بخشی از مقاله
چکیده - با افزایش سهم تولیدات پراکنده در تامین توان مورد نیاز مصرف کنندگان، تلاش ها برای بهبود کیفیت توان تولیدی این واحدها نیز شتاب گرفته است. پیشرفت ها در حوزه الکترونیک قدرت اگرچه در افزایش بازده و بهره وری برخی از این منابع مثل سیستمهای فتوولتاییک موثر بوده، اما بهره برداران از این سیستمها را با چالشهایی مثل افزایش هارمونیکهای موجود در شبکه و کاهش کیفیت توان مواجه کرده است.
در این مقاله ضمن شبیه سازی کامل یک سیستم فتوولتایک، فیلتری برای آن طراحی خواهیم کرد تا به کمک آن بتوان شاخص مجموع اعوجاجات هارمونیکی THD را به حداقل رساند و کیفیت توان تولیدی توسط آرایه های خورشیدی را بهبود داد. نتایج شبیه سازی در محیط نرم افزار MATLAB/Simulink موید کارآیی فیلتر طراحی شده و اثرگذاری مثبت آن است.
-1 مقدمه
امروزه یکی از مهمترین وظایف مهندسان قدرت تولید انرژی الکتریکی از منابع تجدید پذیر است. افزایش تقاضا از یک سو وکاهش شدید منابع انرژی از سوی دیگر ایده استفاده از منابع نو در تامین توان را جذاب و قابل تامل کرده است. استفاده از این نوع منابع انرژی باعث ارتقای سطح زندگی و کاهش آلودگیهای زیست محیطی می شود چرا که این اکثر منابع تقریبا عاری از آلایندگی هستند. پیشرفتهای اخیر در تکنولوژی منابع تجدیدپذیر باعث افزایش گرایش به واحدهای تولید پراکنده شده است.
اما به موازات افزایش استفاده از این منابع مشکلاتی از قبیل نیاز به تجدید ساختار شبکه، کاهش قابلیت سیستم و کاهش کیفیت توان به دلیل افزایش میزان هارمونیکها پدیدار شده است. در سیستمهای فتوولتاییک به عنوان یکی از فراگیرترین منابع تولید پراکنده به واسطه حضور مبدلهای الکترونیک قدرتی که برای اتصال سیستم به شبکه استفاده می گردد، توان خروجی حاوی مقدار زیادی مولفه های هارمونیکی است که باید به نحوی کاهش یابند.
تا کنون مطالعات متعددی در زمینه حذف هارمونیک تولیدی مبدلهای سیستم فتوولتاییک صورت گرفته است. یکی از روشهای پرکاربرد برای کاهش هارمونیکهای تولیدی، استفاده از مبدلهای چند طبقه است که باعث کاهش فرکانس کلیدزنی، کاهش THD و کاهش dV/dt می گردد.[3-1] در برخی مقالات با تغییر در ساختار و استفاده از مبدلهای متنوع به کار رفته در سیستم فتوولتاییک تلاش شده تا اعوجاجات هارمونیکی حداقل شوند.
در[4] مبدل با نقطه خنثی متصل - Neutral Point - Clamped معرفی و استفاده شده است. همچنین در [5] و [6] به ترتیب از کانورترهای آبشاری پل - Cascaded H bridge - H و توپولوژی خازن پرنده - - Flying CAPACITOR استفاده شده است. برای دستیابی به یک ولتاژ خروجی سینوسی روشهای مدولاسیون متعددی نیز به کار می روند.
روشهای فرکانس بالا مثل مدولاسیون پهنای پالس سینوسی [8-7]، مدولاسیون بردارهای فضایی[9] همراه با یک فیلتر کوچک برای کاهش هارمونیکهای ناشی از کلیدزنی از جمله این روشهای مدولاسیون هستند. در این مقاله برای کاهش میزان هارمونیکهای تولیدی در مبدلهای سیستم فتوولتاییک فیلتری پسیو طراحی می شود تا به کمک آن ولتاژ خروجی سینوسی و دارای حداقل THD باشد.
-2 سیستم فتوولتاییک
انرژی خورشیدی یکی از انرژی های پاک و تجدید پذیر است، سیستمهای فتو ولتائیک مستقیماً انرژی اشعه خورشید را به برق تبدیل می کنند . عکس العملهای هسته ای در خورشید انرژی عظیمی معادل - - 389 × 1024 W را آزاد می کنند که کسر کوچکی ازآن - - 1370 w/m2 در سطح زمین دریافت می گردد. خروجی سیستمهای PV به شدت تحت تاثیر عواملی مثل شرایط جوی ، مکان جغرافیایی ، فصول سال و ... است .
از آنجا که ولتاژ خروجی هر سلول الکتریکی پایین است تعداد زیادی از آن ها باید بصورت سری به هم متصل شوند تا ولتاژ خروجی مطلوب حاصل شود . خروجی سیستمهای PV ، DC بوده و لذا برای استفاده باید از مبدلهای الکترونیک قدرت جهت تبدیل به AC استفاده شود . شکل - 1 - چگونگی تولید و اتصال یک سیستم فتوولتاییک به شبکه را نشان می دهد.
به دلیل استفاده از سوییچهای الکترونیک قدرت IGBT در ساختار اینورتر و استفاده از مدولاسیون پهنای پالس ولتاژ خروجی اینورتر دارای نویز و هارمونیک است که به شبکه متصل می شود .هدف اصلی انجام این پژوهش کاهش این هارمونیکهاست برای اینکار فیلتری در بخش بعد طراحی و مطابق شکل - 3 - به کار گرفته می شود. استفاده از پنل های فتوولتائیک در کشورهای پیشرفته به سرعت رو به گسترش است.
استفاده از انرژی خورشیدی که یکی از اشکال انرژی موسوم به " سبز" است از سوی طرفداران محیط زیست پشتیبانی می شود. علت این استقبال را باید در ویژگیهای انرژی خورشیدی جست، سیستمهای فتوولتائیک از لحاظ سایز و مکان قرار گیری بسیار انعطاف پذیر هستند . سادگی بکارگیری، عدم وجود قسمت های متحرک، هزینه سرویس و نگهداری بسیار پایین ، تشعشعات کم و قابل چشم پوشی و نسبت بالای توان خروجی به وزن از ویژگی های سیستم های فتو لتائیک است. ولتاژ خروجی سلولهای خورشیدی DC است.بلوک دیاگ شکل - 2 - چگونگی تولید ولتاژ DC و تبدیل آن به به یک ولتاژ AC نشان می دهد. ولتاژتولید شده در سلولهای خورشیدی ابتدا در کانورتر DC/DC تقویت و سپس در اینورتر DC/AC به یک ولتاژ AC تبدیل و به شبکه متصل می گردد.
-3 فیلتر غیر فعال
استفاده از فیلترهای غیر فعال است از روش های اصلی حذف هارمونیک ها در سیستم های فتوولتائیک متصل به شبکه می باشد در این بخش ، مراحل طراحی این نوع فیلترها که متداولترین روش حذف هارمونیکها می باشند ، مورد توجه قرار خواهد گرفت. هدف اولیه از طراحی یک فیلتر غیرفعال ، کاهش دامنه پیک یا چند مؤلفه هارمونیکی ولتاژ و یا جریان است.
چنانچه تنها مقصود از طراحی این فیلتر پیشگیری از نفوذ یک مؤلفه فرکانسی خاص به قسمت هایی از شبکه قدرت باشد ، می توان از فیلتر نوع سری استفاده نمود که از ترکیب موازی یک خازن و سلف به دست آمده و در برابر فرکانس های مربوطه امپدانس بزرگی را از خود نشان می دهد. در مورد مبدل های استاتیکی و اینورترها می توان از این روش استفاده کرد زیرا این تجهیزات برای عملکرد عادی خودناگریز به تولید شکل موج های غیرسینوسی و به تبع آن هارمونیک می باشند. دراین حالت می توان با ایجاد مسیرهای موازی و در عین حال با امپدانس کم برای فرکانس های مورد نظر ، هارمونیک را به این مسیر هدایت کرده واز نفوذ آنها در سایر نقاط سیستم پیشگیری کرد.
جهت به حداقل رساندن دامنه ولتاژ ها و جریان های هارمونیکی در سیستم AC می توان از ترکیب فیلتر های سری و موازی نیز استفاده نمود ولی باید هزینه زیادی را صرف این کار کرد. به منظور تبعیت از محدوده های مجاز تعیین شده توسط استانداردهاه ، طراحی فیلتر در سه مرحله به صورت زیر انجام می گیرد : جریان های هارمونیکی تولید شده در فرکانس های مورد نظر در شبکه ای تزریق می شوند که فیلترهای طراحی شده در محل موردنظر به موازات کل سیستم قرار گرفته اند.
از نتایج محاسبات مرحله قبل استفاده کرده و ضریب های اعوجاج ولتاژ محاسبه می گردند. جریان های عبوری و ولتاژ هر یک از المان های فیلتر محاسبه شده و با مقادیر نامی آنها مقایسه می گردند. اگر در هر یک از مراحل سه گانه یا حدود مجاز رعایت نشوند ، باید طراحی فیلتر با پارامترهای جدید مجدداً تکرار گردد. در حقیقت این نوع فیلترها برای مولفه جریان هارمونیکی مربوطه یک مسیربا امپدانس کوچک ایجاد کرده و با به تله انداختن مولفه / مولفه های مذکور ، از نفوذ آنها به سایر قسمت های شبکه جلوگیری می نماید. در کنار این نوع فیلترها ، معمولاً فیلتر بالاگذر نیز مورد استفاده قرار می گیرد که در برابر کلیه مولفه های هارمونیکی با فرکانس بیش از فرکانس قطع ، امپدانس کوچکی از خود نشان می دهد و مانع نفوذ آنها به شبکه می شود.
