سیستم خواهد گردید.
مبدل Y-Source یکی از اعضای خانواده منبع امپدانسی است که در دستهبندی مبدلهای منبع امپدانسی با ترانسفورماتور قرار میگیرد .[17]
این مبدل دارای ویژگیهای متفاوتی میباشد بطوریکه، بهرهی این مبدل در دیوتیهای یکسان با دیگر مبدلها متفاوت میباشد و دارای یک درجه آزادی بیشتر برای ( تعداد دورهای سیمپیچ و زمان هدایت کلید تنظیم) بهره ولتاژ نسبت به مبدلهای کلاسیک منبع امپدانسی میباشد. ازنظر تئوری با تنظیم تعداد دور سیمپیچ و d st ، هر مقداری افرایش ولتاژ را میتوان ارائه داد.
بهرهی افزایش ولتاژ بالا، ایزوله کردن خروجی از منبع ورودی، و ارایه یک درجه آزادی بیشتر برای تنظیم بهره ولتاژ همگی دلایلی برای جذابیت مطالعه بر روی ساختار Y-Source شده است.
ساختار شبکه Y-Source در شکل (3) نشان داده شده است.
ردیابی ماکزیمم نقطه توان (MPPT)، یک تکنیک برای متصل کردن اینورترها، شـارژکننده هـای بـاتری خورشـیدی و وسایل مشابه، برای بدست آوردن حداکثر توان ممکن از یک یـا چند پنل خورشیدی است. سلول هـای خورشـیدی دارای یـک رابطهی پیچیده بین تابش خورشـیدی، دمـا و مقاومـت نهـایی است که یک رابطهی غیـر خطـی بهـره وری را کـه بـه عنـوان منحنی I-V شناخته شده است، ایجاد می کند. هـدف سیسـتم MPPT، نمونه برداری خروجی سلول های خورشیدی و اعمـال مقاومت (بار) مناسب، برای بدسـت آوردن حـداکثر تـوان بـرای هرگونه شرایط محیطی می باشد.
با تغییر در شرایط محیطی، نقطه ماکزیمم تـوان تغییـر موقعیت خواهد داد و نقطه حداکثر توان جدید برای آرایه پدیـد میآید. تغییر نقطه حداکثر توان آرایه در اثر تغییر شدت نـور و دمای محیط، در صورت عدم ردیابی توسط سیسـتم کنترلـی و مبدل های الکترونیک قـدرت، باعـث کـاهش انـرژی الکتریکـی تولیدی و در نتیجه کاهش بـازده سیسـتم فتوولتائیـک خواهـد شد.
بنابراین برای دستیابی به این هدف، که همان ردیابی نقطه حداکثر توان آرایه است، باید از روشهای MPPT در سیستم کنترلی مربوط به مبدلهای الکترونیک قدرت، بهره جست. هدف کلیه روشهای MPPT، پیدا کردن اتوماتیکی ولتاژ و جریان نقطه حداکثر توان آرایه (Impp, Vmpp)جهت قرار دادن نقطه کار آرایه منطبق بر نقطه حداکثر توان آرایه (Pmpp)در مقادیر مختلف شدت نور و دمای محیط میباشد.
در همین راستا مرجع [18] یک الگوریتم mpp اصلاح شده را پیشنهاد میکند که میتواند پاسخ سریع را بدون استفاده از حلقه کنترلی اضافی بدست آورد. علاوه بر آن سیستم پیشنهادی به قطع متناوب نیاز ندارد سیستم pv پیشنهادی وابسته به کانورتر dc-dc واسط مابین ماژول pv و بار میباشد.
منحنی I-V تحت سطوح متفاوت انرژی خورشید و نقاط MPP که توسط خط MPP به یکدیگر متصل شدهاند در شکل زیر نشان داده شده است.
الگوریتم پیشنهادی رابطه مابین بار و منحنی i-v را برای معرفی الگوریتم همگرایی سریع را استفاده میکند در این سیستم پیشنهادی فقط ولتاژ و جریان ماژول pv با کنترلر mppt استفاده میشود. کنترلکننده MPPT ارایه شده برای تنظیم دیوتیسایکل مبدل Y-Source استفاده شده است تا با تغییرات انرژی خورشیدی همواره نقطه ماکزیمم توان بدست آید. این روش کنترلی به مشخصات مبدل الکترونیک قدرت استفاده شده وابسته است.
با توجه به (1) داریم:
سپس با بکارگیری (7) باعث میشود تا بهسرعت عملکرد سیستم به نقطه نزدیک به نقطه MPP نزدیک شود.
با تقسیم روش عملکرد الگوریتم به دو قسمت کاهش و افزایش تابش خورشید به شرح عملکرد این روش خواهیم پرداخت. منحنی I-V تحت تابش های متفاوت با افزایش و کاهش سطح تابش در شکل (5) نشان داده شده است.
فرض میشود که ماژول PV بر روی خط بار 1 عمل میکند و سطح تابش برابر است با 1.0 kW /m2 ، Vmpp و Impp ولتاژ و جریان ماژول PV در این سطح در شکل ) 5الف) نشان داده شده است. با کاهش سطح تابش خورشید به 0.4kW/m2 نقطه عملکرد ماژول PV نقطه A است. همانطور که مشخص است نقطه A از نقطه C یعنی MPP در 0.4kW/m2 سطح تابش بسیار دورتر است. حال با استفاده از معادلهی (7) و تنظیم دیوتی سایکل نقطه کار به نزدیکی نقطه C منتقل خواهد شد. همانطور که از شکل )5الف) مشخص است، جریان مرتبط با نقطه A برابر است با I1 و این مقدار به جریان اتصال کوتاه در این سطح از تابش خورشید نزدیک است و جریان MPP نیز تقریبا برابر است با .0.8 ∗ Isc بنابراین I1 تقریبا برابر با مقدار جریان نقطهی MPP جدید است
