مقاله کنترل اینورتر پنج سطحی سه فاز متصل به شبکه به روش فازی برای سیستم های انرژی خورشیدی

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

کنترل اینورتر پنج سطحی سه فاز متصل به شبکه به روش فازی برای سیستم های انرژی خورشیدی

خلاصه

این مقاله پیرامون کنترل اینورتر کلمپ (NPC) پنج سطحی سه فاز برای سیستم های PV متصل به شبکه می باشد. ردیابی نقطه حداکثر توان (MPPT) قادر به استخراج حداکثر توان از آرایه های PV متصل به هر سطح ولتاژ خط DC می باشد. الگوریتم MPPT به وسیله ی کنترلر منطق فازی پیاده شده است. سیستم MPPT فازی با اینورتر مجتمع شده است به طوری که به مبدل DC/DC نیاز نیست و خروجی از خود پاسخ دقیق و سریعی نشان می دهد. الگوریتم کنترل جریان PI دیجیتال به منظور سینوسی نگه داشتن جریان تزریق شده به شبکه و به منظور دستیابی به عملکرد بالای دینامیکی همراه با اعوجاج هارمونیک کل (THD) پایین استفاده شده است. اعتبار سیستم از طریق شبیه سازی MATLAB/SIMULINK تائید شده است و نتایج از نظر THD با اینورتر NPC متصل به شبکه سه سطحی سه فاز مقایسه شده است.

کلمات کلیدی: اینورتر کلمپ پنج سطحی سه فـاز، ردیـابی نقطـه حـداکثر تـوان، اعوجـاج هارمونیـک کـل، آرایـه هـای خورشیدی.

.1 مقدمه

در سال های اخیر، استفاده از منابع انرژی تجدید شدنی به جای سوخت های فسیلی آلوده کننده و سایر شکل های انرژی، افزایش یافته است. تولید فتوولتائیک به عنوان یک منبع تجدید شدنی به طور فزاینده ای مهم شده است و آلودگی، نگهداری، و انتشار نویز آن با سایر منابع معادل که در کاربردهای قدرت استفاده شده اند، مقایسه شده است.

تجهیزات قدرت بالا به ولتاژهای بالاتر نیاز دارند، که حداکثر سطح ولتاژ DC را محدود می کند. از این رو خانواده ی جدید اینورترهای چند سطحی به عنوان راه حلی برای کاربردهای خورشیدی معرفی شدند، به صورتی که آرایه های PV به صورت مستقیم به هر سطح خط DC وصل می شود. انواع مختلف توپولوژی ها در منابع ارائه شده اند .[2 ,1] این مقاله از توپولوژی NPC استفاده می کند که بعضی از مزایای آن عبارتند از: (1) وجود خازن های خط DC در هر سه فاز متداول است. (2) فرکانس سوئیچینگ می تواند کم باشد و (3) جریان راکتیو و جریان توالی فاز منفی می تواند کنترل شود.

برای کنترل اینورتر چندین روش مدولاسیون از جمله حذف گزینشی هارمونیک PWM، PWM سینوسی، مدولاسیون بردار فضایی، PWM سیگما دلتا و تکنیک های مدولاسیون حلقه بسته وجود دارد .[2] مقدار توان تولید شده به وسیله ی ژنراتور PV بستگی به ولتاژهای کاری صف آرایه های PV دارد. حداکثر نقطه توان عملیاتی با سطح تابش و دما تغییر می کند. سیستم PV در حداکثر نقطه توان با بالاترین بازده خود کار می کند. به منظور افزایش بازده از کنترلرهای MPPT استفاده شده است. این نوع کنترلرها تبدیل به یک المان حیاتی در سیستم های PV شده اند .[3]
به منظور استخراج حداکثر توان از آرایش PV، استراتژی های مختلفی برای کنترل ردیابی توان از جمله اختلال و مشاهده[4]، رسانایی افزایشی [5]، ظرفیت خازنی پارازیتی [6]، ولتاژ ثابت [7]، شبکه عصبی [8] و کنترل منطق فازی [9] پیشنهاد شده اند. در این مقاله، تکنیک کنترل هوشمند، از کنترل منطق فازی (FLC) همراه با MPPT به منظور بهبود راندمان تبدیل انرژی تحت شرایط محیطی متفاوت، استفاده می کند.

هدف اصلی، کنترل توان اکتیو و راکتیو در اینورتر متصل به شبکه، می باشد. برای کنترل توان اینورترهای چند سطحی چندین روش وجود دارد. اکثر آن ها روی الگوریتم های کنترل جریان که خروجی آن ها برای سوئیچینگ اینورتر مدوله شده است، تمرکز کرده اند .[10] کل سیستم تحت شرایط آب و هوایی استاندارد در نرم افزار MATLAB شبیه سازی شده است و میزان تابش به ترتیب از 800، 600 و 100 در یک دوره ی زمانی 0، 0.08 و 0.15 ثانیه ای تغییر می کند.[11]

استفاده از کنترلر PI همراه با FLC، کنترل مستقیم توان سیستم PV متصل به شبکه را امکان پذیر می سازد. نتایج حاصل از اینورترهای NPC پنج سطحی و سه سطحی سه فاز از نقطه نظر سطح THD با یکدیگر مقایسه شده اند. سیستم پیشنهادی متشکل از آرایش PV می باشد که از طریق باس DC به NPC پنج سطحی سه فاز متصل شده است و همان طور که در شکل (1) نشان داده شده به یک شبکه ی ایده آل متصل شده است .[12]

شکل -1 دیاگرام کلی سیستم فتوولتائیک متصل به شبکه.
ساختار کنترل سیستم PV متصل به شبکه از دو ساختار کنترلی تشکیل شده است.

-1 کنترل MPPT، که ویژگی اصلی آن استخراج حداکثر توان از ژنراتور PV می باشد. -2 کنترل اینورتر.

1. برای کنترل اکتیو و تنظیم توان راکتیو تزریق شده به شبکه.

2. برای کنترل ولتاژ باس .DC

3. برای تضمین کیفیت بالای توان تزریق شده.

2. شبیه سازی آرایش PV

آرایش PV استفاده شده در سیستم پیشنهادی، KC200GT است و با استفاده از مدل مبتنی بر آن شبیه سازی شده است .[13] در این مدل، سلول PV توسط یک منبع جریان موازی با دیود و مقاومت های سری همان طور که در شکل (2) نشان داده شده است، نمایش داده شده است.

شکل -2 مدار معادل سلول PV

معادله ی جریان اصلی به صورت زیر داده شده است:

(1)
که در آن جریان تولید شده توسط نور تابشی (مستقیما متناسب با پرتو افکنی خورشید است)، جریان
نشتی دیود، q بار الکترون و برابر c 1.60217646e، k ثابت بولتزمن، T دمای اتصال PN، و a ثابت میزان ایده

آل بودن دیود است.
اما در عمل آرایه PV متشکل از تعداد زیادی سلول PV است که به صورت سری و موازی متصل شده اند. این موضوع باعث می شود تا تعدادی پارامتر اضافی به تساوی (1) اضافه شوند:

پارامترهای آرایش خورشیدی KC200GT در شرایط کاری نامی در جدول (1) نشان داده شده است.

جدول :1 پارامترهای مدل تنظیم شده ی آرایش خورشیدی KC200GT در شرایط کاری نامی.

MPPT .3 فازی

کنترل MPPT برای کنترل سوئیچ اینورتر چند سطحی مبتنی بر منطق فازی است. کنترلرهای منطق فازی مشخصات مورد توجه ای همانند پاسخ سریع و عملکرد خوب ارائه می دهند. کار کردن سیستم های تبدیل انرژی PV در نزدیکی نقطه حداکثر توان به منظور افزایش راندمان سیستم PV بسیار دشوار است. جریان و توان آرایش PV به ولتاژ کاری ترمینال آرایه بستگی دارد. علاوه برا این، حداکثر نقطه توان عملیاتی با سطح تابش یا به عبارتی میزان تابش و دما تغییر می کند. بنابراین، کنترل ردیابی نقطه حداکثر توان یک مسئله پیچیده است.

ردیابی سریع تحت شرایط متغیر، نوسان کم توان خروجی، سادگی و هزینه کم ملزومات کلی MPPT هستند. برای حل این مشکل وجود یک روش دقیق تر ضروری و مهم به نظر می رسد. بنابراین، این مقاله روشی را برای دنبال کردن نقطه حداکثر توان با استفاده از FLC پیشنهاد می دهد. FLC برای کنترل غیر خطی مناسب است. به علاوه در FLC از ریاضیات پییچده استفاده نشده است. رفتارهای FLC بستگی به شکل توابع عضویت و قواعد پایه ای دارد. FLC از سه قسمت تشکیل شده است: فازی سازی، موتور تداخل و غیرفازی سازی.

.1 .3 فازی سازی مقادیر تابع عضویت با استفاده از هفت زیر مجموعه فازی، به متغیرهای زبانی (متغیرهایی که با حروف الفبا نامگذاری

شده اند) اختصاص داده شده اند: NB (منفی بزرگ)، )NMمنفی متوسط)، )NSمنفی کوچک)، )ZEصفر)، )PSمثبت کوچک)، )PMمثبت متوسط) و PB (مثبت بزرگ). تقسیم زیر مجموعه های فازی و شکل تابع عضویت، شکل را با سیستم مناسب تطابق داده است. مقدار خطای ورودی E(K) و تغییر در خطا CE (K) به وسیله ی فاکتور (عامل) مقیاس گذاری ورودی نشان داده شده در شکل 3، نرمال شده است.

شکل .3 ورودی فازی و تابع عضویت خروجی

در این سیستم فاکتور مقیاس گذاری ورودی به گونه ای طراحی شده است که مقادیر ورودی بین- 0/032 و 0/032 باشند. شکل مثلثی تابع عضویت این آرایش را می توان برای هر نوع ورودی خاص که فقط یک زیر مجموعه فازی برجسته دارد، فرض کرد. خطای ورودی E (K) برای FLC را می توان از نقطه حداکثر توان همان طور که در عبارت های زیر داده شده است، محاسبه کرد:

.2 .3 روش تداخل

چندین روش ترکیبی از جمله max-min و max-Dot در مقاله ها پیشنهاد شده اند. در این مقاله از روش max-min استفاده شده است. تابع عضویت خروجی هر قاعده توسط عملگر حداقل و عملگر حداکثر داده شده است. جدول (2) قانون FLC را نشان می دهد.

جدول .2 اساس قانون فازی

.3 .3 غیر فازی سازی همانطور که یک سیستم به کنترل فازی نیاز دارد، به طبقه ی غیر فازی سازی نیز نیاز دارد. برای محاسبه ی خروجی

FLC، روش مرکز ثقل استفاده شده و خروجی FLC، کنترل خروجی را اصلاح می کند. علاوه براین، خروجی FLC سوئیچ اینورتر را کنترل می کند.

در این مقاله، سطح تابش (G) در 0/008 ثانیه از 800 به 600 تغییر کرده است و سپس در 0/015 ثانیه از 600 به 1000 تغییر کرده است. سیستم FLC قانون پایه را به صورتی که در جدول (1) نشان داده شده و تابع عضویت را به صورتی که در شکل (3) نشان داده شده، استفاده می کند. مسیریابی حداکثر توان سیستم PV با استفاده از FLC در شکل (4) نشان داده شده است. می توان مشاهده کرد که FLC نقطه عملیاتی را بسیار سریعتر از سایر تکنیک های MPPT مسیریابی می کند.

شکل .4 مسیریابی MPPT با جریان خروجی.

.4 توپولوژی اینورتر پنج سطحی

ساختار کلی اینورتر چند سطحی، ولتاژ سینوسی را از ترکیب چندین سطح ولتاژ تولید می کند، و به طور معمول از منابع ولتاژ خازنی بهره می برد. اینورتر NPC چند سطحی از سه سطحی شروع می شود. اینورتر NPC ، اینورتر چند سطحی کلمپ دیودی نیز نامیده شده است. معمولا یک اینورتر NPC، m سطحی متشکل از m-1 خازن در باس DC می باشد و m سطح ولتاژ فاز تولید می کند. دیاگرام مدار اینورتر NPC پنج سطحی سه فاز در شکل (5) نشان داده شده است. هر کدام از سه فاز اینورتر یک باس DC معمولی را به اشتراک می گذارند که توسط چهار خازن به پنج سطحی تقسیم شده است. ولتاژ در سراسر هر خازن Vdc است، و ولتاژ ضربه در سراسر هر قطعه سوئیچینگ از طریق دیودهای اتصال به Vdc محدود شده است. جدول (3) سطوح ولتاژ خروجی ممکن برای یک فاز اینورتر با ولتاژ DC خطی منفی V0 به عنوان مرجع را لیست کرده است.

شکل -5 دیاگرام (نقشه) مدار DCMLI پنج سطحی

جدول -3 سطوح ولتاژ DCMLI و حالت های سوئیچینگ

حالت "1" به این معنی است که سوئیچ ON (روشن) است و""0 یعنی سوئیچ OFF (خاموش) است. هر فاز چهار جفت سوئیچ مکمل دارد به طوری که زمانی که یکی از جفت سوئیچ ها روشن می شود، سوئیچ مکمل دیگر خاموش است. جفت سوئیچ های مکمل برای شاخه فاز a عبارتند از: (Sa1 , Sa'1)، (Sa2 , Sa'2)، (Sa3 , Sa'3) و .(Sa4 , Sa'4)

جدول (3) همچنین نشان می دهد که در اینورتر متصل به دیود، سوئیچ هایی که برای شاخه های فاز خاصی روشن هستند همیشه به صورت سری و متوالی هستند. برای یک اینورتر پنج سطحی، مجموعه ای از چهار سوئیچ در هر لحظه روشن (ON) است.

شکل (6) یکی از شکل موج های ولتاژ خط خروجی سه فاز برای اینورتر چند سطحی پنج سطحی را نشان می دهد. ولتاژ خط Vab متشکل از ولتاژ شاخه فاز a و ولتاژ شاخه فاز b می باشد. این به معنی این است که اینورتر متصل به دیود m سطحی دارای ولتاژ فاز خروجی m سطحی و ولتاژ خط خروجی 2(m-1) سطحی است. هم چنین هر قطعه سوئیچنگ اکتیو نیاز دارد که فقط سطح ولتاژ Vdc را تحمل کند اما دیودهای اتصال برای مسدود کردن ولتاژ معکوس به بازه های عملکرد متفاوتی نیاز دارند. با استفاده از فاز a به عنوان مثال، زمانی که تمام سوئیچ های پائین تر Sa'1 تا Sa'4 روشن شده اند، D3 باید 4 سطح ولتاژ یا 3 Vdc را مسدود کند. به همین شکل، D2 باید 2 V dc، و D1 با Vdc را مسدود کند. اگر اینورتر به صورتی طرا حی شده باشد که هر دیود مسدود کننده محدود ولتاژی مشابه سوئیچ های اکتیو داشته باشد، Dn به n دیود سری نیاز دارد ؛ در نتیجه، تعداد دیودهای مورد نیاز برای هر فاز برابر 2 (m-2) است. بنابراین، تعداد دیودهای مسدود کننده به صورت درجه دو وابسته به تعداد سطوح در اینورتر NPC است.