برق 99. روشی جامع برای مدل کردن و شبیه سازی آرایه های فتوولتاییک

روشی جامع برای مدل کردن و شبیه سازی آرایه های فتوولتاییک
    این مقاله یک روش مدل سازی و شبیه سازی آرایه های فتوولتاییک را اریه می دهد. هدف اصلی در اینجا، پیدا کردن پارامترهای معادلات غیرخطی I-V، با تنظیم منحنی در سه نقطه، می باشد: مدار-باز، ماکزیمم توان، اتصال کوتاه. با داشتن این سه نقطه _که توسط همه دیتاشیت های آرایه های تجاری اراایه می شوند_ مدل ارایه شده، بهترین معادلات I-V را برای مدل فتوولتاییک تک-دیود (PV)، شامل اثر مقاومت های سری و موازی، می یابد و تضمین می کند که ماکزیمم توان مدل با ماکزیمم توان آرایه ی واقعی، مطابق باشد. با داشتن پارامترهای معادلات تنظیم شده I-V، می توان یک مدل مداری PV را با یک شبیه ساز مداری _با استفاده از بلوک های ساده ریاضی_ ساخت. روش مدل کردن و مدل مداری ارایه شده، برای طراحان الکترونیک قدرتی که به یک روش مدل سازی ساده، سریع، دقیق، و آسان برای بکاربری در شبیه سازی سیستم های PV نیاز دارند، سودمند می باشد. در صفحات نخست، خواننده با وسایل PV آشنا می شود و پارامترهایی را که مربوط به مدل PV تک-دیود می شوند را درمی یابد.سپس روش مدل سازی معرفی شده و بصورت دقیق ارایه می شود. این مدل برای اطلاعات تجربی آرایه های PV تجاری، معتبر می باشد.
اصطلاحات مربوطه__ آرایه، مدار، معادل، مدل، مدل سازی، فتوولتاییک (PV)، شبیه سازی

پروژه نهایی درس مبدل های توان بالا

فهرست مطالب

1-      مقدمه................... 1

2-      تشریح توپولوژی به کار رفته 3

3-      استراتژی کنترلی. 4

4-      مدلسازی سیستم و طراحی کنترلکنندهها 5

4-1- حلقه کنترل جریان. 5

4-2- حلقه کنترل ولتاژ. 6

5-      الگوریتم MPPT  8

6-      نتایج شبیه سازی. 9

1-    مقدمه

سیستم­های تک فاز فتوولتاییک متصل به شبکه نقش به­سزایی را در تولید انرژی پاک بر عهده دارند. یکی از اهداف مهم در پیاده­سازی این سیستم­ها، افزایش انرژی تزریقی به شبکه به وسیله ردیابی نقطه حداکثر توان[1] (MPP)  هر پنل، به مراه کاهش فرکانس کلیدزنی و افزایش قابلیت اطمینان می­باشد. همچنین، با توجه به کاهش روزافزون قیمت پنل­های فتوولتاییک، هزینه مبدل الکترونیک­قدرت، فاکتور بسیار مهمی به شمار می­رود. به این ترتیب، در تحقیقات اخیر، آرایش­های گوناگونی برای مبدل­های متصل­کننده ماژول­های PV به شبکه ارائه شده است. در حال حاضر، یکی از جدیدترین تکنولوژی­های ارائه­شده، مبدل دو سطحی  مولتی­استرینگ[2] می­باشد.  ساختار آن شامل چندین رشته PV متصل به مبدل­های dc/dc می­باشد که همگی به یک مبدل dc/ac مشترک متصل می­شوند. این توپولوژی دارای مزایایی از قبیل ردیابی جداگانه MPP برای هرکدام از رشته­ها و امکان توسعه سیستم با اضافه کردن رشته­های PV بیشتر به مجموعه، می­باشد. حداکثر بازده برای این توپولوژی برابر با 96 درصد می­باشد.

در سال­های اخیر، استفاده از مبدل­های چندسطحی در کاربردهای فتوولتاییک، متداول شده است. در این مبدل­ها، ولتاژ با شکل موج باکیفیت تولید می­شود و فرکانس کاری کلیدهای نیمه­هادی در آن نزدیک به مولفه اصلی می­باشد. کاهش فرکانس کلیدزنی، باعث افزایش بازده مبدل می­شود. علاوه بر این، برخی از گونه­هی مبدل­های چندسطحی، دارای چند لینک dc می­باشند و به این ترتیب، امکان کنترل مستقل ولتاژها و ردیابی MPP برای هر کدام از رشته­ها، فراهم می­گردد. موارد  ذکرشده، موجب افزایش بازده سیستم PV  می­شوند، چرا که به دلایل مختلف از جمله تابش نابرابر خورشیدی، فرسودگی پنل­های PV و یا نفوذ گرد وغبار به سطح پنل­ها، همواره ممکن است یک یا چند رشته از پنل­های PV، با مشکل مواجه شوند.

در میان آرایش­های چندسطحی موجود، آرایش پل متوالی[3] (CHB) به دلیل ساختار ماژولار، سهولت گسترش و اتصال به شبکه بدون نیاز به ترانسفورمر، یک جایگزین مناسب ربای مبدل­های دوسطحی به شمار می­رود. همچنین، کلیدهای نیمه­هادی به­کار­رفته در این توپولوژی، دارای دارای ریتینگ پایین­تری نسبت به ادوات به­کار­رفته در مبدل­های دوسطحی می­باشند و به این ترتیب در هزینه مبدل صرفه­جویی می­شود. یکی دیگر از مزایای مهم ساختارهای چندسطحی، وجود چندین درجه آزادی و امکان عملکرد مبدل در شرایط خطا می­باشد که نتیجه این امر، افزایش قابلیت اطمینان سیستم می­باشد. با وجود مزایای ذکرشده، آرایش پل متوالی دارای معایبی نیز می­باشد که می­توان از آن­ها به این مورد اشاره کرد که به دلیل ساختار متوالی، امکان زمین کردن تمامی رشته­ها وجود ندارد و بین پنل­ها و زمین، خازن پارازیت ایجاد می­شود.

در شکل 1-1، اتصال توپولوژی پل متوالی به شبکه نمایش داده شده است. به منظور عملکرد مطلوب یک مبدل پل متوالی با تعداد n سلول، کنترل مستقل ولتاژ لینک­های dc و کنترل جریان شبکه is ضروری می­باشد. در ادامه، استراتژی کنترلی به همراه ردیابی MPP ارائه می­شود. در الگوریتم کنترلی ارائه شده، ولتاژ لینک­های dc، به منظور تولید حداکثر ولتاژ کنترل می­شوند و همچنین بر کیفیت جریان تزریقی به شبکه افزوده می­شود.

[1] Maximum Power Point

[2] Two-Level Multistring Converter

[3] Cascaded H-Bridge

پروژه نهایی درس مبدل های توان بالا

فهرست مطالب

1-      مقدمه................... 1

2-      تشریح توپولوژی به کار رفته 3

3-      استراتژی کنترلی. 4

4-      مدلسازی سیستم و طراحی کنترلکنندهها 5

4-1- حلقه کنترل جریان. 5

4-2- حلقه کنترل ولتاژ. 6

5-      الگوریتم MPPT  8

6-      نتایج شبیه سازی. 9

1-    مقدمه

سیستم­های تک فاز فتوولتاییک متصل به شبکه نقش به­سزایی را در تولید انرژی پاک بر عهده دارند. یکی از اهداف مهم در پیاده­سازی این سیستم­ها، افزایش انرژی تزریقی به شبکه به وسیله ردیابی نقطه حداکثر توان[1] (MPP)  هر پنل، به مراه کاهش فرکانس کلیدزنی و افزایش قابلیت اطمینان می­باشد. همچنین، با توجه به کاهش روزافزون قیمت پنل­های فتوولتاییک، هزینه مبدل الکترونیک­قدرت، فاکتور بسیار مهمی به شمار می­رود. به این ترتیب، در تحقیقات اخیر، آرایش­های گوناگونی برای مبدل­های متصل­کننده ماژول­های PV به شبکه ارائه شده است. در حال حاضر، یکی از جدیدترین تکنولوژی­های ارائه­شده، مبدل دو سطحی  مولتی­استرینگ[2] می­باشد.  ساختار آن شامل چندین رشته PV متصل به مبدل­های dc/dc می­باشد که همگی به یک مبدل dc/ac مشترک متصل می­شوند. این توپولوژی دارای مزایایی از قبیل ردیابی جداگانه MPP برای هرکدام از رشته­ها و امکان توسعه سیستم با اضافه کردن رشته­های PV بیشتر به مجموعه، می­باشد. حداکثر بازده برای این توپولوژی برابر با 96 درصد می­باشد.

در سال­های اخیر، استفاده از مبدل­های چندسطحی در کاربردهای فتوولتاییک، متداول شده است. در این مبدل­ها، ولتاژ با شکل موج باکیفیت تولید می­شود و فرکانس کاری کلیدهای نیمه­هادی در آن نزدیک به مولفه اصلی می­باشد. کاهش فرکانس کلیدزنی، باعث افزایش بازده مبدل می­شود. علاوه بر این، برخی از گونه­هی مبدل­های چندسطحی، دارای چند لینک dc می­باشند و به این ترتیب، امکان کنترل مستقل ولتاژها و ردیابی MPP برای هر کدام از رشته­ها، فراهم می­گردد. موارد  ذکرشده، موجب افزایش بازده سیستم PV  می­شوند، چرا که به دلایل مختلف از جمله تابش نابرابر خورشیدی، فرسودگی پنل­های PV و یا نفوذ گرد وغبار به سطح پنل­ها، همواره ممکن است یک یا چند رشته از پنل­های PV، با مشکل مواجه شوند.

در میان آرایش­های چندسطحی موجود، آرایش پل متوالی[3] (CHB) به دلیل ساختار ماژولار، سهولت گسترش و اتصال به شبکه بدون نیاز به ترانسفورمر، یک جایگزین مناسب ربای مبدل­های دوسطحی به شمار می­رود. همچنین، کلیدهای نیمه­هادی به­کار­رفته در این توپولوژی، دارای دارای ریتینگ پایین­تری نسبت به ادوات به­کار­رفته در مبدل­های دوسطحی می­باشند و به این ترتیب در هزینه مبدل صرفه­جویی می­شود. یکی دیگر از مزایای مهم ساختارهای چندسطحی، وجود چندین درجه آزادی و امکان عملکرد مبدل در شرایط خطا می­باشد که نتیجه این امر، افزایش قابلیت اطمینان سیستم می­باشد. با وجود مزایای ذکرشده، آرایش پل متوالی دارای معایبی نیز می­باشد که می­توان از آن­ها به این مورد اشاره کرد که به دلیل ساختار متوالی، امکان زمین کردن تمامی رشته­ها وجود ندارد و بین پنل­ها و زمین، خازن پارازیت ایجاد می­شود.

در شکل 1-1، اتصال توپولوژی پل متوالی به شبکه نمایش داده شده است. به منظور عملکرد مطلوب یک مبدل پل متوالی با تعداد n سلول، کنترل مستقل ولتاژ لینک­های dc و کنترل جریان شبکه is ضروری می­باشد. در ادامه، استراتژی کنترلی به همراه ردیابی MPP ارائه می­شود. در الگوریتم کنترلی ارائه شده، ولتاژ لینک­های dc، به منظور تولید حداکثر ولتاژ کنترل می­شوند و همچنین بر کیفیت جریان تزریقی به شبکه افزوده می­شود.

[1] Maximum Power Point

[2] Two-Level Multistring Converter

[3] Cascaded H-Bridge