بخشی از مقاله
چکیده -
برای استفاده از نور خورشید و تبدیل آن به انرژی الکتریکی از سلولهای فوتوولتاییک استفاده میشود.سیستم فتوولتائیک به علت شرایط خاص آن، از جمله میزان آلودگی بسیارکم و طبیعت پایدار ان بعنوان مهم ترین منبع انرژی تجدید پذیر مطرح شود
در این مقاله از منطق فازی که کارآیی بالایی در تقریب توابع غیرخطی دارد استفاده می شود. قدرت منطق فازی برای مدلسازی سلول خورشیدی و تخمین حداکثر توان در شرایط مختلف محیطی استفاده شده است . بهره های کنترلر PI بر اساس جریان خطا و تغییر در جریان خطا از طریق کنترلر فازی آپدیت و بروزرسانی می شود. جریان خطا در فرمت مستقیم و مربعی ورودی های کنترلر PI هستند. کنترلر PI، ولتاژ مرجع را به روش مدولاسیون پهنای پالس تولید می کند. در اینجا، ولتاژ مرجع با سیگنال حامل برای تولید پالس ها به اینورتر سه فاز متصل به شبکه، مقایسه شده است . این در سیمولینک متلب اجرا و تائید شده است.
-1 مقدمه
این انرژی به انرژی سبز معروفند چرا که این منبع انرژی نسبت به منابع دیگر انرژی های تجدید پذیر با اطمینان بیشتر و بدون آلودگی، انرژی الکتریکی تولید می کند[ 2 ,1 ]هزینه بالای راه اندازی اولیه و نیز راندمان پایین تبدیل انرژی از جمله معایب استفاده از سیستم های فتوولتائیک می باشد. برای کاهش معایب فوق تالشهای بسیاری انجام شده و در حال انجام است تا راندمان تبدیل انرژی را با افزایش کیفیت سلول های خورشیدی و نیز دریافت حداکثر توان از سلولهای خورشیدی افزایش دهند.
سلولهای فتوولتاییک دارای رابطه ولتاژ- جریان غیرخطی هستند. با تغییر شدت نور خورشید و دما، جریان و ولتاژ خروجی سلول خورشیدی تغییر میکند و در هر یک از شرایط محیطی مقدار توان حداکثر متفاوت خواهد بود.[3] با توسعه فناوری های انرژی تجدیدپذیر، ساختارهای اینورتر و سیستم های کنترل مختلفی برای اینورتر های انرژی تجدیدپذیر مورد بررسی قرار گرفته اند.
در مقالات و تحقیقات پیشین، کنترلر های PI یا PID برای کنترل شبکه تبادل اینورتر منبع ولتآژ - VSI - استفاده شده اند. کنترلر PI با بهره های ثابت برای نقطع عملیاتی ثابت، یک عملکرد مجاز و قابل قبول را فراهم می کند اما وقتی نقطه عملیاتی اینورتر بسته به دینامیک دستگاه - نیروگاه - و همچنین بسته به شرایط طبیعی مانند تابش خورشید در مورد سیستم فتوولتائیکی و سرعت باد بطور پیوسته تغییر می کند و عملکرد گذرای ضعیف بدست می آید .[4] علاوه بر ولتاژ، فرکانس شبکه نیز ممکن است در طول عملیات اینورتر، امپدانس را تغییر و تراز کند
بنابراین، عملیات شبکه متصل کننده اینورتر با تکنیک های کنترل خطی با بهره ثابت، با تغییر در پارامترهای سیستم، عملکرد مناسبی را ارائه نمی دهد. شبکه متصل کننده اینورتر نه تنها شرایط مختلف را تحت تاثیر قرار می دهد همچنین با استانداردهای بین المللی نیز مطابقت دار
کنترل منطق فازی - FLC - ، غیر خطی است که برای بروزرسانی بهره های کنترلر PI یا PID با توجه به عملکرد بهتر با تغییر شرایط پارامتری و اختلالات بار، استفاده می شود . بنابراین، FLC ، عملکرد بهتری را برای کنترل نیروگاه با تغییرات دینامیکی ارائه می دهد و برای استخراج ماکزیمم توان از پانل فتوولتائیکی استفاده می شود
کنترلرهای فازی-PI ، منطق فازی، بهره های کنترلر PI را بر اساس نقطه عملکرد سیستم بسته به تغییرات پارامتری، تصمیم گیری می کنند .
کنترل PI فازی باعث می شود سیستم برای استخراج تغییرات شرایط خارجی که در سیستم های انرژی تجدیدپذیر از جمله فتوولتائیکی و بادی وجود دارند غیر حساس باشند .[17] از آنجا که مشخصات عرضه و شرایط شبکه متغیر هستند کنترل تطبیقی اینورترهای متصل شبکه برای دستیابی به الزامات شبکه و همچنین مصرف کنندگان مهم و ضروری هستند
-2 مدل آرایه فتوولتائیک
شکل :1 سلول فتوولتائیکی
همان ظور که در شکل 1 آمده یک سلول فتوولتائیکی، یک دیود ساده رابط P-N است که تابش خورشید را به برق تبدیل می کند. سلول فتوولتائیکی به عنوان ترکیبی از منبع جریان - Ipv - ، مقاومت شنت - Rp - ، دیود و یک مقاومت سری - Rs - ارائه می شود. به منظور غلبه بر نقایص مدلسازی تک دیود فتوولتائیکی در ولتاژهای بالا و پایین، یک مدل دو دیودی از سلول خورشیدی فتوولتائیکی - شکل - 2 در نظر گرفته می شود
شکل :2 مدل دو دیودی سلول فتوولتائیکی
سلول های فتوولتائیکی برای تولید و ایجاد واحد فتوولتائیکی به صورت سری متصل شده اند .معادله پایه که خروجی جریان واحد فتوولتائیکی را با استفاده از یک مدل دو دیودی توصیف می کند با معادله ارائه شده است. رابطه ولتاژ-جریان سلول فتوولتائیکی در معادله 1، برای واحد فتوولتائیکی به صورت زیر اصلاح و تغییر یافته است
-3 اینورتر سه فازی
اینورتر منبع ولتاژ سه فازی با فیلتر LCL به شبکه متصل شده است. و شامل شش سوئیچ است - شکل . - 2 در این مقاله، سوئیچ ها به کمک کنترلر PI فازی تطبیقی کنترل می شوند. ولتاژ خروجی اینورتر در شرایطی از لحاظ حالات سوئیچینگ و ولتاژ DC ورودی تعریف می شوند. مقدار ولتاژ خروجی بوسیله شاخص مدولاسیون PWM کنترل می شود و فرکانس ولتاژ خروجی برابر با فرکانس موج مرجع ایجاد شده توسط کنترلر فازی است.
در سیستم فتوولتائیکی متصل به شبکه، واحدها به صورت ساختارسری-موازی با هر تعداد از واحدهای فتوولتائیکی - واحدهای - Nss*Npp برای ایجاد آرایه فتوولتائیکی پیکربندی می شوند. سپس ارتباط ولتاژ-جریان واحد فتوولتائیکی در معادله 1 برای آرایه فتوولتائیکی اصلاح می شود و به صورت معادله 2 در می آید .[22]
که در آن Ipv، 1Io، 2Io و Rs پارامترهای واحدهای جداگانه، Ns و Np به ترتیب تعداد سلول های متصل به صورت سری و موازی واحد ، Nss و Npp تعداد واحدهای متصل به صورت سری و موازی برای آرایه هستند. پارامترهای آن در جدول 1 آمده است
جدول :1 پارامترهای واحدهای متصل به صورت سری و موازی
شکل :2 شبکه سه فازی متصل به اینورتر فتولتائیکی
پس، ولتاژ خروجی Vi می تواند مربوط به بخش حالت سوئیچینگ S و Vpv باشد:
که در آن Vpv ولتاژ PV بعد از MPPT است.
دیاگرام بلوک کلی سیستم در شکل 3 نشان داده شده است. کنترلر فازی برای بروزرسانی بهره های کنترلر PI برای تغییرات پارامتریک استفاده می شود. کنترلر PI خطا را در جریان پردازش می کند و ولتاژ مرجع را تولید می کند. ولتاژ مرجع ورودی عملیات PWM است که سیگنال سوئیچینگ را برای اینورتر سه فازی ایجاد و تولید می کند. در این مقالهف شاخص مدولاسیون فرکانس به صورت 200 در نظر گرفته شده است. مقدار ولتاژ خروجی با شاخص مدولاسیون ولتاژ کنترل می شود. و وابسته به خطای جریان است.
شکل :3 دیاگرام بلوک کلی اینورتر فتوولتائیکی متصل به شبکه
جدول :2 پارامتر سیستم
-4 طراحی کنترلر PI فازی
معماری کنترلر فازی در شکل 4 نشان داده شده است. این کنترلر دارای سه واحد به نام واحد فازی سازی، واحد رابط، و واحد غیر فازی سازی در ترمینال خروجی است. این کنترلر دارای متغیرهای ورودی و خروجی است. خطا و تغییر در جریان های خطا ورودی هایی هستند که در آن بهره نسبی - Kp - و بهره انتگرالی - 1K - متغیر خروجی هستند
خطا در جریان و تغییر در جریان های خطا، در معادلات 4 و 5 تعریف شده اند. تغییر در جریان خطا به معنی اختلاف در بین جریان خطای فعلی و مقدار جریان خطای قبلی است. که به ترتیب در معادلات 4 و 5 تعریف می شوند. در این مقاله، پنج سطح عضویت ورودی به عنوان بزرگ منفی - 2NL - ، کوچک منفی - 1NS - ، صفر - Z - ، کوچک مثبت 1PS - - ، بزرگ مثبت - 2PL - و برای تابع عضویت خروجی سه سطح به صورت بزرگ - 2L - ، متوسط - 1M - ، کوچک - So - تعریف می شوند که برای ایجاد توابع عضویت خروجی و ورودی و بر اساس جدول ماتریس قوانین برای متغیر خروجی Ki و kp در جداول 3 و 4 ارائه شده اند
تابع عضویت متغیرهای ورودی و خروجی در شکل های 5 و 6 نشان داده شده اند. بنابراین جریان هارمونیک در سیستم قدرت باعث انحراف ولتاژ میشود که باعث افزایش اتلاف خط میشود و ضریب قدرت را کاهش میدهد. هارمونیک فعلی در سیستم باعث گرمایش ترانسفورماتورها و کابلها شده و این ممکن است بهرهوری انرژی را کاهش داده و به تجهیزات الکترونیکی آسیب برساند. فیلتر LC یک روش سنتی برای کاهش هارمونیکها فعلی به دلیل سادگی و کاهش هزینه است. اما، به این دلیل که بالا بودن, نسبت سلف و خازن، یک نقطه ضعف می باشد.
بنابراین در این مقاله برای حذف هارمونیک از شبکه قدرت، از مقایسه استراتژی کنترل PI و فازی استفاده می کنیم که ویژگیهای فیلترهای قدرت فعال برای اتصال به شبکه را نشان میدهد .از این استراتژی برای جبران عدم تعادل فعلی و در توان راکتیو استفاده شده و استراتژیهای کنترلی مطابق با بار نامتعادل 3 فاز چهار سیمه به عنوان یک سیستم بار خطی متوازن در شبکه توسط اینورتر مورد استفاده قرار می گیرد.
Kp و Ki از کنترلر منطق فازی برای کنترلر PI در نظر گرفته شده اند. دیاگرام شماتیکی کنترلر PI در شکل 7 نشان داده شده است. مقادیر Kp و Ki با خطا ضرب شده اند و به آرایه مرتبه صفر و انتگرال زمانی گسسته فرستاده می شوند.
شکل :4 معماری کنترلر فازی
شکل :5 توابع عضویت خطا در جریان های Id و Iq
شکل :6 توابع عضویت تغییر در خطای - Id , Iq -
شکل :7 دیاگرام شماتیکی کنترلر PI
جدول :3 جدول ماتریس قوانین برای متغیر خروجی Kp
