بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله یک سیستم توان فتوولتائیک - PV - متصل به شبکه تکفاز با قابیلت اخذ حداکثر توان - MPPT - از آرایه فتوولتائیک با استفاده از اینورتر مبتنی بر خازن شناور موردمطالعه قرار گرفته است. در این سیستم از یک مبدل بوست با بهره ولتاژ بالا جهت دنبال کردن نقطه حداکثر توان آرایه فتوولتائیک و یک اینورتر سه سطحه مبتنی بر خازن شناور - FC - جهت اتصال به شبکه استفاده شده است.
اینورتر مبتنی بر خازن شناور با استفاده از روش کنترل تناسبی- تشدیدی تزریق توان را انجام میدهد. بهمنظور بررسی قابیلت اخذ حداکثر توان برای سیستم موردمطالعه، کل سیستم توسط نرمافزار PSCAD/EMTDC شبیه سازی شده و نتایج جهت تایید عملکرد و کارایی سیستم و مناسب بودن آن برای کاربرد سلولهای خورشیدی به شبکه نشان شده است.
-1 مقدمه
با توجه به نیاز روزافزون به منابع انرژی و کم شدن منابع انرژی فسیلی، ضرورت سالم نگهداشتن محیطزیست، کاهش آلودگی هوا، محدودیتهای برق رسانی و... استفاده از انرژیهای نو ازجمله انرژی خورشیدی اهمیت ویژهای پیداکرده است
سیستمهای فتوولتائیک ازجملهی سیستمهای انرژیهای نو میباشند که مهم ترین مشکل آنها پایین بودن ولتاژ تولیدی است که جهت افزایش سطح ولتاژ برای اتصال به شبکه باید سطح ولتاژ آن را با استفاده از مبدلهای dc/dc افزاینده به مقدار مناسبی افزایش داد. نمونهای از سیستم تولید توان PV در شکل 1 نشان دادهشده است.
شکل :1 نمونهای از بلوک دیاگرام ساختار متداول سیستم تولید توان PV در حالت وصل به شبکه
سیستمهای اینورتری وصل به شبکه به صورت تکمرحلهای و دومرحلهای در مقالات آورده شده است 4]و.[3 ساختارهای اینورتری به صورت تکمرحلهای دارای محدودیت درجه آزادی برای کنترل هم زمان قابلیت تزریق توان اکتیو و راکتیو در کنار MPPT می باشند
در این سیستمها، سیستم با استفاده از یک واحد، عمل MPPT را انجام میدهد. همچنین کنترل اینورتر به دلیل مسائل کنترلی از قبیل MPPT، تصحیح ضریب توان و کاهش هارمونیک بهصورت همزمان مشکل میباشد. در سیستم های اینورتری متصل به شبکه دو مرحلهای، ازآنجاییکه ولتاژ خروجی منابع انرژی نو پایین است، از یک مبدل افزاینده dc/dc استفاده می شود که مقدار ولتاژ را افزایش داده و همچنین ولتاژ ورودی اینورتر را نیز تنظیم کند و مدار با سطح ولتاژ بالا از مدار با سطح ولتاژ پایین ایزوله شود. در این دستگاهها، اینورتر به عنوان رابط سیستم منبع ورودی با شبکه بوده و تبدیل توان PV به شکل موج سینوسی سنکرون با شبکه را بر عهده دارد
ازجمله اینورترهای کاربردی جهت اتصال به شبکه اینورترهای بر مبنای خازن شناور میباشند . این اینورترها برای اولین بار در سال 1992 معرفی شد که بر اساس نقطه کلمپ خنثی بوده که به جای دیودها از خازنهای شناور در ساختارشان استفاده شده است. در این نوع اینورترها ولتاژ dc ورودی بین خازنهای ساختار تقسیم شده و بهصورت خودکار ولتاژ خازن-های شناور تثبیت میشوند که همچنین تعداد خازنهای شناور با تعداد سطوح افزایش مییابند
در این مقاله آرایههای PV بر اساس مدل الکترونیکی آنها به عنوان منابع جریان بهکار گرفته شده که برای ردیابی نقطه حداکثر توان آرایه خورشیدی از مبدل dc/dc با بهره ولتاژ بالا استفاده شده است. با اتصال اینورتر تکفاز خازن شناور به خروجی مبدل افزاینده و فیلتر کردن جریان خروجی اینورتر، تزریق یک جریان سینوسی همفاز با ولتاژ شبکه میسر میشود. در انتها نتایج شبیه سازی جهت اخذ حداکثر توان سیستم مورد نظر در حالات مختلف شدت تابش مورد بررسی قرار گرفته است.
در روابط - 1 - و Impp - 2 - جریان و Vmpp ولتاژ نقطه حداکثر توان، Isc جریان اتصال کوتاه و Voc ولتاژ مدار باز آرایه است. همچنین K1, K2, K3, K4 و m ضرایب ثابتی هستند که طبق رابطه - 2 - تعریف شد هاند. این روابط در شرایط آزمایشگاهی استاندارد یعنی دمای 25 C stc T و تابش 2 1000w / m stc G داده شدهاند.
رابطه - 1 - فقط در شرایط استاندارد صدق میکند، جهت وارد کردن اثر تغییرات شدت نور و دمای محیط در این معادله می توان به صورت زیر، رابطه جریان- ولتاژ آرایه را در شرایط محیطی مختلف بدست آورد:
-2 رابطه جریان- ولتاژ سلول فتوولتائیک
مدار معادل پیوند نیمههادی سلول خورشیدی در شکل 2 نشان داده شده است. در این شکل Iph، نشاندهنده میزان نور تابیده شده به سلول، دیود D، نمایانگر رفتار شبه دیودی دو قطعه نیمههادی، Rp و Rs به ترتیب نشاندهنده مقاومت الکتریکی سری و موازی پیوند نیمههادی سلول نوری میباشند. این مدار معدل بهصورت روابط - 1 - و - 2 - قابل بیان میباشد.
شکل :2 مدار معادل سلول PV
جدول .1 مشخصات آرایه فتوولتائیک مدل OFFC
مبدل افزاینده ولتاژ است، لذا بهتر است عملکرد اینورتر خازن شناور همراه با مبدل dc/dc افزاینده بررسی شود. در یک سیستم با آرایه فتوولتائیک، هدف از مبدل توان علاوه بر افزایش سطح ولتاژ و تبدیل توان، به دست آوردن حداکثر توان از آرایه فتوولتائیک نیز میتواند باشد. مهمترین محدودیت سیستمهای فتوولتائیک، گرفتن بهره ولتاژ بالا میباشد. برای یک مدول فتوولتائیک، ولتاژ مدار باز حدود 21 ولت و ولتاژ MPPT نیز حدود 16 ولت است، بنابراین افزایش ولتاژ برای اتصال به شبکه ac لازم میباشد.
سیستم متعارف به تعداد زیادی از مدولهای فتوولتائیک به صورت سری نیاز دارد. روش دیگر استفاده از ترانسفورماتور افزاینده فرکانس خط میباشد، اما ترانسفورماتور فرکانس خط معایبی از قبیل وزن و حجم زیاد دارد. اینورترهای منبع ولتاژ متصل به شبکه با مدولاسیون پهنای پالسای که به طور وسیع در سیستمهای فتوولتائیک به کار گرفته میشوند، حداقل دو وظیفه دارند.
اول اینکه ولتاژ لینک dc اینورتر باید در یک مقدار مشخص ثابت شود چرا که ولتاژ خروجی مدولهای فتوولتائیک با دما، شدت تابش و اثرات MPPT تغییر میکنند و دوم اینکه انرژی باید از مدولهای فتوولتائیک به شبکه با تبدیل جریان dc به شکل موج سینوسی سنکرون با شبکه جاری شود. بنابراین برای سیستمهای فتوولتائیک مبتنی بر اینورتری، پارامترهای کیفیت توان شامل THD، ضریب توان بالا و پاسخ دینامیکی سریع، به طور وسیع وابسته به استراتژی کنترلی منطبق بر اینورترهای متصل به شبکه میباشد. شکل 3 بلوک دیاگرام نمونهای از سیستم کنترل اینورتر متصل به شبکه به همراه مبدل dc/dc افزاینده را نشان میدهد.
شکل :3 دیاگرام ساختار کنترلی اینورتر موردمطالعه تکفاز بدون
ترانسفورماتور همراه با مبدل افزاینده
در شکل 4 ساختار دو مرحلهای سیستم موردمطالعه شامل یک اینورتر خازن شناور و مبدل بوست با بهره ولتاژ بالا نشان داده شده است. اینورتر خازن شناور موردمطالعه مطابق با اینورتر ارائه شده در [11] میباشد که این اینورتر جهت بررسی توانایی وصل به شبکه به همراه مبدل dc/dc در این مقاله مورد ارزیابی قرار گرفته است.
مطابق با [11] اینوتر فوق از چهار کلید S1- - - S4، دو دیود - D1,D2 - و دو خازن - C1,C2 - تشکیل شده است که vAn، ولتاژ خروجی اینورتر را نشان میدهد. همچنین vg و ig به ترتیب ولتاژ و جریان شبکه میباشند. همچنین عملکرد این اینورتر را میتوان به سه حالت کلیدزنی - حالت مثبت، حالت صفر، حالت منفی - تقسیم کرد. در نیم سیکل مثبت ولتاژ شبکه، ولتاژ خروجی اینورتر - vAn - بین +Vdc و صفر و در نیم سیکل منفی ولتاژ شبکه، vAn بین -Vdc و صفر تغییر کرده و ولتاژ سه سطحه در خروجی اینورتر ظاهر میگردد.
شکل :4 ساختار کلی سیستم فتوولتائیک شامل اینورتر خازن شناور
شکل 5 مبدل بوست dc/dc با بهره ولتاژ بالا را نشان می-دهد که در مقاله [12] آورده شده است که شامل دو سلف و سه دیود میباشد. این مبدل دارای دو مد کاری به ازای حالات قطع و وصل کلید SDC میباشد . زمانیکه کلید SDC وصل میباشد، دیودهای D1 و D3 روشن و دیود D4 خاموش میشود و در این حالت سلفهای موجود در دو شاخه با هم موازی شده و از طریق PV شارژ میشوند.
