بخشی از مقاله
چکیده
کاهش جریان نشتی و حذف هارمونیک های زائد خروجی دو فاکتور اساسی در اینورتر سیستم های فتوولتائیک می باشد. در گذشته ، اینورترهای PV بدون ترانسفورمر مختلفی ساخته شده اند که توسط تکنیک هایی همچون ایزولاسیون سازی الکتریکی و کلمپ کردن ولتاژ مود مشترک ، جریان نشتی آن ها بهینه شده است. از آنجایی که تنها به وسیله ی جداسازی الکتریکی و تکنیک های مدولاسیون نمی توان جریان نشتی را در حد مطلوب کاهش داد ، بنابراین تکنیک کلمپ کردن ولتاژ مود مشترک نیز به برخی از توپولوژی های نسل جدید اضافه شده است. در این مقاله ، چند توپولوژی اینورتر بدون ترانسفورمر با روش های مختلف جداسازی الکتریکی و تکنیک های مختلف کلمپ کردن ولتاژ مود مشترک آنالیز و مقایسه شده است .
سپس یک توپولوژی پیشنهادی با شاخه های کلمپ کامل به همراه فیلتر کارآمد LLCL به منظور ترکیب مزایای روش جداسازی ac و کلمپ کامل ولتاژ مود مشترک جهت مهار کامل جریان نشتی ، و همچنین کاهش مطلوب هارمونیک های فرکانس بالا در جریان خروجی پیشنهاد شده است. کارآیی توپولوژی های مختلف از نقطه نظرهایی چون ولتاژ مود مشترک ، جریان نشتی و اعوجاج هارمونیکی کل - THD - در خروجی توسط شبیه سازی با نرم افزار PSIM9.1 مقایسه و آنالیز شده است. این مقاله برای محققان جهت انتخاب درست توپولوژی و اصول طراحی برای کاربردهای فتوولتائیک بدون ترانسفورمر بسیار مفید می باشد.
واژه های کلیدی:سیستم های فتوولتائیک بدون ترانسفورمر ، جریان نشتی ، فیلتر مرتبه بالای رزونانسی LLCL ، هارمونیک های فرکانس بالا ، اعوجاج هارمونیکی کل - THD -
-1 مقدمه :
امروزه به خاطر رشد سریع صنعت و افزایش زیاد جمعیت ، میزان مصرف انرژی بسیار افزایش یافته است. از این رو انرژی های تجدید پذیر جهت جایگزینی با انرژی های دیرینه ی تجدید ناپذیر همچون بنزین و گاز نقش مهمی را ایفا می کنند که از میان آن ها ، انرژی فتوولتائیک بخاطر دسترسی آسان ، عمر نا محدود و عدم آلودگی های صوتی و زیست محیطی مورد توجه بیشتر محققان قرار گرفته است.[1] به طور کلی سیسستم های فتوولتائیک به دو دسته ی سیستم های PV با ترانسفورمر و بدون ترانسفورمر تقسیم بندی می شود. [1] ترانسفورمرها می توانند به صورت فرکانس بالا در سمت dc مدار ، و یا به صورت فرکانس پایین در سمت ac مدار استفاده شوند.[2]
آن ها به جز افزایش دادن ولتاژ ، نقش بسیار مهم ایزولاسیون سازی الکتریکی را نیز بر عهده دارند که نتیجه ی آن کاهش جریان های نشتی و همچنین جلوگیری از تزریق جریان dc به شبکه می باشد. هنگام اتصال سلول های خورشیدی به زمین ،طبق شکل-1 خازنی پارازیتی ظاهر می شود که این خازن مسیری برای عبور جریان نشتی ایجاد می کند که نتایج مهم آن ، پایین آمدن بازده سیستم و همچنین افزایش اعوجاج در سیگنال خروجی است. در توپولوژی های ایزوله - شامل ترانسفورمر - ، حلقه ای که برای جاری شدن جریان نشتی تشکیل می شود ، بخاطر ماهیت ترانسفورمر شکسته شده و بنابراین مقدار جریان نشتی به حداقل می رسد. اما در ساختارهای بدون ترانسفورمر حذف جریان نشتی نیازمند راه حل پیچیده تری می باشد.
با این حال ، ترانسفورمرها حجیم ، سنگین و گران قیمت هستند و موجب کاهش در بازده ی کلی سیستم می شوند. از این رو سیستم های pv بدون ترانسفورمر برای استفاده در صنعت بسیار رایج تر هستند . آن ها کوچکتر ، سبک تر ، ارزان تر ، قابل حمل و دارای بازده ی بالاتر می باشند.بنابراین مهم ترین مسائل در سیستم های pv متصل به شبکه ی بدون ترانسفورمر ، بحث جریان نشتی و وجود هارمونیک های مضر در سیگنال خروجی آن ها است.[3] به منظور کاهش جریان نشتی و رسیدن به استانداردهای[4] ، از تکنیک های مدولاسیون دوقطبی به منظور تولید ولتاژ مود مشترک ثابت استفاده می شود که متأسفانه این نوع مدولاسیون ریپل زیادی در سیگنال خروجی ایجاد کرده که نیازمند یک فیلتر قوی با سلف های بزرگ می باشد و از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست.
ازاین رو بسیاری از محققان ، از طریق روش مدولاسیون های تک قطبی به همراه تکنیک های جداسازی الکتریکی و کلمپ کردن ولتاژ مود مشترک به همراه استفاده از فیلترهای مناسب ما بین اینورتر و شبکه ، سعی در محدود کردن جریان نشتی و همچنین کاهش اعوجاج در جریان خروجی نموده اند.توپولوژی های شامل جداسازی الکتریکی همچون خانواده های H5 ، H6 و HERIC که شامل مدارات کمکی سوئیچ دار می باشند - شکل - 1:a-c ، ایزولاسیون هایی در قسمت dc یا ac اینورتر ایجاد کرده و از این طریق موجب جداسازی سلول های pv از شبکه در طی سیکل هرز گرد می شوند. واضح است که جداسازی در قسمت ac به علت کم تر بودن تعداد سوئیچ ها در مسیر هدایت ، تلفات کم تری دارد.
به هر حال به خاطر وجود خازن های پیوندی سوئیچ ها و پارامترهای پارازیتی ، توپولوژی های شامل جداسازی الکتریکی به تنهایی نمی توانند موجب محدود کردن جریان های نشتی شوند . از این رو تکنیک های کلمپ کردن ولتاژ مود مشترک در oH5 ، H6 و [5] HBZVR استفاده شده اند تا جریان نشتی را بطور کامل محدود کنند - شکل . - 1:d,e با این وجود ، شاخه ی کلمپ در توپولوژی HBZVR بطور بهینه عمل نمی کند. زیرا این شاخه تنها در سیکل هرز گرد مثبت می تواند ولتاژ مود مشترک را ثابت نگه دارد و در سیکل هرز گرد منفی ، تحت ولتاژ معکوس قرار گرفته و خاموش می شود که نتیجه ی آن ، تغییر ولتاژ مود مشترک می باشد.[1]
در نتیجه جریان نشتی آن به اندازه ی جریان نشتی توپولوژی هایی است که تنها ایزولاسیون سازی الکتریکی در آن ها استفاده شده است. همچنین با توجه به این که به جز چهار سوئیچ اصلی که در فرکانس سوئیچینگ هدایت می کنند ، سوئیچ کمکی پنجم که برای هدایت در مود هرز گرد استفاده شده است نیز در همین فرکانس کار می کند ، بنابراین هارمونیک های فرکانس بالای اطراف فرکانس سوئیچینگ ، و حتی هارمونیک های با فرکانس دو برابر نیز توسط عمل سوئیچ زنی تولید شده[6] و بر جریان خروجی اینورتر سوار می شود که مهار و حتی تضعیف کافی این هارمونیک های مضر توسط یک فیلتر ساده ی سلفی که در این توپولوژی استفاده شده ، میسر نیست و اعوجاج هارمونیکی کل - THD - محدودیت مطلوبی ندارد. [7]
فیلتر سلفی به کار رفته در این توپولوژی ، به صورت یک فیلتر دو قسمتی متقارن تعبیه شده و با توجه به مقدار هر سلف آن کهمقدار نسبتاً بزرگی برابر 3mH دارد ، مقدار THD برابر %3,4 را به جریان شبکه انتقال می دهد. این مقدار اعوجاج بهینه نبوده و می تواند در طولانی مدت سبب آسیب رسیدن به مصرف کننده های حساس و نیز شبکه گردد.در جهت بهبود معایب فوق در توپولوژی HBZVR و دست یابی به جریان نشتی محدود و نیز مهار هارمونیک های مضر فرکانس بالا در جریان خروجی ، توپولوژی HBZVR-D-LLCL در این مقاله پیشنهاد گردیده که در بخش 3 به معرفی و توضیح کامل آن خواهیم پرداخت. برجستگی توپولوژی پیشنهادی در فاکتورهایی همچون ولتاژ مود مشترک ، جریان نشتی و اعوجاج هارمونیکی کل - THD - در جریان خروجی توسط محاسبات تئوری و شبیه سازی ها مشاهده و آنالیز گردیده است. توپولوژی پیشنهادی HBZVR-D-LLCL بهترین کارآیی را نسبت به دیگر توپولوژی های هم جوار خود داشته و برای کاربردهای فتوولتائیک بدون ترانسفورمر در صنعت کاملاً مناسب می باشد.
- 2 رفتار مود مشترک ، علت پیدایش جریان نشتی و روش های کاهش آن :
وقتی که ترانسفورمر از مدار اینورتر خارج می شود ، یک مدار رزونانسی مانند شکلa-3 بوجود می آید . این مدار رزونانسی شامل خازن پارازیتی جانبی - Cpv - ، سلف های فیلتر L1 - و - L2 ، و جریان نشتی - IL - می باشد. در اینجا یک مبدل قدرت شامل چهار ترمینال برای نمایش توپولوژی های مبدل های مختلف آورده شده است . در سمت dc ، ترمینال های P و N به ترتیب پایانه های مثبت و منفی می باشند و در سمت ac ، ترمینال های A و B توسط فیلتر سلفی به شبکه ی تکفاز متصل گردیده اند . از دیدگاه شبکه ، بلوک کانورتر قدرت نشان داده شده در شکل 3-a می تواند به عنوان یک منبع ولتاژ در نظر گرفته شود که ولتاژهای VAN و VBN را تولید می کند . از این رو با صرف نظر از ساختار مبدل ، این بلوک می تواند به شکل یک مدار معادل شامل منابع ولتاژ VAN و VBN مانند شکل 3-b ساده شود .
بدین سان جریان نشتی می تواند تابعی از VAN ، VBN ، ولتاژ شبکه ، سلف های فیلتر و خازن های پارازیتی مزاحم در نظر گرفته شود.[8]ولتاژ مود مشترک - VCM - توسط رابطه زیر تعیین می شود:[9]از مدل مداری فوق می توان نتیجه گرفت که جریان نشتی به مقدار بسیار زیادی به ولتاژ مود مشترک وابسته است . بنابراین ساختار مبدل و همچنین تکنیک های مدولاسیون باید طوری طراحی شوند که یک ولتاژ مود مشترک ثابت جهت محدود نمودن جریان نشتی تولید کنند. مدل شکل2-C بطور واضح بیانگر رفتار مود مشترک در یک توپولوژی تمام پل می باشد. چون شکل 2-C یک مدل کلی می باشد ، در مورد انواع توپولوژی های تمام پلی که در اینجا بحث می شود معتبر است و در واقع ، همین مدل برای آنالیز رفتار مود مشترک اینورترهای بدون ترانسفورمر تمام پل استفاده می شود.
: 1-2 جداسازی الکتریکی :
در اینورترهای فتوولتائیک بدون ترانسفورمر ، فراهم کردن ایزولاسیون سازی الکتریکی موجب کاهش جریان های نشتی می شود. با توجه به شکل 4 ، ایزولاسیون سازی الکتریکی در دو دسته ی جدا سازی ac و جدا سازی dc تقسیم می شود . در روش های جداسازی dc ، سوئیچ های بای پس dc به منظور جدا کردن آرایه های pv از شبکه در طی سیکل هرز گرد در سمت dc مبدل در مسیر هدایت قرار می گیرد . برای توپولوژی H6 ، جریان خروجی در طی دوره ی هدایت از 2 سوئیچ و 2 شاخه ی بای پس dc عبور می کند . از این رو به دلیل افزایش تعداد نیمه رساناها در مسیر هدایت ، تلفات رسانایی افزایش می یابد .
از طرف دیگر ، شاخه ی بای پس می تواند در قسمت ac اینورتر نیز فراهم گردد ، مانند مدار کمکی دیده شده در توپولوژی HERIC و .HBZVR این شاخه ی بای پس، بصورت یک چرخه ی آزاد کاملاً جدا از مسیر هدایت ، موجب ادامه جریان در طی سیکل هرز گرد می شود. در نتیجه در زمان هدایت ، جریان خروجی تنها از 2 سوئیچ عبور می کند که تلفات رسانایی کم تری را بر جای می گذارد. بنابراین توپولوژی هایی که در آن ها از روش جداسازی ac جهت ایزولاسیون استفاده شده است در مقایسه با توپولوژی های شامل جداسازی dc از بازده ی بالاتری برخوردار هستند.
با این حال در زمان سیکل هرز گرد ، سوئیچ های مدار بای پس ، سرهای A و B را از قسمت DC جدا می کنند. در طی این حالت از وضعیت سوئیچ ها ، ولتاژ مود مشترک به کمک پارامترهای سمت DC اینورتر قابل تعیین نیست و در همین حین ، نوسانات نا خواسته ای که بزرگی آن وابسته به پارامترهای پارازیتی و خازن های پیوندی سوئیچ ها می باشد در مدار ایجاد می گردد که نتیجه ی آن ، جاری شدن جریان نشتی از مسیرهایی شامل عناصر پارازیتی مانند خازن ها ، امپدانس بوجود آمده بین شبکه و زمین ، و سلف ها می باشد. بنابراین ایزولاسیون سازی الکتریکی به تنهایی قادر به تضعیف جریان نشتی در حد مطلوب نیست.
: 2-2 کلمپ کردن ولتاژ مود مشترک :
همانطور که قبلاً توضیح داده شد ، تغییر ولتاژ مود مشترک دلیل اصلی برای ایجاد جریان نشتی است. توپولوژی هایی مانند H5 و HERIC فقط بر روی ایزولاسیون سازی الکتریکی ، بدون توجه به
