بخشی از مقاله
معرفي يک مبدل SEPIC افزاينده با راندمان بالا جهت کاربردهاي فتوولتائيک
چکيده
در اين مقاله يک مبدل SEPIC افزاينده با راندمان بالا براي کاربردهاي فتوولتائيک پيشنهاد شده است . در مبدل پيشنهادي از مدار کمکي بدون هيچ سوئيچ اضافي استفاده شده است . اين مدار کمکي موجب ميگردد که سوئيچ تحت شرايط ZCS روشن و تحت شرايط ZVS خاموش شود. با مدارات اضافه شده، مسئله جريان بازيابي معکوس در تمامي ديودهاي خروجي آرام شده و اين امر باعث افزايش راندمان مدار ميشود. از آنجايي که هيچگونه سوئيچ کمکي به مدار اضافه نگرديده ، در نتيجه به هيچ مدار درايو اضافي نياز نميباشد، بنابراين پيچيدگي و هزينه مدار نيز کاهش مييابد. در اين مقاله تحليل زماني مبدل ارائه گرديده و مهمترين خصوصيات آن بررسي شده است . نتايج شبيه سازيهاي ارائه شده عملکرد صحيح مبدل را نشان ميدهد.
واژه هاي کليدي : SEPIC، کليدزني نرم، ZCS،ZVS ، راندمان بالا، سيستم هاي فتوولتائيک
١- مقدمه
استفاده وسيع از سوخت هاي فسيلي همچون نفت ، ذغالسنگ و گاز، اثرات گلخانه اي و آلودگي محيط زيست را به دنبال دارد. در همين حال، يک تضاد بزرگي بين منابع سوخت فسيلي و تقاضاي انرژي در جهان وجود دارد. کمبود انرژي و آلودگي محيط زيست موانع عمدهاي براي توسعه انسان شدهاند.
براساس بررسيها و مطالعات، انرژي خورشيدي وسيع ترين منبع انرژي در جهان است . کارشناسان بخش انرژي مي گويند، انرژي نوري که توسط خورشيد در هر ساعت به زمين ميتابد، بيش از کل انرژي است که ساکنان زمين در طول يک سال مصرف مي کنند. از اين رو براي بهرهگيري از اين منبع بايد بتوانيم انرژي خورشيدي را به عنوان انرژي مورد استفاده تبديل کرده و يا اينکه فن آوريها، توانايي توليد انرژي مورد نياز از خورشيد را داشته باشند. يکي از اصليترين راههاي استفاده از انرژي خورشيد، استفاده از سيستم هاي فتوولتائيک ١ (PV) است . به پديدهاي که در اثر تابش نور بدون استفاده از مکانيزمهاي محرک، الکتريسيته توليد کند پديده فتوولتائيک و به هر سيستمي که از اين پديدهها استفاده کند سيستم فتوولتائيک گويند. استفاده از سيستم هاي فتوولتائيک به ما اين قابليت را ميدهد که محيط زيست پاکيزهاي داشته باشيم ، چرا که سيستم توليد الکتريسيته فتوولتائيک اثرات جانبي بسيار ناچيزي بر طبيعت دارد و برخلاف سوخت هاي فسيلي که تجديد ناپذير هستند و روزي به پايان ميرسند، انرژي
خورشيدي منبعي تجديدپذير به شمار ميآيد وتا روزي که حيات در کره خاکي وجود دارد قابل استفاده و بهره برداري است [١]. متأسفانه ولتاژ خروجي سلولهاي PV نسبتاً پايين است . با اتصال سري و موازي سلولها به هم ، واحد بزرگتري به نام آرايه تشکيل ميشود که ميتواند جريان و ولتاژ قابل قبولي توليد کند[٢].
ولتاژ خروجي آرايه هاي PV با ساختار اتصال سري - موازي نسبتاً پايين است . بنابراين به مبدلهاي dc به dc افزاينده با بهره و راندمان بالا نياز است تا ولتاژ پايين آرايه هاي PV را به ولتاژ DC بالايي همچون V٣٨٠ براي مبدلهاي تمام پل يا V٧٦٠ براي مبدلهاي نيم پل جهت تحويل به سيستم هاي شبکه V٢٢٠ ولت AC تبديل کند[٣و٤].
يکي از انواع مبدلهاي dc به dc افزاينده که در اين مقاله به آن اشاره ميشود، مبدل SEPIC٢ ميباشد که در شکل (١) نشان داده شده است .
شکل (١) مبدل SEPIC
از مزاياي اين مبدل ميتوان به مواردي همچون توليد ولتاژ خروجي برابر، بزرگتر يا کوچکتر از ولتاژ ورودي، توليد ولتاژ خروجي تثبيت شده در رنج وسيعي از ولتاژ ورودي، پيوسته بودن ريپل جريان ورودي در اين مبدل که باعث ميشود اگر سلف ورودي به اندازه کافي بزرگ انتخاب شود، عملکرد مدار در مد پيوسته باعث کاهش نويز EMI در مقايسه با ديگر مبدلها شود[٥و٦].
امروزه مبدلهاي مدرن داراي چگالي توان وفرکانس کليدزني بالايي مي باشند که باعث کاهش حجم و اندازه اين مبدلها شده است .
براي رسيدن به اين هدف بايستي از تکنيک هاي کليدزني نرم استفاده نمود. از تکنيک هاي کليدزني نرم، تکنيک هاي ZCS١ و ZVS٢ را ميتوان نام برد که با ايجاد شرايط کليدزني نرم براي المانهاي نيمه هادي، امکان افزايش فرکانس کليدزني را براي مبدل فراهم مي سازد[٧]. ولي اکثر اين مبدل ها داراي سوئيچ کمکي و در نتيجه مدارات درايو پيچيده با المانهاي نيمه هادي زياد ميباشند که اين مدارات کمکي، تلفات هدايتي محسوسي به مبدل تحميل مينمايند و هزينه مدار را نيز افزايش ميدهند[ ٨و٩].
مبدل پيشنهادي در اين مقاله ، تنها با يک سوئيچ عمل ميکند که اين موضوع باعث عدم استفاده از مدارات درايو و در نتيجه کاهش پيچيدگي مدار ميشود. مدار اسنابر و خازن رزنانسي به کار رفته ، شرايط کليدزني نرم ZCS و ZVS را در مبدل فراهم ميکند. استفاده
ال آن از دو واحد ضرب کننده در مدار نه تنها ولتاژ خروجي و به دنب راندمان مدار را افزايش ميدهد، بلکه باعث کاهش ولتاژ سوئيچ و به دنبال آن کاهش تلفات سوئيچ ميشود[١٠]. سلف رزنانسي بکار رفته نيز نقش مهمي در کاهش مسئله بازيابي معکوس ديودهاي خروجي دارد. اين مزايا مبدل را جهت کاربردهاي فتوولتائيک بسيار مناسب ساخته است .
٢- ساختار سيستم PV و استفاده از کنترل کننده MPPT
شکل (٢) سيستم منبع اتصال آرايه هاي PV را به شبکه ACنشان ميدهد.
در اين ساختار مبدلهاي dc به dc افزاينده، ولتاژ پايين آرايه هاي PV را به ولتاژ DC بالايي تبديل ميکند، سپس تبديل کننده DC به AC ، ولتاژ DC تحويلي از مبدل را به ولتاژ AC مناسب براي تحويل به شبکه 220V ولت تبديل کند. باتري و مبدل dc به dc دو طرفه نقش منبع پشتيبان ٤ را هنگامي که ولتاژ توليدي از آرايه PV ضعيف ميشود، بازي ميکند. در طول مرحله دشارژ باتري، مبدل دو طرفه بايد کارايي و راندمان بالايي، هنگام استفاده از باتريهاي استاندارد، داشته باشد.
شکل (٢) ساختار سيستم PV
يکي از روشهاي کاهش هزينه در سيستم هاي فتوولتائيک ، به حداکثر رساندن انرژي قابل دريافت از آنها به ازاي هر کيلووات توان نصب شده است ، چرا که مشخصه ي ولتاژ-جريان سلولهاي خورشيدي به شدت تابش و دماي سلول وابسته است . توان خروجي سلولهاي فتوولتائيک همواره با تغيير شرايط جوي نظير شدت تابش خورشيد و دما تغيير مي کند، از طرفي تغييرات بار نيز نقطه ي کار را تغيير داده و باعث انحراف از نقطه ي توان بيشينه ميشود. بنابراين دنبالکننده توان بيشينه که بتواند همواره در شرايط مختلف حداکثر توان را از سيستم فتوولتائيک دريافت کند، به جزئي ضروري در سيستم هاي فتوولتائيک تبديل شده است .
مسئله مورد نظر در روشهاي MPPT پيدا کردن خودکار ولتاژ نقطه ماکزيمم يا جريان نقطه ماکزيمم آرايه فتوولتائيک براي بدست آوردن حداکثر توان خروجي تحت تغييرات دما و تابش است . ميتوان با اتصال يک سيستم MPPT به سيستم مورد نظر و با تنظيم دوره کار مناسب ، نقطه توان ماکزيمم را بدست آورد [١١].
٣- مبدل پيشنهادي
شکل (٣) مبدل SEPIC پيشنهادي را نشان ميدهد.
شکل (٣) مبدل SEPIC پيشنهادي
مبدل مذکور از دو واحد ضرب کننده تشکيل شده که يک واحد شامل ديود Dm و خازن Cm و واحد ديگر شامل خازنهاي Cn١ و Cn٢ و ديودهاي Dn١ و Dn٢ ميباشد. سلف رزنانسي Lr و خازن رزنانسي Cr به همراه يک مدار اسنابر شامل سلف Lsnb و خازن Csnb و سه ديود Dsnb١ و Dsnb٢ و Dsnb٣ شرايط سوئيچينگ نرم را براي سوئيچ فراهم ميکنند.
در ادامه به بررسي وضعيت هاي کاري مبدل پيشنهادي پرداخته ميشود. اين مبدل به صورت CCM1 عمل ميکند و داراي ١٢ وضعيت کاري به شرح زير ميباشد:
وضعيت ١(زمان [t1 – t0] شکل (٤)): اين وضعيت از لحظه قطع سوئيچ Sشروع ميشود و انرژي ذخيره شده در سلف Lsnb از طريق ديود Dsnb1 به خازن Csnb سرازير ميشود و اين خازن را شارژ ميکند.
حضور سلف Lsnb باعث محدود کردن di.dt در لحظه روشن شدن سوئيچ شده و با تخليه انرژي آن از طريق ديود Dsnb1 ، عملکرد سوئيچ با جريان صفر ZCS را در هنگام روشن شدن مهيا ميکند. ضمن اينکه خازن ضرب کننده Cm نيز از طريق سلف L2 در خازن CS دشارژ ميشود. خازن Cr نيز تا هنگامي که سوئيچ Sقطع است شارژ ميشود.
وضعيت ٢(زمان [t2 – t1] شکل (٥)): در اين وضعيت ولتاژ خازن Csnb افزايش مييابد به طوري که سطح ولتاژ اين خازن از سطح ولتاژ خازن Cm بيشتر شده و باعث روشن شدن ديود Dsnb3 ميشود و انرژي باقيمانده از سلف Lsnb ، خازن Cm را شارژ ميکند. در اين هنگام ولتاژ سوئيچ برابر ولتاژ خازن Cm ميشود که اين ولتاژ به مراتب کمتر از ولتاژ خروجي است و به اين وسيله ميتوان از سوئيچ با ولتاژ کمتري استفاده کرد.
وضعيت ٣(زمان [t3 –t2] شکل (٦)): در لحظه t2 خازن Csnb شارژ شده به طوري که جريان ورودي به آن قطع ميشود و باقيمانده انرژي سلف Lsnb در خازن Cm تخليه ميشود. در اين لحظه انرژي ذخيره شده L1 و L2 از طريق ديود DO به خروجي انتقال مييابد. در سلف هاي Lr به صورت خطي افزايش مييابد تا به مقدار جريان جريان سلف Dn1 نيز به صورت خطي کاهش مييابد، ورودي برسد و جريان ديود Cn1 به طور خطي افزايش مييابد.
زيرا ولتاژ خازن وضعيت ٤(زمان [t4 – t3] شکل (٧)): در اين وضعيت سوئيچ S Lsnb به طور کامل تخليه شده و مسير
همچنان قطع است . انرژي سلف Dsnb1 و Dsnb3 قطع ميشود. خازنهاي Cn1 و Cn2 جريان شامل همچنان توسط سلف هاي L1 و L2 شارژ ميشوند و ديود DO نيز همچنان هدايت ميکند.
وضعيت ٥(زمان [t5 – t4] شکل (٨)): در اين وضعيت خازن Cn1 شارژ شده و مسير جريان آن شامل ديود Dn1 قطع ميشود. در اين لحظه جريان سلف Lr برابر جريان ورودي ميشود و انرژي سلف هاي ورودي توسط ديود DO به خروجي انتقال مييابد. همچنين در اين لحظه به دليل کاهش ولتاژ خازن Cm ، ديود Dm هدايت کرده و اين خازن را شارژ ميکند.
وضعيت ٦(زمان [t٦ – t٥] شکل (٩)): در لحظه t٥ سوئيچ Sتحت شرايط ZCS روشن ميشود و از اين لحظه جريان سلف Lr و ديود خروجي به صفر نزول ميکند. حضور خازن Lsnb باعث محدود کردن di.dt در لحظه روشن شدن سوئيچ شده و عملکرد سوئيچ با شرايط ZCS را مهيا ميکند. در اين وضعيت خازن Cr همچنان شارژ ميشود.وضعيت ٧(زمان [t٧ – t٦] شکل (١٠)): در اين وضعيت سوئيچ Sهمچنان وصل است . خازن Cm شارژ شده و ديود Dm قطع ميشود. به اين ترتيب خازن Cm به ذخيره انرژي در سلف L٢ کمک ميکند. سلف Lsnb نيز انرژي مورد نياز خود را از خازن CS و سلف L١ تأمين ميکند، ضمن اينکه خازن Cr نيز از اين لحظه دشارژ ميشود و انرژي خود را در سلف Lsnb تخليه ميکند.
وضعيت ٨(زمان [t٨ – t٧] شکل (١١)): در اين وضعيت سوئيچ همچنان وصل بوده و مسير جريان به خروجي قطع ميشود. خازن CS توسط خازن Cm و سلف L٢ شارژ ميشود. ولتاژ خازن Cr نيز بدليل دشاژ خازن کاهش مييابد.
وضعيت ٩(زمان [t٩ – t٨] شکل (١٢)): با کاهش سطح ولتاژ سمت کاتد ديود Dsnb٢ ، بدليل دشارژ خازن Cr و کاهش ولتاژ اين خازن به سمت ولتاژ منفي، اين ديود روشن شده و انرژي ذخيره شده در خازن Csnb تخليه ميشود تا با ايجاد شرايط اوليه صفر در خازن Csnb ، شرايط ZVS را در هنگام قطع سوئيچ فراهم کرد.
وضعيت ١٠(زمان [t١٠ – t٩] شکل (١٣)): در لحظه t٩ ديود Dn٢هدايت کرده و انرژي ذخيره شده در خازن Cn١ را به خازن Cn٢ انتقال ميدهد و اين خازن را شارژ ميکند. وضعيت ١١(زمان [t١١ –t١٠] شکل (١٤)): در اين وضعيت سوئيچ Sهمچنان وصل است . ديود Dsnb٢ قطع شده و خازن Csnb به طور کامل دشارژ ميشود و شرايط جهت قطع سوئيچ Sبا شرايط ZVS فراهم ميشود. خازن Cn١ همچنان خازن Cn٢ را با جريان کاهشي شارژ ميکند.
وضعيت ١٢(زمان [t٠–t١١] شکل (١٥)): در اين وضعيت سوئيچ S
همچنان وصل است . در لحظه t١١ جريان عبوري از سلف Lr برابر صفر ميشود و ديود Dn٢ قطع ميشود. سلف هاي L١ و L٢ نيز همچنان در حال ذخيره انرژي هستند تا اينکه سوئيچ قطع شود و سيکل کاري بعدي آغاز شود.
شکل (٤) وضعيت اول
شکل (٥) وضعيت دوم
شکل (٦) وضعيت سوم
شکل (٧) وضعيت چهارم
شکل (٨) وضعيت پنجم
شکل (٩) وضعيت ششم
شکل (١٠) وضعيت هفتم
شکل (١١) وضعيت هشتم
شکل (١٢) وضعيت نهم
شکل (١٣) وضعيت دهم
شکل (١٤) وضعيت يازدهم
