بخشی از مقاله
چکیده
ما سعی داریم به یک سیستم ترکیبی فتوولتاییک- باتري بر پایه اینورتر شبکه امپدانسی بپردازیم. در این مقاله لازم است سیستم در دو حالت متصل به شبکه و جدا از شبکه کار کند، یک سیستم کنترل کننده چند حلقهاي براي سیستم طراحی میشود. در حالت متصل به شبکه، از کنترلکننده جریان اینورتر به عنوان کنترلکننده داخلی سیستم استفاده شده و از کنترلکننده جریان باتري به عنوان کنترل کننده خارجی استفاده میشود.
در حالت جدا از شبکه، از کنترلکننده جریان باتري به عنوان کنترلکننده داخلی و از کنترلکننده ولتاژ به عنوان کنترلکننده خارجی استفاده میشود. در هر دو حالت متصل به شبکه و جدا از شبکه، سیستم کنترل ولتاژ سیستم فتوولتاییک به صورت مستقل از سایر حلقههاي کنترل و از طریق تنظیم ضریب اتصال کوتاه شوندگی اینورتر، ولتاژ سیستم فتوولتاییک را کنترل میکند. عملکرد سیستم طراحی شده توسط شبیهسازيها در نرمافزار MATLAB/simulink تایید میشود.
.1 مقدمه
به دلیل بروز مشکلات زیست محیطی، کاهش ذخایر سوختهاي فسیلی و پیشرفت در زمینه سیستمهاي کنترل و مبدلهاي الکترونیک قدرت و همچنین پیشرفت تکنولوژي ساخت منابع تولید انرژي جدید، منابع انرژي نو رشد گستردهاي در سیستمهاي قدرت امروزي داشتهاند. سیستمهاي فتوولتاییک، توربینهاي بادي، پیل سوختی، انرژي زمین گرمایی، و نیروگاههاي مبتنی بر سوختهاي زیستی از مهمترین این نوع از منابع میباشند. وجود این نوع منابع منجر به تولید انرژي پاك و ارزان در آینده شده و میتوانند جایگزین مناسبی براي نیروگاههاي کنونی باشند.
وجود انبوه این نوع از منابع، باعث بروز مشکلات پایداري در ولتاژ و محدودیتهایی در تولید توان نیروگاههاي اصلی شبکه میشود - هورنیک و ژونگ، . - 2011 این مساله به این دلیل است که عمدتا از منابع انرژي نو و منابع تولید پراکنده به عنوان منابع تولید توان موقتی استفاده میشود که از سمت اپراتورهاي سیستمهاي توزیع و انتقال و سیستم دیسپاچینگ فرمان کنترلی دریافت نمیکنند . لذا، افزایش تعداد این نوع از منابع منجر به شکلگیري شبکههاي غیرفعال غیرانعطافپذیر شده که قادر نمیباشند متناسب با نیازسیستم قدرت به تولید توان بپردازند
همین طور افزایش منابع تولید پراکنده کنترل نشده، امکان بهرهبرداري بهینه از این منابع را میکاهد، لذا در این شرایط منابع تولید پراکنده به طور کنترلنشده و بدون در نظر گرفتن مسائل مربوط به پخش بار بهینه به تولید توان میپردازند که منجر به عملکرد نیروگاههاي متصل به شبکه در نقطهي کار کمتر از مقدار ظرفیت نامیاشان میشوند. در این شرایط نیروگاههاي با ظرفیتهاي بزرگ تنها در نقش منابع یدکی ظاهر میشوند و بسیار پایینتر از ظرفیت توان نامی و با بازدهی پایین کار کرده و اجبارا لازم میشود ظرفیت نصب شده آنها بسیار بیشتر از ظرفیت مورد بهرهبرداري آنها باشد
.2 ساختار سیستم ترکیبی فتوولتاییک باتري مبتنی بر اینورتر منبع شبه امپدانسی - کوازي -
سیستم ترکیبی فتوولتاییک - باتري مورد مطالعه در - شکل - 1، نشان داده شده است. به دلیل وجود سیستم ذخیرهساز انرژي، این سیستم میتوان در هر دو حالت متصل به شبکه و جدا از شبکه کار کند. در این سیستم تنها از یک اینورتر و یک شبکه امپدانسی براي اتصال منابع فتوولتاییک، باتري و شبکه AC به یکدیگر استفاده شده است که منجر به کاهش در هزینه، تلفات، حجم و قیمت سیستم میشود. در ساختار مبدل سنتی، لازم است براي هر یک از منابع فتوولتاییک و باتري از یک مبدل DC/DC جداگانه استفاده شود که منجر به افزایش در قیمت، حجم و تلفات سیستم میشود.
شکل :1 سیستم ترکیبی فتوولتاییک- باتري مبتنی بر اینورتر شبکه شبه امپدانسی - کوازي -
براي طراحی کنترلکننده لازم است در ابتدا مدل دینامیک سیستم به دست آید. - کوا و همکاران، - 2011 در اینجا براي مدلسازي سیستم فتوولتاییک -باتري متصل به شبکه امپدانسی، از مدار معادل سیستم در حالات اتصال کوتاه شدگی و غیر اتصال کوتاه شدگی استفاده می شود. در حالت اتصال کوتاه شدن ساقهاي اینورتر، ولتاژ قرار گرفته بر روي دیود موجود در شبکه امپدانسی معکوس شده و دیود را قطع میکند. در این حالت مدار معدل سیستم به صورت نشان داده شده در - شکل - 2 میباشد.
در اینجا مقاومت rL بیان کننده مقاومت پارازیتی سلفها بوده و مقدار آن براي هر دو سلف برابر فرض شده است. همچنین مقدار مقاومت معادل باتري برابر با Rb فرض شده است. لازم به ذکر است که در اینجا به این دلیل که مقدار سلف سري شده با باتري بسیار کوچکتر از سلفهاي موجود در شبکه امپدانسی میباشد، از سلف سري شده با باتري صرف نظر شده است.
شکل :2 مدار معادل اینورتر منبع شبه امپدانسی - کوازي - مجهز به باتري و سیستم فتوولتاییک، - a - حالت اتصال کوتاه شدگی، - b - حالت غیر اتصال کوتاه شدگی.
.3 طراحی سیستم کنترل
با توجه به عملکرد سیستم در یک شبکه با قابلیت اتصال به شبکه و عملکرد جدا از شبکه اصلی، لازم است سیستمهاي کنترل طراحی شده قادر باشند در دو حالت متصل به شبکه و جدا از شبکه کار کند. در حالت متصل به شبکه، ولتاژ و فرکانس سیستم برابر با ولتاژ و فرکانس شبکه اصلی میباشند، لذا نیازي به استفاده از سیستم فتوولتاییک- باتري معرفی شده براي کنترل پارامترهایی از قبیل فرکانس و ولتاژ نمی باشد.
با این وجود در این حالت نیاز است که توان تولید شده در سیستم فتوولتاییک به شبکه منتقل شود. همچنین لازم است توان ارسال شده به شبکه از قابلیت کنترل پذیري نیز برخوردار باشد. با توجه به تولید کنترل نشده سیستم فتوولتاییک، لازم است از باتري به عنوان ابزاري براي کنترل توان استفاده کرد. در حقیقت باتري با جذب و تولید انرژي کنترل نشده سیستم فتوولتاییک، منجر به تولید یک توان یکنواخت در خروجی سیستم میشود.
به این منظور، در حالت متصل به شبکه، لازم است سیستم در حالت کنترل توان کار کرده و تنها توان تزریقی به شبکه را کنترل کند. در این حلت ولتاژ سیستم فتوولتاییک در یک مقدار مرجع تنظیم شده و جریان باتري به گونه اي تنظیم می شود که توان مورد نیاز به شبکه تزریق شود. مقدار توان تزریق شده به شبکه بر اساس پارامترهاي اقتصادي و یا فنی براي عملکرد بهینه سیستم و شبکه بالادست تعیین میشود.
در حالت جدا از شبکه اصلی، لازم است علاوه بر تامین توان مورد نیاز بار، ولتاژ و فرکانس سیستم نیز در یک محدوده مجاز کنترل شوند. به این منظور در این حالت لازم است از باتري براي برقراري تعادل توان مصرفی در بار و توان تولیدي سیستم فتوولتاییک استفاده شود. با توجه به تولید نامعلوم سیستم فتوولتاییک، باتري با جذب و یا تولید توان، نیازهاي بار را برطرف میکند. در این حالت در سمت سیستم کنترل AC، لازم است از حلقه هاي کنترل ولتاژ نیز استفاده شود
ساختار سیستم فتوولتاییک- باتري در - شکل - 3 معرفی شده است. در این شکل باتري به باس میانی سیستم متصل شده است که یک باس با قابلیت تبادل دوطرفه توان است که براي شارژ و دشارژ باتري مناسب است. سیستم فتوولتاییک به یک باس یک طرفه متصل شده است که تنها قابلیت انتقال توان از سیستم فتوولتاییک به شبکه امپدانسی را داراست. با توجه به این که لازم است سیستم معرفی شده قادر باشد در حالت جدا از شبکه کار کند، سیستم مذکور باید قادر باشد در توانهاي پایین بار و حتی حالت بی باري هم کار کند. عملکرد در حالت بی باري و یا حالتی که در آن سیستم فتوولتاییک قادر به تولید توان نیست - به عنوان مثال در طول شب - منجر به خارج شدن سیستم از حالت مد جریان پیوسته1 - CCM - میشود.
