بخشی از مقاله
چکیده
سیستم های فوتوولتائیک به سیستم هایی گفته می شوند که انرژی خورشیدی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند.ولتاژ خروجی سلول خورشیدی ثابت نیست و به عوامل مختلفی از جمله دمای سلول خورشیدی و میزان تابش نور خورشید بر سطح آن بستگی دارد،در نتیجه توان خروجی نیز با تغییر تابش و دما متغیر خواهد بود.از روی مشخصه ی توان بر حسب ولتاژ خروجی آرایه ها در هر تابش و دما، می توان دریافت که در نقطه ای از ولتاژ،توان به ماکزیمم مقدار خود - - Pmpp می رسد.با توجه به هزینه ی بالای ساخت آرایه های خورشیدی و به منظور افزایش راندمان و استفاده ی بهینه از سیستم های فوتوولتائیک،ردیابی نقطه ی حداکثر توان - 1 - MPPT نقش مهم و حیاتی دارد.
تا بحال روش ها و الگوریتم های متفاوتی مانند جریان اتصال کوتاه، ولتاژ مدار باز،شبکه های عصبی، آشفتن و مشاهده برای ردیابی ماکزیمم توان معرفی شده اندکه اکثرا نتوانسته اند مصالحه ی خوبی میان دقت و سرعت برقرار کنند.
در این مقاله روش های کنترل مد پیش بین - 2 - MPC و مد لغزشی 3 - SMC - برای ردیابی و استخراج بیشینه توان معرفی شده اند. نتایج حاصل نیز با مرسوم ترین روش MPPT که همان الگوریتم آشفتگی و مشاهده - 4 - P&O است، مقایسه شده اند که حکایت از دقت و سرعت بالای کنترل MPC نسبت به دو روش دیگر دارد.
-1 مقدمه
تولید انرژی و میزان دسترسی به آن از مسائل مهم و حیاتی همه ی جوامع و کشورهاست.با توجه به کاهش چشمگیر ذخایر سوخت های فسیلی مانند نفت، بالا بودن هزینه های اقتصادی لازم برای استخراج آنها و مشکلات زیست محیطی این منابع، انرژی های تجدید پذیر مانند نور خورشید،امواج دریا و باد بیشتر و بیشتر مورد توجه قرار قرار گرفته اند.انرژی خورشیدی بدلیل در دسترس بودن، سهولت در استفاده و پایین بودن هزینه های استخراج از جذاب ترین انرژی های نو بحساب می آید.
مشخصه ی خروجی آرایه ی فوتولتائیک غیر خطی است و توان خروجی آن به شدت تابش و دمای محیط بستگی دارد بطوری که با افزایش تابش و دما به ترتیب توان افزایش و کاهش می یابد و بالعکس.توان خروجی آرایه در هر تابش و دما، در نقطه ی خاصی از ولتاژ خروجی به بیشترین مقدار خود می رسد که این نقطه با تغییر تابش و دما متغیر خواهد بود. بنابراین جهت استفاده از حداکثر بازدهی آرایه ی خورشیدی و کاهش هزینه های اقتصادی،بایستی این نقطه ردیابی شود و سیستم در ماکزیمم توان خود به تعادل برسد.
در شکل1 بلوک دیاگرام کلی سیستم فوتوولتائیک نشان داده شده است.[1] مبدل بوست DC/DC وظیفه ی تطبیق توان ورودی بار را با ماکزیمم توان تولیدی پانل بر عهده دارد که این امر توسط واحد کنترلی و با تنظیم دوره ی کاری - کلید زنی - 5 مبدل میسر می شود.
شکل:1 بلوک دیاگرام کلی سیستم فوتوولتائیک
در سال های اخیر الگوریتم های مختلفی برای ردیابی ماکزیمم توان آرایه های خورشیدی طراحی و توسعه داده شده اند. تکنیک مورد استفاده در اکثر این روش ها بر اساس تنظیم دوره ی کاری مبدل است تا در هر تابش و دما، آرایه بیشترین توان را تولید کند.
روش جدول جست و جو6 که در مرجع[2]معرفی شده است، بر اساس اطلاعاتی چون پارامترها و منحنی های آرایه در شرایط جوی-مختلف، نقطه ی ماکزیمم توان را ردیابی می کند.
در تکنیک برازش منحنی[3]،مشخصات غیر خطی آرایه را با استفاده از تقریبات عددی و روابط ریاضی،مدلسازی می کنند.دو روش مذکور نیازمند حافظه های بسیار بالا برای ذخیره ی حجم بالایی از داده ها هستند،پس مقرون به صرفه نیستند و از طرفی به مرور زمان، دقت این روش ها با توجه به استهلاک آرایه کمتر خواهد شد.
در الگوریتم ولتاژ مدار باز7 در مرجع[4] رابطه ای خطی میان ولتاژ در نقطه ی ماکزیمم توان - - Vmpp و ولتاژ مدار باز آرایه تقریب زده می شود.در روش جریان اتصال کوتاه8 در مرجع[5] نیز میان Impp و جریان اتصال کوتاه Isc ، رابطه ای تقریب زده می شود.این دو روش ساده و مقرون به صرفه هستند ولی این دو الگوریتم آفلاین9 هستند بعبارت دیگر در مقابل تغییرات جوی پاسخگو نیستند.
روش آشفتگی و مشاهده بر اساس یک سری از محاسبات و الگوریتم های تکرار شونده و بوسیله ی اندازه گیری ولتاژ و جریان خروجی آرایه - Ipvو - Vpv ماکزیمم توان را پیوسته ردیابی می کند. عملکرد P&O به این صورت است که ابتدا توان خروجی آرایه با استفاده از اندازه گیری ولتاژ و جریان خروجی آن بدست می آید.در گام بعدی با ایجاد تغییر - اغتشاش - در جریان یا ولتاژ آرایه،تغییر توان خروجی نسبت به حالت قبل از ایجاد اغتشاش محاسبه می شود - - P اگرP مثبت باشد،توان افزایش یافته و به سمت نقطه ی بیشینه توان در حرکت هستیم و آشفتگی در همان جهت قبلی همچنان اعمال می شود و اگرP منفی شود، در حال دور شدن ازMPP هستیم و در نتیجه اغتشاش در جهت عکس اعمال خواهد شد. بدلیل سادگی این الگوریتم اکثر تکنیک-های کنترلی از این روش استفاده می کنند ولی مساله ی نوسان و لغزش حول نقطه ی ماکزیمم توان از معایب اصلی P&O می باشد که اجتناب-ناپذیر است
در مراجع9]و[10 روش رسانای افزایش یافته - INC - 10 معرفی شده است.این روش بر اساس تغییرات صفر توان آرایه بر حسب ولتاژ در نقطه ی ماکزیمم توان است.در این روش دقت و سرعت ردیابی نقطه ی ماکزیمم توان در مقابل تغییرات جوی نسبتا بهتر شده است.
الگوریتم کنترل فازی به مدل ریاضی دقیقی از سیستم نیاز ندارد و در مقابل تغییر پارامترها و بار مقاوم است و در مقوله ی ردیابی ماکزیمم توان، بخوبی پاسخگوست
در این مقاله دو روش کنترلی مد پیش بین - - MPC و مد لغزشی - SMC - برای ردیابی بیشترین توان آرایه ی فوتوولتائیک معرفی شده اند و نتایج حاصل از شبیه سازی ها در محیط MATLAB بدست آمده و با الگوریتم P&O مقایسه شده اند که نتیجه ی این مقایسه، نشان دهنده ی سرعت و دقت بالای روش MPC نسبت به دو روش دیگر - مخصوصا - P&O است.
-2 توصیف سیستم
-1-2 مدلسازی سلول خورشیدی مدل های ریاضی مختلفی برای توصیف عملکرد و رفتار سلول
خورشیدی وجود دارند که این مدل ها در دقت و تعداد پارامترهای بکار برده شده، تفاوت دارند.در این مقاله از مدل تک دیودی مطابق شکل2 برای مدلسازی سلول خورشیدی استفاده شده است. مقاومت Rsh وRs برای مدل کردن تلفات بکار رفته اند که در حالت ایده آل Rsh بی نهایت و Rs صفر خواهند بود
شکل:2 مدار معادل سلول خورشیدی
در معادله ی q=1 , 6*10 -19 : - 2 - اندازه بار الکترون بر حسب کولن، A ضریب ایده آل،Ns تعداد سلول های خورشیدی بصورت سری،k=1,3806*10 -23 ثابت بولتزمن و Tj دمای آرایه بر حسب کلوین می باشند. در این مقاله از 72 سلول خورشیدی بصورت سری ساخت شرکت زیمنس - - Siemens SM110-24 استفاده شده است که مشخصات آن در جدول 1 داده شده است :
جدول :1 مشخصات آرایه ی خورشیدی بکار رفته در شبیه سازی ها
در شکل های 3 و 4 نمودار توان بر حسب ولتاژ - PpvBVpv - آرایه به ازای دما و تابش های متفاوت نشان داده شده اند.مطابق شکل 3 در دمای ثابت - - 28C، با افزایش تابش، توان افزایش می یابد و در تابش ثابت - - 850 W/m^2، با افزایش دما، توان کاهش پیدا می کند - شکل . - 4 بعبارت دیگر توان خروجی با تابش رابطه ی مستقیم و با دما رابطه ی عکس دارد.
شکل:3 توان خروجی آرایه خورشیدی در دمای ثابت و تابش های متفاوت
شکل:4 توان خروجی آرایه خورشیدی در تابش ثابت و دماهای متفاوت
-2-2 مبدل بوست:DC/DC
مبدل بوست براساس موقعیت کلید - - S دارای دو حالت کاری است، سپس به عنوان ورودی های مرجع به الگوریتم MPC داده می شوند و در این قسمت با پیش بینی ورودی های آینده و مینیمم کردن تابع هزینه11، دوره ی کاری مبدل بوست تنظیم و توان خروجی روی ماکزیمم مقدار ثابت می شود.
شکل :6 بلوک دیاگرام کلی الگوریتم MPC-MPPT
-1-3-2 الگوریتم رسانایی افزایشی - : - INC
روش INC بدلیل سرعت پاسخگویی بالا در مقابل تغییرات سریع جوی نسبت به سایر روش های ذکر شده، مورد استفاده قرار گرفته است. این الگوریتم بر این اساس استوار است که در نقطه ی ماکزیمم توان - - MPP، مشتق توان نسبت به ولتاژ صفر خواهد شد:
فلوچارت مربوط به INC در شکل7 نشان داده شده است که در آن k و k-1 زمان نمونه برداری مربوط به لحظات t وt-1 هستند.i* و V* نیز ورودی های مرجع کنترلر MPC می باشد.
شکل :5 مدار معادل مبدل بوست در دو حالت کاری - S=0و - S=1
روابط کلی حاکم بر مبدل بر اساس موقعیت کلید، بصورت زیر می باشد: - S ∈ {0,1} -
-3-2ردیابی ماکزیمم توان با کنترل مد پیش بین - : - MPC
روند کار کنترل مد پیش بین ارائه شده بدین صورت است که ابتدا مقادیر ولتاژ و جریان آرایه در نقطه ی ماکزیمم توان - Vmpp و - Impp توسط الگوریتم رسانای افزایشی - - INC محاسبه می شوند
