بخشی از مقاله
چکیده
گسترش روز افزون استفاده از انرژیهای نو و بهبود بهره وری این نوع از سیستمها، وابستگی تنگاتنگی به توسعه تجهیزات کارآمد مورد نیاز مربوطه دارد. یکی از این تجهیزات، مبدلهای ولتاژ DC/AC میباشد. اینورترها نقش به سزایی در سیستم های خورشیدی ایفا می کنند و سلول خورشیدی را به شبکه برق یا بار AC وصل میکنند.
اینورترهای چندسطحی مزایای عمده ای نسبت به اینورترهای معمولی دو سطحی، دارند که از جمله آن می توان به اعوجاج هارمونیکی پایین و تلقات پایین کلیدزنی اشاره کرد. از بین ساختارهای موجود برای اینورترهای چند سطحی، اینوترهای پل H در سیستمهای خورشیدی بیشتر مورد استفاده قرار میگیرد. این اینوتر در سیستم خورشیدی علاوه بر تبدیل ولتاژ DC به AC، وظیفه کنترل توان اکتیو و راکتیو شارشی به سمت شبکه را نیز برعهده دارد. در این مقاله یک اینورتر چند سطحی پل H آبشاری سه فاز با اتصال ستاره جهت کنترل شارش توان از سمت سلول خورشیدی به سمت شبکه طراحی و شبیهسازی شده است. نتایج حاصل موید کارایی روش پیشنهادی می باشد.
-1 مقدمه
رشد روز افزون بهره گیری از انرژیهای خورشیدی در سال های اخیر، انکار ناپذیر است. که در نتیجه آن به منظور اتصال منابع خورشیدی به شبکه برق یا بار های AC، بهره گیری از ادوات الکترونیک قدرت، اجتناب ناپذیر شده است. علاوه براین، مبدل ها با بهره گیری از روش کنترلی مناسب به منظور استحصال حداکثر توان از سیستم خورشیدی کاربرد دارند.[1] در این راستا، از دیرباز تلاش های زیادی با هدف ارائه ساختار های نو از مبدل ها و توسعه روش های کنترلی انجام شده است. یکی از مباحثی که علاقمندی زیادی را به خود جلب کرده، ارائه راهکارهایی به منظور ردیابی نقطه حداکثر توان سلولهای خورشیدی است.
در مرجع [2] بهبود یافته روش تغییر و مشاهده پیشنهاد شده است. این روش به منظور یافتن ولتاژ بهینه، ولتاژ کاری سلول را بصورت پریودیک تغییر میدهد. از دیگر روش های پیشنهادی، به کنترل فاز و شبکه های عصبی می توان اشاره کرد که سرعت پاسخ بالاتری دارند ولی درعوض الگوریتم پیچیده تر شده است.
تولید ریپل های ولتاژ و توان در اثر کلیدزنی در مدارهای الکترونیک قدرت امری بدیهی است. روش پیشنهادی مرجع [4] با قبول این نکته که ریپل ها بسته به قرار داشتن نقطه کار سلول چپ یا راست نقطه کار بهینه رفتار معینی از خود نشان میدهند، با تشخیص رفتار محل نقطه کار، نقطه کار بهینه تعیین و به سمت آن هدایت میشود. روش هدایت افزایشی [ 5] با استفاده از علامت مشتق توان بر حسب ولتاژ نقطه کار محل نقطه کار را نسبت به نقطه کار بهینه تعیین و به سمت آن هدایت میکند.
غیر از موارد یاد شده در [6-7] روشهای دیگر تقریبی که در ازای انحراف جزئی از مقدار واقعی نقطه کار بهینه سیستم، سیستم کنترلی سادهتری پیشنهاد میکنند مطرح شدهاند. سیستم کنترلی ساده اغلب منجر به افزایش قابلیت اطمینان سیستم میگردد و بیشتر برای کاربردهای صنعتی و توان بالا که قابلیت اطمینان شرط اساسی است مورد استفاده قرار میگیرند. توجه باید داشت که تمام روشهای اشاره شده در این قسمت بعنوان روشهای ردیابی نقطه حداکثر توان، بر روی مبدل DC به DC که ما بین خروجی سلول و ورودی اینورتر قرار میگیرد پیادهسازی میشوند. ساختارهای مختلف اینورترها بطور عمده به صورت اینورترهای دو سطحی معمولی و اینورترهای چند سطحی میباشد
اینورترهای چند سطحی دارای تلفات کلیدزنی کمتر، محتوای هارمونیکی ولتاژ خروجی کمتر، کاربرد در ولتاژ و توان بالا و کنترل سادهتر در مقایسه با اینورترهای معمولی هستند .[9] از مهمترین ساختارهای اینورترهای چند سطحی، ساختار کلمپ نقطه خنثی، خازن شناور و اتصال آبشاری پل H میباشند. ساختار کلمپ نقطه خنثی دارای مشکل متعادلسازی ولتاژ خازنهای لینک DC است. بنابراین برای سطوح ولتاژ بیشتر از سه مناسب نیست. این عیب در ساختار خازن شناور برطرف شده است ولی هزینه مربوط به اینورترهای خازن شناور زیاد میباشد. اینورترهای اتصال آبشاری دارای بهترین عملکرد بوده و مناسب برای کاربرد سلولهای خورشیدی است
در [10] استفاده از شبکههای منبع امپدانسی جهت حذف مبدل DC به DC پیشنهاد شده است. در واقع وجود مبدل DC به DC موجب افزایش پیچیدگی و هزینه و کاهش قابلیت اطمینان سیستم میشود. لذا با جایگزینی شبکههای منبع امپدانسی و افزایش ولتاژ DC توسط آن، مبدل DC به DC حذف میشود. روشهای کنترلی مختلف ارائه شده به منظور کنترل شارش توان اکتیو و راکتیو در سیستمهای خورشیدی متصل به شبکه، عموما مبتنی بر تئوری توان لحظهای و حلقه قفل فاز - PLL - 1 میباشند
استفاده از بارهای غیرخطی، سبب ایجاد هارمونیکهای جریان در شبکه میشود. وجود چنین هارمونیکهایی باعث ایجاد تلفات اضافی در خطوط انتقال و کاهش ضریب توان میشود. همچنین میتواند منجر به ایجاد تشدید با خازنهای موجود در شبکه شود.
در [12] یک روش کنترلی جدید برای اتصال سیستمهای فتوولتائیک به شبکه ارائه شده است. در این روش کنترلی، سیستم فتوولتائیک علاوهبر تزریق توان تولیدی توسط آرایههای خورشیدی به شبکه و همچنین جبران توان راکتیو مورد نیاز بار، هارمونیکهای جریان بار را جبران میکند. علاوهبر مراجع ذکر شده، مطالعات بسیاری در این حوزه صورت گرفته است.
عمده مطالعات در ارائه ساختار جدید برای اینورترها و روشهای کنترلی جدید برای اینورترها در کاربردهای خورشیدی متمرکز شده است. تحقیق حاضر نیز تلاشی در جهت مطالعه بر روی ساختار و ارائه روش کنترلی جدید برای اینورترهای متصل به شبکه جهت بهبود کارایی و رفع عیوب روشهای کنترلی موجود و کاربرد آن در سیستمهای خورشیدی است.
-2 اینورترهای چند سطحی برای کاربرد در سیستم خورشیدی
اینورترهای چند سطحی برای اولین بار در سال 1975 با تعداد سطوح ولتاژ خروجی سه ارائه شد. در مقایسه با اینورترهای دو سطحی معمولی، اینورترهای چند سطحی دارای اعوجاج هارمونیکی کل - THD - 2 کم، استرس ولتاژ پایین، ولتاژ مد مشترک کم و تلفات کم میباشند. با کاهش THD ولتاژ خروجی، ملزومات مربوط به فیلتر خروجی اینورتر مثل اندازه، هزینه و توان آن نیز پایین خواهد بود .[13] اینورتر پل H آبشاری - CHB - یکی از ساختارهای پرکاربرد در سیستمهای PV است.
در مقایسه با ساختار اینورتر NPC، اینورتر CHB دارای ساختار ماژولار میباشد که موجب میشود تا از این ساختار برای تولید سطوح ولتاژ زیاد برای اتصال به شبکههای ولتاژ بالا استفاده شود. از طرف دیگر ترمینالهای DC مستقل ورودی، امکان اتصال آرایههای خورشیدی مختلف با سیستم MPPT مستقل را فراهم میکنند. اینورتر CHB بدون نیاز به ترانسفورماتور، بطور مستقیم به شبکه ولتاژ متوسط متصل میشود .[ 14] اینورترهای CHB در ولتاژهای متوسط توان بالا بیشتر مورد توجه قرار گرفتهاند. در این نوع اینورترها از اینورترهای تمام پل تکفاز بصورت رشتههای سری با منابع ولتاژ DC مجزا جهت ایجاد سطوح ولتاژ فاز استفاده میشود. خروجی هر مبدل H دارای سه سطح است که در نتیجه شکل موجهای پلههای متوالی به هم پیوسته نزدیک به شکل موج سینوسی خواهد بود.
-3 ردیابی نقطه حداکثر توان
ولتاژ و جریان خروجی PV تابعی غیرخطی از دمای پنل، تابش دریافتی و وضعیت بارپذیری است. نقطه حداکثر توان در شرایط مختلف تغییر پذیر است. به دنبال تغییر در تابش و دما، موقعیت MPPT نیز تغییر کرده و به مکان جدیدی حرکت میکند. بنابراین بایستی الگوریتم کنترلی مناسبی برای دنبالکردن نقطهی حداکثر توان داشته باشیم تا هر لحظه، بازدهی سلول و خروجی توان آن، در بالاترین مقدار خود باشند. الگوریتم های متفاوتی رای ردیابی نقطه حداکثر توان پیشنهاد شده است. در این بین روش P&O بدلیل سادگی اجرا، عدم وابستگی به پارامترهای آرایه PV بیشتر مورد توجه قرار گرفته اند.
همچنین کنترلرهای فازی و عصبی نیز به دلیل توانایی کار با ورودیهای غیر دقیق و عدم نیاز به مدل ریاضی دقیق سیستم و عملکرد مناسب در کاربردهای غیرخطی، برای استفاده در ردیابی نقطه حداکثر توان سلولهای خورشیدی مناسب است. اما این کنترلرها بدلیل پیچیدگی اجرا کمتر مورد استفاده قرار گرفته اند. الگوریتم P&O به دلیل سادگی اجرا در صنعت بیشتر از سایر روشها مورد استفاده قرار گرفته است. اما این روش در ردیابی نقطه حداکثر توان در تغییرات سریع تابش ناتوان است و بازده پایینی دارد. روش هدایت افزایشی بر پایه شیب منحنی توان- ولتاژ استوار است و مشکل ردیابی در تغییرات سریع را تا حدودی حل کرده است
-4 مطالعات شبیه سازی و ارائه نتایج
با توجه به ماهیت طبیعی تابش نور خورشید و دمای محیط، توان خروجی سیستمهای خورشیدی نسبت به ولتاژ خروجی بصورت یک منحنی خواهد بود که در یک ولتاژ بخصوص - Vmpp - توان خروجی حداکثر را بدست میدهد. روشهای مختلفی برای دستیابی به این ولتاژ ارائه شده است که از بین روشهای موجود و ارائه شده، روش P&O با توجه به ساختار ساده و قابلیت پیاده سازی آن بیشتر مورد استفاده قرار میگیرد. از طرف دیگر با توجه به اینکه ولتاژ خروجی سیستمهای خورشیدی پایین میباشد، لذا از یک مبدل DC-DC مابین خروجی سیستم خورشیدی و ورودی اینورتر استفاده میکنند.
این مبدل علاوه بر افزایش سطح ولتاژ خروجی سیستم خورشیدی، ولتاژ متناظر با توان حداکثر را نیز ردیابی میکند. در مقالات متعدد، مدلهای مختلفی از سلولهای خورشیدی معرفی شده است. اما آنچه که بیشتر مورد استفاده قرار میگیرد، مدل تک دیودی میباشد. در این مدل یک منبع جریان با یک دیود به صورت موازی هم قرار دارد که این مجموعه با یک مقاومت به صورت سری قرار گرفتهاند. شکل - 1 - مدل سلول خورشیدی را نشان میدهد.
