بخشی از مقاله
کنترل فازي به روش استنتاج ممدانی مبدل بوست DC/DC در ردیابهاي خورشیدي
چکیده
در ایـن مقالـه، روش ترکیبـی جدیـدي از ترکیـب دو روش کنتـرل کننـده منطـق فـازي و اسـتفاده از مبـدل بوسـت ارائـه شـده اسـت. کنتـرل کننـده منطـق فـازي ارائـه شـده ردیـابی دقیـق و سـریع نقطـه تـوان بیشـینه را در شـرایط مختلـف محیطـی (تـابش و دمـا) انجــام میدهـد. مدلسـازي ایـن روش جهـت بررسـی عملکـرد آن، موجـب بـه دسـت آوردن پاسـخی دقیقتـر از سیسـتم خواهـد شـد. مشخصـههاي سیسـتمهاي فتوولتائیـک ذاتــاً غیرخطـی بـوده و تـابع پارامترهــاي محیطــی از جملــه میــزان تــابش، دمــاي محــیط و بــار متصــل بــه آن اســت. لــذا بــا انتخــاب مناســب نقطــهکار آرایــه PV میتــوان در شــرایطی کــه میــزان تــابش و دمــا ثابــت اســت حــداکثر تــوان را از آرایــه PV دریافت نمود. بـا تغییـرات شـرایط محیطـی (تـابش و دمـا) نقطـهکار آرایـه تغییـر پیـدا کـرده و در نتیجـه بـا اسـتفاده از الگوریتمهــاي متفــاوت ردیــابی نقطــه تــوان بیشــینه (maximum power point tracking) MPPTمیتوان میزان تـوان دریـافتی از آرایـه را همـواره در مقـدار مـاکزیمم خـود نگـه داشـت، بـه عبـارت دیگـر نقطـه تـوان بیشــینه را ردیــابی نمود.روشــهاي مختلفــی بــراي ردیــابی تــوان بیشــینه وجــود دارد کــه در ایــن مقالــه بــه منظــور اســتفاده بهینــه از ایــن ماژولهــا و کــاهش هرچــه بیشــتر هزینــههاي ردیــابی سیســتمهاي خورشــیدي، اســتفاده از پردازشــگر تــوان بــه منظــور رســیدن بــه نقطــه حــداکثر تــوان و روش کنترلــی بــر مبنــاي اســتنتاج ممــدانی ارائــه گردیــده اســت. در روش پیشــنهادي دوره کــار کلیــدزنی پردازشــگر تــوان متصــل بــه مــاژول خورشــیدي بــه نحــوي کنترل شده که نقطه حـداکثر تـوان مـاژول، تحـت شـرایط مختلـف دمـا و شـدت نـور حاصـل گـردد. مزیـت مهـم بـه دســت آمــده در مقایســه بــا روشــهاي قبلــی، اســتقلال روش کنترلــی از نــوع مــاژول بــه کـار رفتــه و عــدم نیــاز بــه سیگنال مرجع و یـا نیـاز بـه هرگونـه اطلاعـات فیزیکـی از ماهیـت مـاژول میباشـد. امتیـاز کنتـرل کننـدههاي فـازي
در کارکردن بـا وروديهـاي غیردقیـق و غیرخطـی، عـدم نیـاز بـه مـدل ریاضـی دقیـق و همگرایـی سـریع و کمتـرین نوسان در MPPT است.
کلمات کلیدي:
مبدل بوست،سلول فتوولتائیک،ردیابی نقطه حداکثر توان،مدل متلب مبدل بوست،کنترل فازي
.1 مقدمه
با توجه به رو بـه اتمـام بـودن منـابع انـرژي از جملـه سـوختهاي فسـیلی نیـاز بـه اسـتفاده از انـرژي هـاي نـو علـی الخصـوص انـرژي خورشـیدي و بـالطبع آن شـناخت روش هـایی بـراي دریافـت بیشـترین تـوان و بهتـرین بـازده از مبـدل هـاي موجـود بـه آن، از الزامـات عصر حاضر میباشد. لزوم استفاده از انرژيهـاي نـو بـه جـاي انـرژي فسـیلی، انسـان را بـه سـوي اسـتفاده از انـرژي هـاي تجدیـد پـذیر از جمله انرژي خورشیدي سـوق داده اسـت. در ایـن میـان سیسـتمهاي تبـدیل انـرژي خورشـیدي بـه انـرژي الکتریکـی بـه عنـوان یـک منبع انرژي نو و عـاري از آلـودگی زیسـت محیطـی اهمیـت بسـیاري پیـدا کردهانـد. امـا آنچـه کـه در ایـن میـان اهمیـت ویـژه اي دارد، پیداکردن روش هایی جهت دریافت مـاکزیمم تـوان از مبـدل هـاي ایـن انـرژي هـا مـیباشـد .[1] از جملـه کارهـاي انجـام شـده، ارائـه روشهاي گوناگون جهـت ردیـابی نقطـه حـداکثر تـوان ماژولهـاي خورشـیدي اسـت.[2] زیـرا ماژولهـا داراي مشخصـه جریـان- ولتـاژ غیرخطــی بــوده و تنهــا در یــک نقطــه کــار خــاص، حــداکثر تـوان را تولیــد مینمایــد و ایــن نقطــه بــا تغییــر دمــا و شــدت نــور تغییــر مینمایــد.[3] در ایــن مقالــه بــه منظــور اســتفاده بهینــه از ایــن ماژولهــا و کــاهش هرچــه بیشــتر هزینــههاي ردیــابی سیســتمهاي خورشـیدي، اسـتفاده از پردازشـگر تـوان بـه منظـور رسـیدن بـه نقطـه حـداکثر تـوان و روش کنترلـی بـر مبنـاي تئـوري مجموعـههاي فـازي ارائـه میگـردد. در روش پیشـنهادي در ایـن مقالـه دوره کـار کلیـدزنی مبـدل بوسـت متصـل بـه مـاژول خورشـیدي بـه نحـوي کنترل میگردد که نقطه حداکثر توان مـاژول، تحـت شـرایط مختلـف دمـا و شـدت نـور حاصـل گـردد.[4] مزیـت مهـم بـه دسـت آمـده در مقایسه با روشهاي قبلی، استقلال روش کنترلـی از نـوع مـاژول بـه کـار رفتـه و عـدم نیـاز بـه سـیگنال مرجـع و یـا نیـاز بـه هرگونـه اطلاعات فیزیکی از ماهیت مـاژول میباشـد. امتیـاز کنتـرل کننـدههاي فـازي در کـارکردن بـا وروديهـاي غیردقیـق و غیرخطـی، عـدم نیاز به مدل ریاضـی دقیـق و همگرایـی سـریع و کمتـرین نوسـان در MPPT اسـت.[5] قابلیـت سیسـتم هـاي فـازي، ردیـابی آنلایـن ماکزیمم توان، مقاوم بودن در مقابـل تغییـرات تـابش و دمـاو عـدم نیـاز بـه سنسـورهاي خـارجی بـراي انـدازهگیري شـدت تـابش و دمـا است ، به این معنا کـه در ایـن روش نیـازي بـه سنسـورهاي دمـا و شـدت نـور نمیباشـد و کنترلـر فـازي توانـایی ردیـابی نقطـه حـداکثر توان را در شرایط پیش بینی نشده دارد. [6]
در روشــهاي گونــاگون آرایــههاي خورشــیدي ثابــت بــوده لــذا بــا حرکــت خورشــید و تغییــر زاویــه تــابش بــر روي ســطح آرایــههاي خورشیدي توان دریافتی از آرایـه PV کـاهش مییابـد امـا بـاز در ایـن حالـت نیـز در شـرایط مختلـف محیطـی، اسـتخراج تـوان بیشـینه از آرایـه PV داراي اهمیـت میباشـد.[7] بـا اسـتفاده از سیسـتم ردیابکننـده تـوان بیشـینه،دائمــاً سیسـتم در حـالتی تنظـیم میشـود که همواره بیشترین توان را مستقل از شرایط محیطی یا شرایط بار در اختیار قرار دهد.
.2 سیستم فتوولتائیک :
یکی از اصـلیتـرین راههـاي اسـتفاده از انـرژي خورشـید، اسـتفاده از سیسـتمهاي فتوولتائیـک (Photovoltaic) یـا بـه طـور مختصـر
PV است . فتو به معنی نور و ولتاییک بـه معنـی الکتریسـیته مـی باشـد .همـه ایـن سـلول هـا در خـود یـک یـا چنـد میـدان الکتریکـی دارند که باعث ایجاد ولتاژ می شـوندل ف. بـه پدیـدهاي کـه در اثـر تـابش نـور بـدون اسـتفاده از مکانیزمهـاي محـرك ، الکتریسـیته تولیـد میکنـد پدیـده فتوولتائیـک و بـه هـر سیسـتمی کـه از ایـن پدیـدهها اسـتفاده کنـد سیسـتم فتوولتائیـک گوینـد. اسـتفاده از سیسـتمهاي فتوولتائیک به مـا ایـن قابلیـت را میدهـد کـه محـیط زیسـت پـاکیزهاي داشـته باشـیم، چـرا کـه سیسـتم تولیـد الکتریسـیته فتوولتائیـک اثـرات جـانبی بسـیار نـاچیزي بـر طبیعـت دارد و بـرخلاف سـوختهاي فسـیلی کـه تجدیـد ناپـذیر هسـتند و روزي بـه پایـان میرســند، انرژي خورشیدي منبعی تجدید پـذیر بهشـمار میآیـد کـه تـا روزي کـه حیـات در کـره خـاکی وجـود دارد قابـل اسـتفاده و بهـره بـرداري است.
فتوولتائیـک یکـی از منـابعی اسـت کـه نقـش قابـل تـوجهی در سـبد سـرمایهگذاري انـرژي دارد و بزرگتـرین سـهم را در تولیـد انـرژي الکتریکی در بین تمام نامزدهـاي انـرژي تجدیـد پـذیر بـازي میکنـد. زیـرا ایـن انـرژي یکـی از منـابع تولیـد انـرژي تجدیدپـذیر، بـدون آلاینــدگی و قابلیــت اطمینــان بــالا میباشــد. سیســتم منبــع اتصــال بــه شــبکه PVاخیــراً، بــه یکــی از بخشهــاي در حــال رشــد در کاربردهاي مسکونی در اروپا، ژاپن و آمریکا تبدیل شده است.
سیســتم PV میتوانــد در هــر آب و هــوایی کــار کنــد. درســت اســت کــه در آب و هــواي ابــري و یــا بــارانی میــزان تولیــد انــرژي الکتریسیته کاهش پیـدا میکنـد، ولـی بـه هـر حـال ایـن میـزان هیچوقـت در هنگـام روز از %25 میـزان حـداکثر ظرفیـت تولیـد انـرژي سیسـتم، کمتـر نخواهـد بـود. ایـن در حـالی اسـت کـه در شـرایط معمـولی تـا %80 میـزان تولیـد حـداکثر سیسـتم، انـرژي الکتریسـیته تولید خواهد شد.
یک سـلول PV منحصـر بـه فـرد کوچـک، نیرویـی در حـدود 1 تـا 2 وات تولیـد مـی کنـد. بـراي بـالا بـردن انـرژي سـلولهاي PV، بایستی آنها را به هم وصل کرد تا واحد بزرگـی کـه مـاژول نامیـده مـی شـود شـکل بگیـرد. متأسـفانه ولتـاژ خروجـی مـاژول هـاي PV نسبتاً پایین است.
.3 مشخصه الکتریکی آرایه فتوولتائیک در شرایط استاندارد
در آرایـه فتوولتائیـک مـورد بررسـی از مـاژول خورشـیدي مـدل MA 36/45 کـه مشخصـات فنـی و الکتریکـی ایـن مـاژول در زیـر ذکر شده استفاده شده است (شدت تابش 1 کیلو وات بر متر مربع و دماي 25 درجه سانتیگراد) .
با اتصال ماژول ها به هم، واحد بزرگتري به نام آرایـه تشـکیل مـیشـود کـه مـیتوانـد انـرژي بیشـتري تولیـد کنـد. بـراي دسـتیابی بـه ولتاژ بالا، پیکره بندي اتصال سـري مـاژولهـا، راه حـل متعـارفی اسـت. در سیسـتم شـبکه خـانگی، بـه منظـور تـأمین ولتـاژ 220 ولـت معمولاً آرایه هاي PV را در پشـت بـام نصـب مـی کننـد. بنـابراین نیـروي تولیـد شـده از آرایـه هـاي PV بـا سـاختار سـري، هنگـامی که توسط سایههـایی همچـون ابرهـا، درختـان، خانـههـاي همسـایه و... پوشـانده مـیشـوند، کـاهش مـییابـد. در ایـن وضـعیت سـاختار موازي آرایههاي PV، بـه دلیـل عملکـرد آنهـا، رانـدمان بـالاتري نسـبت بـه سـاختار سـري دارد. جریـان خروجـی مـی توانـد بـه مقـدار بالاتري بـا سـاختار مـوازي آرایـه هـاي PV برسـد، از طـرف دیگـر ولتـاژ تولیـد شـده بـا سـاختار مـوازي پـایین اسـت، بنـابراین از ایـن ساختار نیز به تنهایی نمیتوان استفاده کرد. از سري و موازي کردن سلولهاي خورشیدي میتوان به جریان و ولتاژ قابل قبولی دست یافت.
MPPT .4
در اکثر سیستمهاي فتوولتائیک جهت تطبیق بـار بـا سـلول خورشـیدي بـه منظـور جـذب حـداکثر تـوان، یـک مبـدل سـوییچینگ سـلول و بار قرار میگیرد. اهمیت این مبدل بدین دلیل اسـت کـه میتوانـد ردیـابی نقطـه حـداکثر تـوان را بـه میـزان قابـل تـوجهی بهبـود دهـد بدون آنکه هزینه سیستمهاي فتوولتائیـک را بـالا ببـرد. از آنجاییکـه ماژولهـاي خورشـیدي خـود بـه تنهـایی هزینـه بـالایی دارنـد و بایـد از حـداکثر انـرژي آنهـا اسـتفاده کـرد، بنـابراین اسـتفاده از روش کنترلـی ارزان و بهینـه اهمیـت بیشـتري پیـدا میکنـد، پـس بایـد روش کنترلی براي پردازشگر توان انتخاب کرد که توانایی ردیابی نقطه بهینه را تحت شرایط مختلف دما، شدت نور و بار داشته باشد.
سیستمهاي فتوولتائیک به دلیـل عـدم آلـودگی محـیط زیسـت و طـول عمـر زیـاد یـک انتخـاب مناسـب بـراي تـأمین انـرژي الکتریکـی منازل واماکن صنعتی میباشند. اما از آنجا کـه قیمـت تمـام شـده ایـن سیسـتمها بـالا اسـت، بایـد ماژولهـاي خورشـیدي بـا بـازده بـالا و قیمت پایین تولیـد شـوند و همچنـین تحقیـق در زمینـه مبـدلهاي DC/DC و روشـهاي کنتـرل آنهـا تـا بـازده سیسـتم فتوولتائیـک حداکثر گردد. براي این منظور بایـد سیسـتم مکـانیکی داشـت کـه صـفحات خورشـیدي را در هـر زمـان در سـمت نـور مسـتقیم خورشـید قـرار دهــد، همچنـین بایـد سیسـتم الکترونیکـی داشـت تـا خروجـی صـفحات خورشـیدي را در نقطـه کـاري مناسـب کـه حـداکثر تـوان انتقالی را داشته باشـد قـرار دهـد.[8] بررسـی ماژولهـاي خورشـیدي نشـان میدهـد کـه مشخصـه جریـان-ولتـاژ ماژولهـا بشـدت غیـر خطـی بـوده و تـابعی از دمـاي سـلول، شـدت نـور تابشـی، طـول عمـر و مشخصــه بـار میباشـند. در ضـمن بـه ازاي دمـا و شـدت نـور خاصـی، تنهـا یـک نقطـه کـار در مشخصــه وجـود دارد کـه حـداکثر تـوان را ایجـاد مینمایـد. از ایـن رو بایـد سیسـتمی بـراي کنتـرل سلولهاي خورشیدي در نظر گرفـت کـه عـلاوه بـر قـرار دادن سـلول خورشـیدي در بهتـرین نقطـه کـار، در صـورت تغییـر ایـن نقطـه بـه واسطه شـرایط آب و هـوایی بتوانـد ردیـابی مسـتمر نقطـه حـداکثر تـوان انتقـالی سیسـتم را بـه سـرعت یافتـه و سـلول خورشـیدي را در نقطـه بهینـه قـرار دهـد. در جهـت رسـیدن بـه مـاکزیمم تـوان در سـلول هـاي خورشـیدي تـا کنـون در دنیـا روش هـاي زیـادي ارائـه گردیده است که از میان آنهـا مـی تـوان بـه ردیـابی خورشـید در آسـمان جهـت دریافـت بیشـترین تـابش و نیـز بکـاربردن مبـدل هـایی جهت رسیدن به ماکزیمم نقطه ي توان در نمودار ایـن سـلول هـا (کـه بـدلیل متغییـر بـودن دمـا و تـابش پیوسـته ایـن نمـودار هـا تغییـر می کنند) اشاره کرد.
عملکرد آرایههاي خورشیدي توسط دو منحنی I-V و P-V تعریف میشوند.
تــا کنــون روشــهاي مختلفــی در ایــن زمینــه ارائــه گردیــده اســت. در ایــن روشــها آرایــههاي خورشــیدي ثابــت بــوده ، لــذا بــا حرکــت خورشــید و تغییــر زاویــه تــابش بــر روي ســطح آرایــههاي خورشــیدي تــوان دریــافتی از ســلول فتوولتائیــک (pv) کــاهش مییابــد.
جدول (2) انرژي برحسب زاویه تابش
اما بـاز در این حالـت نیــــــز در شـــــرایط مختلـف محیطـی ، اسـتخراج تـوان بیشـینه از آرایـه pv اهمیـت دارد. بـا اسـتفاده از روشـهاي ردیـابی تـوان بیشـینه دائمــاً، سیسـتم درحالتی تنظیم میشود که همواره بیشـترین تـوان را مسـتقل از شـرایط محیطـی و شـرایط بـار در اختیـار قـرار دهـد. از آنجـایی کـه تـوان الکتریکی تامین شده توسط سیستم هاي خورشـیدي بـه عـایق بنـدي دمـا و میـزان تـابش بسـتگی دارد، کنتـرل نقـاط عملکـردي بـراي نمــایش مــاکزیمم تــوان دســتگاه خورشــیدي ، ضــروري اســت تــا صــرف نظــر از درجــه حــرارت وشــرایط پرتــوافکنی و همچنــین مشخصـات الکتریکـی بـار بتـوان تـوان خروجـی سـلول خورشـیدي را بـه حـداکثر رسـاند .روشهـاي مختلفـی بـراي ردیـابی مـاکزیمم تـوان Maximum Power Point Tracing کـه شـامل مبـدل dc/dc مـی باشـد و توسـط میکروکنترلـر کنتـرل مـی شـود وجــود دارد کــه در ایــن مقالــه تمرکــز بــر روي روش کنتــرل فــازي میباشــد. [9] زیــرا اســتفاده از روش فــازي جهــت دســتیابی بــه ماکزیمم توان میتوانـد مسـتقل از شـرایط فیزیکـی مـاژول خورشـیدي و شـرایط محیطـی باشـد . تفـاوت عمـده شـیوه ي بـه کـار رفتـه در سیسـتم Maximum Power Point Tracing مطـرح شـده بـا دیگـر تکنیـکهـاي بـه کـار رفتـه ، در مقـاوم بـودن نسـبت به تغییرات دما ، شدت نـور ، تغییـرات بـار و همچنـین عـدم نیـاز بـه سنسـورهاي دمـا و شـدت نـور اسـت ، بـه همـین علـت پیچیـدگی سیستم را کاهش می دهد. [10] چنین سیستمی داراي بازدهی بالا و قیمت پایین می باشد .
