بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
کاربرد اينورتر منبع امپدانسي در سيستم هاي فتوولتائيک با کنترل فازي ولتاژ dc تقويت شده و ولتاژ ac خروجي آن
چکيده
اين مقاله به بررسي سيستم هاي فتوولتائيک شامل اينورتر منبع امپدانسي مي پردازد. اصول عملکرد، ساختار و روش کنترل سيستم مورد نظر مورد بررسي قرار گرفته است . هدف اصلي اين مقاله کنترل همزمان ولتاژ بخش dc و ولتاژ ac خروجي اينورتر منبع امپدانسي با استفاده از کنترل کننده فازي مي باشد.
لذا به منظور بهبود پاسخ مربوط به کنترل بخش dc از الگوريتم کنترل خطي ولتاژ خازن شبکه امپدانسي استفاده شده است . همچنين مقدار ماکزيمم ولتاژ ac خروجي به عنوان سيگنال پس خور براي کنترل آن در يک سطح مطلوب به کار رفته است . کليدزني اينورتر منبع امپدانسي نيز به صورت مدولاسيون بردار فضايي اصلاح شده مي باشد. نتايج شبيه -
1 سازي صحت بررسي هاي انجام شده براي سيستم فتوولتائيک مورد نظر را نشان مي دهد.
١- مقدمه
به عقيده کارشناسان ، درآمد حاصل از بازار توليد پراکنده در آمريکا تا سال ٢٠١٠ بين ١٠ تا ٣٠ ميليارد دلار خواهد بود. در حال حاضر به دليل ملاحظات محيط زيستي ، تلاش هاي فراواني به منظور توليد انرژي هاي الکتريکي پاک از قبيل زمين حرارتي ، بادي ، پيل سوختي و انرژي خورشيدي صورت مي گيرد. در سيستم هاي فتوولتائيک (PV) انرژي موجود در نور آفتاب به طور مستقيم به انرژي الکتريکي تبديل مي گردد. لازم به ذکر است که تعداد سيستم هاي PV متصل به شبکه الکتريکي يکپارچه ايالات متحده ، با نرخ سالانه ٢٥% در حال رشد مي باشد [١].
از آنجايي که انرژي حاصل از نور آفتاب رايگان است ، لذا هزينه اصلي سيستم هاي توليد برق از انرژي خورشيدي ، مربوط به ساخت و نصب آنها مي باشد. اين هزينه ها به طور عمده شامل سلول هاي خورشيدي و سيستم مبدل واسط (PCS) مي باشد. با توجه به توسعه روزافزون تکنولوژي ساخت سلول هاي خورشيدي ، قيمت ادوات خورشيدي به طور قابل ملاحظه اي کاهش يافته است . يک بررسي کلي نشان مي دهد که در سه سال اخير قيمت ادوات خورشيدي با کاهش ١٦.٩٥ درصدي مواجه بوده است . از سوي ديگر نيز قيمت سيستم هاي PCS تقريبا ثابت مانده است . بعلاوه در مقايسه با مبدل هاي به کار رفته در سيستم هاي محرکه ، قيمت مبدل هاي به کار رفته در سيستم هاي فتوولتائيک بيش از ٥٠% گران تر مي باشد. به همين منظور کاهش هزينه PCSهاي به کار رفته در سيستم هاي فتوولتائيک متصل به شبکه يکپارچه الکتريکي ، يک امر بسيار ضروري به نظر مي رسد [٢].
لازم به ذکر است که سيستم هاي PCS وظيفه تبديل توان dc خروجي سلول هاي خورشيدي به توان ac شبکه با فرکانس
٥٠ يا ٦٠ هرتز را بر عهده دارد. در اين مقاله ساختار سيستم - هاي PCS شامل اينورتر منبع امپدانسي و متصل به سلول هاي خورشيدي را براي کاربردهاي توان پايين مورد بررسي قرار مي دهيم . در اين راستا هدف اصلي اين مقاله به دست آوردن عملکرد مناسب براي کنترل همزمان ولتاژ سمت dc و ولتاژ ac خروجي اينورتر منبع امپدانسي با استفاده از کنترل کننده فازي مي باشد. براي اين منظور از يک الگوريتم کنترل خطي ولتاژ خازن شبکه امپدانسي به منظور بهبود پاسخ گذراي مربوط به کنترل بخش dc استفاده مي شود. همچنين از مقدار ماکزيمم ولتاژ ac خروجي به عنوان سيگنال پس خور براي کنترل آن در يک سطح مطلوب به کار مي رود. به منظور کليدزني مبدل منبع امپدانسي از يک روش مدولاسيون بردار فضايي اصلاح شده استفاده مي گردد.
٢- ساختار سيستم هاي فتوولتائيک شامل اينورتر منبع امپدانسي
به منظور انتقال انرژي توليدي فتوولتائيک به شبکه ، سيستم -هاي مبدل PCS بايستي شرايط زير را برآورده سازند:
١) تبديل ولتاژ dc به ولتاژ ac
٢) تقويت ولتاژ سيستم در صورت پايين بودن ولتاژ ادوات PV نسبت به ولتاژ شبکه
٣) بهره برداري از ماکزيمم توان ادوات PV
شکل ١ يکي از ساختارهاي رايج به کار رفته در سيستم هاي مبدل PCS را نشان مي دهد. همان طور که مشاهده مي گردد، در اين سيستم از يک مبدل dc-dc فرکانس بالا به منظور افزايش ولتاژ فتوولتائيک تا مقدار مورد نظر استفاده شده است .
لازم به ذکر است که کليدهاي به کار رفته در مبدل dc-dc منجر به افزايش قيمت و کاهش بازده سيستم مي گردد.
دو نوع رايج از اينورترها که به طور گسترده در مدارات الکترونيک قدرت مورد استفاده قرار مي گيرند، اينورتر منبع ولتاژ و اينورتر منبع جريان مي باشد. اين اينورترها يا افزاينده هستند يا کاهنده و نمي توانند همزمان به صورت افزاينده کاهنده عمل کنند؛ در نتيجه مقدار ولتاژ خروجي آنها محدود مي باشد. اينورتر منبع امپدانسي ١ معرفي شده در [٣]
محدوديت هاي مربوط به اينورترهاي منبع ولتاژ و منبع جريان را برطرف کرده و مفهوم جديدي از انتقال توان را ارائه مي دهد. شکل ٢ ساختار کلي سيستم فتوولتائيک مورد نظر را که شامل اينورتر منبع امپدانسي مي باشد، نشان مي دهد. اين اينورتر از يک شبکه امپدانسي ويژه جهت اتصال بار به آرايه فتوولتائيک بهره مي گيرد. شبکه امپدانسي از يک مدار دو طرفه شامل دو سلف L1 و L2 در بالا و پايين و خازن هاي C1 و C2 متصل به طرفين آنها تشکيل شده است .
ويژگي بارز اينورتر منبع امپدانسي در گسترده بودن محدوده تغييرات ولتاژ خروجي و مستقل بودن آن از مقدار ولتاژ dcورودي مي باشد. به عبارت ديگر اين اينورتر يک اينورتر افزاينده کاهنده مي باشد که محدوده وسيعي از ولتاژ خروجي را توليد مي کند. اين در حالي است که اينورترهاي رايج داراي چنين ويژگي نمي باشند. برخلاف اينورتر منبع ولتاژ سه فاز که ٨ حالت کليدزني مجاز دارد، اينورتر منبع امپدانسي نشان داده شده در شکل ١ داراي ١٥ حالت کليدزني مي باشد. اينورتر منبع امپدانسي علاوه بر حالت هاي کليدزني فعال و خنثي ، داراي هفت حالت کليدزني اضافي بوده و اين زماني است که هر دو کليد بالايي و پاييني يکي از ساق ها يا دو ساق با هم و يا هر سه ساق به صورت همزمان هدايت کنند. بردارهاي کليدزني اضافي ، بردار اتصال کوتاه ناميده مي شوند که از طريق هفت حالت مختلف اتصال کوتاه ساق ها به وجود مي آيند. اين بردارهاي اتصال کوتاه توسط شبکه امپدانسي ممکن مي گردد و ويژگي افزاينده کاهنده بودن اينورتر را فراهم مي آورد [٤-٥]. روش هاي PWM متعددي را مي توان به منظور کليدزني اينورتر منبع امپدانسي به کار برد.
روش هاي PWM براساس موج حامل به ترتيب شامل روش کنترل ساده بهره ولتاژ، روش کنترل ماکزيمم بهره ولتاژ [٦] و روش کنترل ماکزيمم بهره ولتاژ ثابت [٧] مي باشد. لازم به ذکر است که در مقالات مربوط به يک سال اخير کليدزني اينورتر منبع امپدانسي با استفاده از روش هاي مدولاسيون بردار فضايي اصلاح شده بيشتر مورد بررسي قرار گرفته است .
٣- اصول عملکرد اينورتر منبع امپدانسي
با فرض اينکه مقادير اندوکتانس هاي L1 و L2 و خازن هاي C1 و C3 يکسان و به ترتيب برابر با L و C باشد، اينورتر منبع امپدانسي داراي يک شبکه منبع امپدانسي متقارن خواهد بود.
بنابراين با استفاده از اين تقارن و از روي مدار معادل اينورتر منبع امپدانسي خواهيم داشت :
با اعمال حالت هاي اتصال کوتاه با مجموع زماني ثانيه به داخل دوره کليدزني با طول Ts، از روي مدار معادل شکل
٣ مي توان رابطه (٢) را براي اينورتر منبع امپدانسي در لحظات اعمال حالت هاي اتصال کوتاه به صورت زير به دست آورد:
همچنين با اعمال حالت هاي هشت گانه غير اتصال کوتاه (فعال و خنثي ) با مدت زمان مجموع Tn ثانيه به داخل دوره کليدزني ، روابط زير را از روي مدار معادل شکل ٤ مي توان به دست آورد:
که VPV ولتاژ آرايه فتوولتائيک بوده ، Vi ولتاژ اعمالي به کليدها و Ts=Tn+Tsh مي باشد. از آنجايي که در حالت دائم ولتاژ متوسط اندوکتانس ها در طول دوره کليدزني Ts بايستي صفر باشد، لذا ولتاژ خازن هاي شبکه منبع امپدانسي را مي توان به صورت زير به دست آورد:
در روابط فوق نسبت دوره اتصال کوتاه مي - باشد. همان طور که ملاحظه مي گردد، ولتاژ خازن شبکه منبع امپدانسي به زمان حالت هاي اتصال کوتاه وابسته بوده و با افزايش مدت زمان اعمال حالت هاي اتصال کوتاه افزايش مي يابد. از آنجايي که متوسط ولتاژ اندوکتانس ها برابر صفر مي باشد، لذا متوسط ولتاژ dc اعمالي به کليدهاي اينورتر در يک دوره کليدزني برابر ولتاژ خازن ها مي باشد. همچنين مقدار ماکزيمم ولتاژ dc اعمالي به کليدهاي اينورتر معادل ولتاژ dc اعمالي به اينورتر در زمان اعمال حالت هاي غير اتصال کوتاه dc آرايه مي باشد و تابعي از نسبت دوره اتصال کوتاه و ولتاژ فتوولتائيک مي باشد.
٤- مدولاسيون بردار فضايي اصلاح شده
روش هاي مدولاسيون بردار فضايي به دليل پايين بودن هارمونيک هاي جريان و بالا بودن شاخص مدولاسيون ، به طور گسترده در کليدزني اينورترهاي PWM صنعتي مورد استفاده قرار مي گيرد [٨]. مدولاسيون بردار فضايي براي کنترل مدت زمان اعمال حالت هاي اتصال کوتاه در اينورتر منبع امپدانسي بسيار مناسب مي باشد. شکل ٥ بردارهاي هشت گانه فضايي به کار رفته در روش مدولاسيون برداري فضايي را نشان مي دهد که V1 تا V6 بردارهاي فعال و V0 و V7 بردارهاي کليدزني خنثي مي باشد. با قرار گرفتن بردار ولتاژ مرجع Vref در بين بردارهاي اختياري به بردارهاي Vi و ١+Vi با دامنه هاي زماني معين و همچنين بردارهاي خنثي (V1 و V7 ) تقسيم مي گردد. به عبارت ديگر در يک دوره کليدزني Ts، بردارهاي ولتاژ Vi و ١+Vi به ترتيب با طول زماني T1 و T2 و بردارهاي خنثي با طول زماني به کليدهاي اينورتر منبع امپدانسي اعمال مي گردد. بنابراين بردار ولتاژ مرجع را مي توان به صورت زير محاسبه نمود[٩]:
بازه هاي زماني T1 و T2 را از روي روابط (٧) و (٨) مي توان به دست آورد:
که زاويه بين بردار ولتاژ مرجع Vref و بردار ولتاژ V1 بوده و n شماره مربوط به ناحيه قرار گرفتن بردار مرجع مي باشد.
شکل ٦ نحوه عملکرد مدولاسيون بردار فضايي اصلاح شده را براي حالتي که بردار ولتاژ مرجع در ناحيه اول قرار گرفته است ، نشان مي دهد. همان طور که مشاهده مي گردد، در يک دوره کليدزني Ts، بردارهاي ولتاژ V1 و V7 به همراه بردارهاي خنثي به صورت متقارن به اينورتر منبع امپدانسي اعمال شده است . برخلاف مدولاسيون بردار فضايي به کار رفته در اينورتر منبع ولتاژ، در مدولاسيون بردار فضايي اينورتر منبع امپدانسي به منظور افزايش ولتاژ dc ورودي بايستي بازه هاي زماني اتصال کوتاه را در کنار بازه هاي زماني مربوط به حالت - هاي کليدزني فعال و خنثي اضافه نمود. همان طور که در شکل ٦ مشاهده مي شود، حالت هاي اتصال کوتاه با دامنه يکسان ٦.Tsh به داخل حالت هاي خنثي اعمال مي گردد.
بنابراين به منظور اعمال حالت هاي اتصال کوتاه با طول زماني Tsh در يک دوره کليدزني ، طول بازه هاي زماني مربوط به بردارهاي خنثي (T٠) بايستي کاهش يابد. اين در حالي است که طول زماني مربوط به بردارهاي فعال (T2 و 1T) ثابت باقي مي ماند.
٥- الگوريتم هاي کنترلي
منطق فازي به عنوان يکي از کنترل کننده هاي هوش مصنوعي به سرعت تبديل به يکي از مهمترين و پرکاربردترين روش - هاي کنترلي شده است . تابع تبديل مربوط به حالت گذراي شبکه امپدانسي اينورتر منبع امپدانسي داراي يک صفر در سمت راست محور jω مي باشد که اين امر باعث مي شود که ولتاژ بخش dc داراي يک پاسخ غير مينيمم فاز باشد [١٠- ١١]. از آنجايي که کنترل کننده هاي فازي در سيستم هاي غيرخطي و غير مينيمم فاز عملکرد بهتري از خود نشان مي دهند، لذا در اين مقاله ولتاژ dc تقويت شده و ولتاژ خروجي اينورتر منبع امپدانسي همزمان به صورت فازي کنترل مي گردد. ساختار اين کنترل کننده ها به گونه اي مي باشد که ويژگي هايي از قبيل سادگي ، عملکرد بهتر و تنظيم خودکار را در کنار کاهش هزينه سيستم سخت افزاري و نرم افزاري فراهم مي آورد.
٥-١ کنترل فازي ولتاژ dc اينورترمنبع امپدانسي
مقدار ولتاژ dc اعمالي به کليدهاي اينورتر منبع امپدانسي در طول اعمال حالت هاي فعال برابر VPV و در طول اعمال حالت هاي اتصال کوتاه برابر صفر مي باشد. در نتيجه ولتاژ dc تقويت شده توسط شبکه امپدانسي (Vi) به دليل اعمال حالت هاي اتصال کوتاه داراي شکل موج مربعي مي باشد. بنابراين استفاده از ولتاژ سمت dc اينورتر به عنوان سيگنال پس خور مناسب نخواهد بود. در مراجع [٨] و [٩] ولتاژ خازن شبکه امپدانسي به عنوان سيگنال پس خور در نظر گرفته شده است .
رابطه (٤) نشان مي دهد که ولتاژ خازن شبکه امپدانسي با طول زماني حالت هاي اتصال کوتاه ( Tsh Ts) متناسب بوده و با افزايش آن تقويت مي گردد. بنابراين مي توان با کنترل نسبت دوره اتصال کوتاه مقدار ولتاژ خازن را کنترل نمود. اين رابطه نشان مي دهد که ميان (VC Vdc) و نسبت دوره اتصال کوتاه يک رابطه غيرخطي وجود دارد. لذا به دليل وجود اين رابطه غيرخطي اعمال حالت هاي اتصال کوتاه نمي تواند ولتاژ خازن را به صورت خطي کنترل نمايد. به منظور غلبه بر اين مشکل ، در مرجع [٩] از الگوريتم کنترل خطي ولتاژ خازن استفاده شده است . شکل ٧ الگوريتم کنترلي مورد نظر را نشان مي - دهد. خروجي کنترلر فازي به صورت رابطه (٩) تعريف مي - شود:
در رابطه فوق به منظور افزايش ولتاژ خازن شبکه امپدانسي ، K بايستي بزرگتر از يک باشد. از روي روابط (٤) و (٥) مدت زمان اعمال حالت هاي اتصال کوتاه (Tsh) در يک دوره کليدزني Ts از رابطه زير محاسبه مي گردد:
٥-٢ کنترل فازي ولتاژ ac خروجي
شکل ٨ بلوک دياگرام کنترل ولتاژ اينورتر منبع امپدانسي را نشان مي دهد که شامل کنترل ولتاژ dc تقويت شده با استفاده از روش خطي سازي و کنترل ولتاژ ac خروجي مي باشد.
اگر ولتاژ ac خروجي به عنوان سيگنال پس خور در نظر گرفته شود، اختلاف فازي بين ولتاژ مرجع و ولتاژ واقعي در خروجي کنترل کننده فازي به وجود خواهد آمد. بنابراين در اين مقاله از مقدار ماکزيمم ولتاژ خروجي براي کنترل ولتاژ ac خروجي
