بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله ابتدا نحوه و لزوم دنبالگری حداکثر نقطه توان در سیستم های فتوولتاییک مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است و سپس دو الگوریتم P&O - Perterbation and Observation - و INC - Increment - به عنوان پرکاربردترین الگوریتم های - Maximum Power Point MPPT Traking - به ویژه در سیستم های مستقل مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفته است. نتایج شبیه سازی ها نشان داد که استفاده از اندازه گام متغیر موجب بهبود عملکرد هر دو الگوریتم P&O و INC می شود. این بهبود شامل افزایش سرعت همگرایی، کاهش نوسانات در حالت پایدار و نهایتا افزایش بازده می شود. همچنین نتایج شبیه سازی نشان می دهد که استفاده از اندازه گام متغیر برای الگوریتم P&O ضمن ارائه بازده بالاتر، عملکرد این الگوریتم حتی در شرایط تغییرات شدید و سریع جوی نیز بهبود می دهد و عملکردی مشابه با الگوریتم INC نشان می دهد. از این رو با توجه با اینکه پیاده سازی سخت افزاری این الگوریتم نسبت به الگوریتم INC پیچیدگی کم تری دارد و حتی قابلیت پیاده سازی آنالوگ را نیز دارد، استفاده از الگوریتم P&O با اندازه گام متغیر توصیه می گردد.
کلید واژه- دنبال کننده حداکثر توان، سلولهای خورشیدی، اختلال و مشاهده، روش افزایشی.
-1 مقدمه
امروزه با گسترش صنعت و افزایش جمعیت نیاز به انرژی روز به روز افزایش می یابد .با توجه به اینکه انرژی های حاصل از سوخت های فسیلی رو به پایان هستند، جهان نظر خود را به سمت انرژی های تجدید پذیر برده است. انرژی خورشیدی به عنوان یکی از مهم ترین منابع انرژی تجدید پذیر، در سال های اخیر مورد توجه تحقیقات بسیار زیادی قرار گرفته است . در مقایسه با منابع انرژی های مرسوم تجدیدناپذیر دارای ویژگی هایی مانند پاک بودن، پایان ناپذیری و نیز بدون هزینه بودن سوخت آن می باشد .[1] باتریهای خورشیدی یا سلول های خورشیدی ابزارهای الکترونیکی هستند که با استفاده از پدیده فتوولتائیک ، نور یا فوتون را مستقیما به جریان یا ولتاژ الکتریکی تبدیل می کنند.
انرژی حاصل ازخورشید به دو صورت استفاده می شود . حالت اول استفاده از انرژی حرارتی خورشید برای مصارف خانگی ، صنعتی و نیروگاهی، و حالت دوم تبدیل مستقیم نور حاصل از پرتو های خورشید به الکتریسیته به واسطه سلول خورشیدی PV است[2] .یک مشکل عمده فنی در سیستمهای نسل PV وجود دارد ، که راندمان تبدیل توان الکتریکی آنها پایین است . به طور کلی ، بهره وری سلول آزمایشگاهی تقریبا %20-18 و بهره وری سلول تجاری در حدود%18-13 می باشد.[ 3] علاوه بر این منحنی مشخصه I-V خروجی یک سیستم تولید انرژی خورشیدی با تغییرات تابش و دمای سلول به صورت غیر خطی تغییر می کند و فقط یک نقطه کار بر روی منحنی وجود دارددارد که در آن حالت سیستم بیشترین بازده را خواهد داشت و حداکثر توان ممکن حاصل می گردد که به این نقطه ، نقطه حداکثر توان - MPP - گفته می شود که سیستم فتوولتائیک باید به گونه ای تنظیم شود که بر روی این نقطه کار عمل کند .
موقعیت نقطه MPP مشخص نمی باشد ولی می توان این نقطه را با استفاده از محاسبات ریاضی بر اساس مدل های معتبر و یا الگوریتم های جستجو تعیین کرد. مجموعه الگوریتم های دنبالگر نقطه حداکثر توان - MPPT - نامیده می شوند .[4] در سال های اخیر مقالات و الگوریتم های متعددی برای حل این مسئله ارائه شده است که این روش ها از نظر پیچیدگی، سنسور های مورد نیاز، هزینه، بازده، سرعت همگرایی، پیاده سازی سخت افزاری و جنبه های دیگر با یکدیگر متفاوت می باشند[ 5] که ازمهم ترین این تکنیک ها می توان به الگوریتم های ولتاژ مدار باز، جریان اتصال کوتاه، ایجاد تشویش و مشاهده ، رسانایی تصاعدی و نیز تکنیک های مبتنی بر منطق فازی و شبکه های عصبی اشاره کرد که هرکدام دارای مزایا و معایبی نسبت به یکدیگر می باشند .
و از طرفی روش های مبتنی بر شبکه عصبی و منطق فازی دارای بازده بسیار خوبی می باشنداما در عمل دارای پیچیدگی های محاسباتی و پیاده سازی بیشتری هستند که برای کاربرد های فتوولتاییک توان پایین توصیه نمی گردند ضمن اینکه این الگوریتم ها معمولانیازمند تغییرات دوره ای نیز می باشند و باید برای هر مدل از آرایه های فتوولتاییک به طور جداگانه طراحی شوند.[6]
در این مقاله هدف بررسی الگوریتم های متفاوت جهت بالاترین نقطه توان پرداخته و تکنیک تشویش و مشاهده را با نرم افزار متلب شبیه سازی کنیم و نتایج حاصله را با اطلاعات در دسترس مقایسه نماییم .
: 2 تکنیک های MPPT مختلف
تکنیک های مختلفی برای مسیر یابی نقطه توان حداکثر وجود دارد. مهمترین این تکنیکها عبارتند از :
روش اختلال و مشاهده - روش بالارفتن از قله - روش رسانای افزایشی جریان مدار کوتاه جزء به جزء ولتاژ مدار باز جزء به جزء شبکه های عصبی لاجیک نادقیقانتخاب الگوریتم به پیچیدگی زمان ، مسیر یابی MPP ، هزینه ی اجراء، و سهولت اجراء بستگی دارد. [8 ]
مشاهده و تشویش
اختلال و مشاهده - - P&O ساده ترین روش میباشد. در این روش، ما تنها از یک حسگر به نام حسگر ولتاژ برای حس ولتاژ آرایش PV استفاده میکینم لذا هزینه ی اجرایی آن کم ، اجرای آن ساده میباشد. پیچیدگی زمان این الگوریتم خیلی کم بوده اما در نزدیکی به MPP در آنجا متوقف نشده و همچنان به اختلال درهردو مسیر ادامه میدهد. وقتی این امر رخ میدهد که الگوریتم به MPP خیلی نزدیک شود لذا در این حالت ما میتوانیم حد خطا مناسب را تنظیم یا از تابع wait استفاده کنیم که با افزایش پیچیدگی زمانی الگوریتم به پایان میرسد. به هر جهت این روش به تغییر سریع سطح تابش توجه نمی کند بلکه به تغییر MPP به موجب اختلال توجه کرده که با محاسبه ی MPP غلط به پایان میرسد. برای اجتناب از این مشکل ما میتوانیم از روش رسانای افزایشی استفاده کنیم. در شکل 1 می توان الگوریتم این روش را مشاهده نمود.
رسانای افزایشی
در روش رسانای افزایشی از دو ولتاژ و حس گرهای جریان برای حس ولتاژ خروجی و جریان آرایش PV استفاده میکنیم.در MPP شیب منحنی PV صفر است.درسمت چپ معادله رسانای فوری پنل خورشیدی قرار دارد. وقتی رسانای فوری با رسانای خورشیدی مساوی باشد سپس میتوان به MPPرسید. دراینجا ما هم ولتاژ و هم جریان را هم زمان حس میکنیم. اینجا خطا به موجب تغییر در تابش از بین میبرد. به هر جهت پیچیدگی و هزینه ی اجراء افزایش می یابد. همانطور که به طرف لیست الگوریتم ها میرویم پیچیدگی و هزینه ی اجراء که برای سیستمی کاملا پیچیده مناسب بوده افزایش می یابد . این همان دلیلی میباشد که روش مشاهده و تشویش و روش رسانای افزایشی وسیع ترین الگوریتم های مورداستفاده تلقی میشوند. با داشتن سهولت اجراء ما الگوریتمPerturb& Observe را برای تحقیق در میان دو روش انتخاب کرده ایم.
- 3 نتایج شبیه سازی
با توجه به مطالعات اولیه انجام شده در فصل قبل در اینجا با در نظر گرفتن مزایایی هر دو روش و استفاده ترکیبی از آن یک ساختار هیبرید با توجه به سیمولینک شکل 2 و همچنین با توجه به زیر سیستمهای آن شبیه سازی و نتایج آن در روشجدید اختلال و مشاهده با حالت قبل مقایسه شده است. زیر سیستم Conditions شامل ورودی های سلول در شرایط دمایی و تابشی مختلف خورشید می باشد که می توانید ورودی ها را در شکل 2 مشاهده کنیددر شکل 4 زیر با توجه به ورودی اعمال شده متغییر با زمان منحنی توان به زمان را بدون اعمال الگوریتم می توان مشاهده نمود که از این نتیجه می توان در مقایسه با دیگر روشها استفاده نمود.با توجه به حجم زیاد زیر سیستمها از ذکر آنها در اینجا خودداری شده است. بنابراین بطور مستقیم به ذکر نتایج شبیه سازی می پردازیم. در شکل 3 نتیجه خروجی توان به ولتاژ را می توان مشاهده کرد که با نتایج مرجع 8 همخوانی دارد.همانطور که در شکل های 4 و 5 مشاهده می شود الگوریتم INC باعث افزایش توان خروجی سلول شده است و این شکست
