مقاله طراحی کنترلر PID به منظور افزایش توان نیروگاه های فتوولتائیک

بخشی از مقاله

خلاصه

فتوولتاییک، یکی از انواع سامانههای تولید برق از انرژی خورشیدی میباشد. در این روش با بکارگیری سلولهای خورشیدی، تولید مستقیم الکتریسیته از تابش خورشید امکانپذیر میشود. سلولهای خورشیدی از نوع نیمه رسانا میباشند که از سیلیسیوم یعنی دومین عنصر فراوان پوسته زمین ساخته میشوند.

وقتی نور خورشید به یک سلول فتوولتاییک میتابد، بین دو الکترود منفی و مثبت اختﻻف پتانسیل بروز کرده و این امر موجب جاری شدن جریان بین آنها میگردد حال از این موضوع می توان توان را ذخیره کرد. ردیابی نقطه توان بیشینه، الگوریتمی است تعبیه شده در کنترل کننده های شارژ که به منظور بدست آوردن بیشترین توان ممکن از ماژول فتوولتائیک در شرایط مشخص، مورد استفاده قرار می گیرد.

ولتاژی که در آن ماژول فتوولتائیک می تواند بیشترین توان را تولید کند، نقطه توان بیشینه نامیده می شود. توان بیشینه با تابش خورشید، دمای محیط و دمای سلول خورشیدی تغییر می کند. یکی از راه های رسیدن به نقطه توان بیشینه، استفاده از روش های کنترل هوشمند می باشد. در این مقاله با استفاده از روش های هوشمند و با طراحی یک کنترل کننده PID به ردیابی نقطه توان بیشینه در آرایه فتوولتائیک پرداخته شده است.

.1 مقدمه

عنصر اصلی فناوری فتوولتاییک، سلول خورشیدی است. سلولهای فتوولتاییک که عموم آن را با نام سلولهای خورشیدی میشناسند، از مواد نیمه رسانای حالت جامد تشکیل شدهاند. سیلیکون، عمومیترین ماده نیمه رسانا است که به واسطه فراوانی آن در سلولهای فتوولتاییک مورد استفاده قرار میگیرد. اگر چه سیلیکون عنصر فراوانی است و درصد زیادی از پوسته زمین را تشکیل میدهد، ولی سلولهای سیلیکونی به خاطر فرایند ساخت و خالص سازی سیلیکون، قیمت بالایی دارند.

سلولهای فتوولتائیک با استفاده از اشعه خورشید و سلولهای خورشیدی، و با ایجاد اختلاف فشار الکتریکی در نیمه هادیهایی که بطور مناسب ساخته شدهاند الکتریسیته تولید میشود. امروزه موثرترین و ارزان ترین سلولهای خورشیدی مادهای به نام سیلیسم میباشد. وقتی نور خورشید به یک سلول فتوولتائیک میتابد، به الکترونها در آن انرژی بیشتری میبخشد. امروزه بشر در اثر پیشرفت های علمی در زمینه های گوناگون نیاز روز افزونی به انرژی پیدا کرده است.

این امر او را بر آن داشته تا با روش های گوناگون انرژی مورد نیاز خود را کسب کند. در عین حال اساسی ترین مشکلی که در تولید انرژی به روش های سنتی وجود دارد آلودگی های زیست محیطی و پایان یافتن منابع این انرژی هاست . بنابراین روی آوردن بشر به منابع انرژی جدیدی که هم تا حدی پایان ناپذیر باشند و هم اینکه باعث آلودگی هوا نشوند امری اجتناب ناپذیر است. یکی از انرژی هایی که طی سال ها مورد توجه بشر قرار گرفته انرژی بی پایان خورشید است

برای حداکثر بهره وری از سیستم خورشیدی، باید سیستمی داشته باشیم که صفحات فتوولتائیکی را در سمت نور مستقیم خورشید قرار دهد به این سیستم ردیاب خورشید می گویند. همچنین باید سیستم الکتریکی داشت که بتواند خروجی صفحات فتوولتائیکی را در نقطه کار مناسب که حداکثر توان انتقالی را داشته باشد قرار دهد.برای قرار دادن صفحات خورشیدی در نقطه حداکثر توان مشکلاتی وجود دارد و آن غیر خطی بودن مشخصه خروجی سلول خورشیدی و همچنین تغییر پذیر بودن این مشخصه نسبت به تابش نور و دماست. از این رو باید سیستمی برای کنترل سلولهای فتوولتائیک در نظر گرفته که علاوه بر قرار دادن سلول در بهترین نقطه کار، در صورت تغییر این نقطه به واسطه شرایط آب و هوایی بتواند ردیابی مستمر نقطه حداکثر توان انتقالی سیستم را به سرعت یافته و سلول فتوولتائیک را در نقطه بهینه قرار دهد. این نوع یافتن و ردیابی مستمر را ردیابی نقطه توان بیشینه می گویند.

قاعده اساسی در ردیابی نقطه توان بیشینه، استخراج توان بیشینه از ماژول فتوولتائیک با تنظیم نقطه کار آن در ولتاژ مناسب است به این مفهوم که MPPT ، خروجی ماژول فتوولتائیک را با ولتاژ باتری مقایسه، آنگاه بهترین توانی را که ماژول می تواند، برای شارژ باتری تولید کند. بنابراین برای عملکرد بهینه ماژول و راندمان بالای آن، کنترل سلول فتوولتائیک به منظور دستیابی به توان ماکزیمم از اهمیت بالایی برخوردار می باشد. ردیابی نقطه توان بیشینه توسط روش های مختلفی انجام شده است. الگوریتم ولتاژ ثابت مبتنی بر این واقعیت است که ولتاژ نقطه توان بیشینه با تغییرات تابش تنها مقدار کمی تغییر می کند. عیب این روش تلفات انرژی است زمانی که بار روی شبکه نباشد

روش آشفته سازی و نظارت معمول ترین روش ردیابی ولتاژ نقطه بیشینه - VMP - و مبتنی بر آشفته سازی ولتاژ کاری آرایه و مشاهده dP/dt است. جهت مشتق نشان دهنده بیش از حد بالا یا پایین بودن ولتاژ است و این که برای رسیدن به VMP و صفر شدن dP/dt باید ولتاژ کم یا زیاد شود

در تکنیک بالا رفتن از تپه با آشفته سازی نسبت وظیفه - duty - ratio مبدل توان، جریان و در پی آن ولتاژ آرایه آشفته می شود و مشابه بالا، dP/dt مشاهده می شود. تکنیک های فوق در شرایط تغییرات سریع جوی مناسب نیستند .[4] در روش ظرفیت خازنی پارازیتی در هر سلول یک ظرفیت خازنی پارازیتی وجود دارد که برای تعیین نقطه توان بیشینه بکار میرود. این تکنیک ریپل کلیدزنی را برای آشفته سازی آرایه بکار می برد

در روش کنترل همبستگی ریپل با اتصال یک آرایه فتوولتائیک به مبدل قدرت، عمل کلید زنی مبدل باعث ایجاد ریپل در ولتاژ و جریان می شود. در نتیجه توان آرایه هم تحت تاثیر ریپل قرار می گیرد .[6] در طول دهه گذشته میکرو کنترلرها باعث شده اند استفاده از کنترل مبتنی بر منطق فازی برای MPPT محبوبیت روز افزونی پیدا کند. در این روش E و E معمولاً ورودی های کنترلر می باشند و خروجی آن، D یا تغییرات سیکل کاری مبدل قدرت است

.2 معرفی سیستم فتوولتائیک و اصول عملکرد آن

یک سلول خورشیدی ایده آل، بصورت یک منبع جریان موازی با یک دیود مدل می شود . اما هیچ سلول خورشیدی به صورت ایده آل وجود ندارد . بنابراین برای مدل کردن یک سلول خورشیدی، علاوه بر منبع جریان و دیود، مقاومت های سری و موازی به مدل اضافه می گردد. ردیابی نقطه حداکثر توان، یک روش برای به حداکثر رساندن توان سیستمهای فتوولتائیک است. سیستمهای فتوولتاییک به صورتهای گوناگون مورد استفاده قرار میگیرد. در معمولترین کاربرد، توانی که توسط پنلهای خورشیدی تولید میشود توسط اینورتربه جریان متناوب تبدیل شده و مستقیماً به شبکه برق سراسری وصل میشود. سیستم های فتوولتائیک به دلیل متغیر بودن توان خروجی راندمان پایینی دارند الگوریتم های تعقیب نقطه توان ماکزیمم نقش مهمی در بهینه سازی راندمان خورشیدی در این سیستم ها ایفا می کنند.

با روش های بهینه سازی ولتاژخروجی آرایه PV می توان راندمان سیستم PV را بهبود بخشید. همچنین با معرفی مدل بهبود یافته ای از یک سلول سیلیکونی نمونه به منظور تعقیب بهینه توان ماکزیمم در هر شرایط جوی از الگوریتم بهینه سازی استفاده نمود. به این صورت که با استفاده از داده های بهینه شده توسط الگوریتم بهینه سازی مانند فازی، عصبی، ژنتیک و .... آموزش داده شده است نتایج بدست آمده ازاین روش ها بیانگر دقت و سرعت بالای روش پیشنهادی درتعقیب بهینه توان ماکزیمم و همچنین افزایش راندمان ارایه PV است. سیستم فتوولتائیک با ردیابی نقطه ماکزیمم توان توسط کنترل کننده به صورت زیر می باشد:

شکل -1 سیستم فتوولتائیک با کنترل کننده

.3 طراحی کنترل کننده فازی نوع-2

سیستم فازی طراحی شده دارای دو ورودی و سه خروجی می باشد . ورودی ها خطا و تغییرات خطا و خروجی ها، تغییرات پارامترهای کنترلر - KP, K I, KD - می باشند. مجموعه های ورودی و خروجی را به هفت زیر مجموعه به صورت زیر تجزیه شده است:
{NB , NM, NS, Z , PS, PM, PB}

این زیر مجموعه ها نشان دهنده کلمات زیر می باشند:

Negative Big, Negative Middle, Negative Small, Zero, Positive Small, Positive Middle, Positive Big×

بازه عددی متغیرهای مربوط به ورودی و خروجی های سیستم به صورت زیر در نظر گرفته شده است.
3}، 2، 1، 0، -1 ، -2 ، {-3

جدول قوانین فازی نوع-2 برای سه پارامتر کنترل کننده به صورت زیر می باشد.

جدول -1 جدول قوانین KP