بخشی از مقاله
چکیده: در این مقاله یک سیستم فتوولتاییک – باتري متصل به شبکه بر مبناي اینورتر -Source نامتقارن به عنوان مبدل الکترونیک قدرت واسط معرفی میشود. به دلیل استفاده از باتري در کنار سیستم فتوولتاییک، توان تزریق شده به شبکه کنترل پذیر میباشد که منجر به افزایش پایداري و کاهش تلفات در سیستم قدرت میشود. در این سیستم، باتري با جذب و یا تولید توان الکتریکی، بین توان تولید شده در سیستم فتوولتاییک و توان تزریق شده به شبکه تعادل ایجاد میکند. به این منظور در این مقاله کنترل کنندههاي مناسب براي سیستم فتوولتاییک-باتري معرفی میشود.
در سیستم کنترل معرفی شده، ولتاژ سیستم فتوولتاییک از طریق تنظیم بازه هاي اتصال کوتاه ساقهاي اینورتر کنترل می-شود. همچنین توان تزریق شده به شبکه با استفاده از جریان تزریق شده به شبکه و تنظیم ضریب مدولاسیون اینورتر کنترل میشود . براي طراحی سیستم کنترل براي کنترل ولتاژ سیستم فتوولتاییک بر روي مقدار مرجع آن و تنظیم توان ارسالی به شبکه، از مدل دینامیکی شبکه امپدانسی -Source استفاده میشود. به این منظور از معادلات حالت متوسط و خطی شده شبکه امپدانسی حول یک نقطه کار مشخص استفاده میشود. عملکرد سیستم معرفی شده توسط شبیه سازي در محیط MATLAB/Simulink استفاده میشود.
-1 مقدمه
اینورترهاي مبتنی بر مدولاسیون پهناي باند١ در کاربردهاي بسیاري از قبیل اتصال منابع تولید انرژي تجدید پذیر مانند سیستم فتوولتاییک و توربینهاي بادي به شبکه، کنترل پیل سوختی ، کنترل ماشینهاي AC، منابع تولید پراکنده و غیره براي تبدیل ولتاژ DC به AC استفاده میشوند. در حال حاضر اینورتر منبع ولتاژ٢ - VSI - مرسوم ترین اینورتر مورد استفاده براي تبدیل ولتاژ DC به AC و بالعکس میباشد. با این وجود این اینورتر تنها یک اینورتر کاهنده از سمت DC به AC میباشد و در کاربردهایی که در آن نیاز به سطح ولتاژ بالاتري در سمت AC باشد قابل استفاده نمیباشد.
همچنین این نوع اینورتر نسبت به نویز و تداخلات الکترومغناطیس٣ - EMI - حساس میباشد و در آن روشن شدن ناخواسته و همزمان هر دو سوییچ بالا و پایین فازهاي اینورتر منجر به از بین رفتن سوییچها میشود. اینورتر Z-Source که در [1] معرفی شده است یک اینورتر یک طبقه افزاینده-کاهنده میباشد. در این نوع اینورتر از هیچ مبدل DC/DC اضافی براي افزایش سطح ولتاژ منبع DC استفاده نشده است و قابلیت افزایندگی ولتاژ از طریق قرار دادن یک شبکه امپدانسی بین منبع DC و اینورتر به دست آمده است.
در این ساختار با اختصاص بازههاي اتصال کوتاه براي ساقهاي اینورتر در الگوریتم مدولاسیون، ولتاژ منبع DC افزایش پیدا میکند. همان طور که گفته شد افزایش سطح ولتاژ در این نوع اینورتر با استفاده از اتصال کوتاه شدن ساقهاي اینورتر که در اینورتر منبع ولتاژ مجاز نبود صورت می-پذیرد، بنابراین این نوع اینورتر به تداخلات الکترومغناطیس حساس نمیباشد.
با توجه به ساختار یک طبقه اینورتر Z-source براي افزایش سطح ولتاژ و تبدیل ولتاژ اینورتر، ضریب مدولاسیون و ضریب اتصال کوتاه شدگی اینورتر به یکدیگر وابسته میباشند و همدیگر را در یک مقدار بالایی محدود میسازند. براي کاهش استرس ولتاژ وارد بر سوییچهاي اینورتر همواره سعی میشود تبدیل ولتاژ با بیشترین ضریب مدولاسیون و کمترین ضریب اتصال کوتاه شدگی انجام شود، به این منظور روشهاي کنترل حداکثر افزایندگی٤ - MBC - و حداکثر افزایندگی ثابت٥ - MCBC - در [3],[2] معرفی شده است.
علاوه بر روشهاي کنترل سوییچینگ براي کاهش استرس ولتاژ وارد بر سوییچها، ساختارهاي پیشرفته تري از اینورتر Z-source با گین ولتاژ بالاتر معرفی شده است. در [4] ساختار اینورتر Switched inductor معرفی شده است که در آن از 6 دیود اضافی در شبکه امپدانسی براي افزایش گین ولتاژ استفاده شده است. در [5] ساختارهاي Trans Z-source inverters معرفی شدهاند که در آن از یک ترانسفورمر فرکانس بالا در سمت شبکه امپدانسی استفاده شده است. در [6] ساختارهاي Extended boost معرفی شده اند که از تعداد بیشتر المان در سمت DC براي افزایش گین ولتاژ استفاده شده است.
براي کنترل اینورترهاي Z-source از مدل دینامیکی این نوع اینورترها استفاده میشود. در مراجع [7] و [8] از روش ماتریس حالت متوسط براي مدلسازي دینامیکی شبکه امپدانسی استفاده شده است. در [9] یک سیستم کنترل دو حلفه اي بر اساس مدل به دست آمده از سیستم طراحی شده است. در [10] یک اینورتر Quasi Z-source براي استفاده در سیستمهاي تولید پراکنده٦ مدلسازي و کنترل شده است.
اینورتر -Source نامتقارن که اخیرا در [11] معرفی شده است یک اینورتر یک طبقه با گین ولتاژ بالا و مبتنی بر ترلنسفورمر فرکانس بالا در شبکه امپدانسی میباشد. در این نوع ساختار گین ولتاژ بالا با نسبت دور پایین تر در مقایسه با ساختارهاي معرفی شده در [6] ,[5] به دست میآید. کاهش نسبت دور ترانس منجر به کاهش حجم ترانس و نتیجتا کاهش حجم و قیمت مبدل و همچنین کاهش استرس جریان وارد بر سوییچهاي اینورتر میشود. ضمنا، این اینورتر از دو پرت DC کنترل پذیر در سمت شبکه امپدانسی برخوردار میباشد که آن را براي استفاده در سیستمهاي ترکیبی متشکل از دو منبع توان مناسب می-کند.
با این وجود تاکنون از این نوع مبدل در سیستمهاي ترکیبی با دو منبع ورودي استفاده نشده است. همچنین در تحقیقات انجام شده، این نوع اینورتر به صورت دینامیکی مدل نشده و کنترل کنندههاي مناسب براي آن طراحی نشده است. در این مقاله یک سیستم فتوولتاییک متصل به باتري بر مبناي اینورتر -Source نامتقارن براي تحویل توان کنترل شده به شبکه معرفی میشود.
در این سیستم، باتري و سیستم فتوولتاییک در یک ساختار یک طبقه و بدون هیچ مبدل DC/DC اضافه به یکدیگر متصل میشوند. وجود باتري به سیستم فتوولتاییک، قابلیت تزریق توان کنترل شده به شبکه میدهد. تزریق توان کنترل شده به شبکه منجر به افزایش پایداري شبکه، کاهش تلفات و مدیریت توان در شبکههاي با منابع انرژي تجدیدپذیر فراوان میشود.
براي ایجاد سیستم ترکیبی فتوولتاییک-باتري، در این مقاله یک سیستم کنترلی براي اینورتر -Source نامتقارن معرفی میشود. در این سیستم کنترل، از ضریب اتصال کوتاه شدگی اینورتر براي تنظیم ولتاژ سیستم فتوولتاییک استفاده میشود. همچنین توان تزریقی به شبکه از طریق تنظیم جریان اینورتر و ضریب مدولاسیون کنترل می-شود.
براي طراحی کنترل کنندهها، مدل دینامیکی اینورتر -Source نامتقارن با استفاده از روش ماتریس حالت متوسط به دست میآید. همچنین با توجه به وجود ولتاژ سه فاز متعادل در سمت شبکه، از قاب مرجع سنکرون براي کنترل متغیرهاي سمت AC استفاده شده است. عملکرد سیستم کنترل معرفی شده در این مقاله توسط شبیه سازي در محیط MATLAB/Simulink تایید میشود..
-2 مدل دینامیکی اینورتر -Source نامتقارن متصل به باتري و سیستم فتوولتاییک
فرکانس بالا در شبکه امپدانسی استفاده شده است. براي بررسی عملکرد این نوع اینورتر از مدار معادل آن در دو حالت اتصال کوتاه شدگی و غیر اتصال کوتاه شدگی که به ترتیب در شکلهاي a - 2 - و - 2 - b نشان داده شده اند استفاده میشود. در این شکل جریان بار توسط منبع جریان - io - مدل شده است و از سوییچ S براي مدلسازي عملکرد سوییچینگ اینورتر استفاده شده است.
در حالت اتصال شدگی سوییچ S روشن شده و خروجی اینورتر را اتصال کوتاه میکند. در این حالت انرژي ذخیره شده در خازنها و منبع در ترانسفورمر ذخیره میشود. همچنین در این حالت دیود D در حالت بایاس معکوس قرار میگیرد. در حالت غیر اتصال کوتاه شدگی سوییچ S خاموش شده و جریان بار از شبکه امپدانسی تامین میشود.
در این حالت انرژي ذخیره شده در ترانسفورمر در خازنها تخلیه میشود و منجر به افزایش سطح ولتاژ منبع DC میشود. در این حالت دیود D در شبکه امپدانسی در حالت بایاس مستقیم قرار میگیرد.در حالت اتصال کوتاه شدگی که در شکل a - 2 - نشان داده شده است، معادلات ولتاژ ترانس، خازنها و سلف به صورت زیر میباشند.
