تقویت کیفیت توان در سیستم‌های فتوولتائیک توزیع شده

چکیده

در این مقاله، رویکردی نوین برای سیستم‌های فتوولتائیک معرفی شده است. به‌منظور افزایش قابلیت اطمینان سیستم‌های خورشیدی و بهبود کارایی آن‌ها، نویسندگان ایده‌ای برای یک سیستم فتوولتائیک توزیع‌شده ارائه داده‌اند. این سیستم متشکل از مجموعه‌ای از پنل‌های فتوولتائیک کوچک است که هر کدام به یک مبدل قدرت با توان پایین متصل شده‌اند که مجهز به ترانسفورماتور پالس است. این مبدل‌ها به یک منبع انرژی مشترک (باتری) متصل می‌شوند و در صورتی که یکی از مبدل‌ها (یا پنل‌ها) دچار مشکل شود، سیستم به‌درستی عمل خواهد کرد و تنها کاهش جزئی در قدرت خروجی مشاهده خواهد شد. همچنین، تعمیر و نگهداری سیستم به‌سادگی انجام می‌گیرد. با توجه به اینکه همه مبدل‌ها به‌طور مستقل فعالیت می‌کنند، شرایط محیطی هر پنل (مانند دما) می‌تواند به‌خوبی بررسی شود و این مساله به بهبود کارایی سیستم کمک می‌کند. این مقاله به تشریح اصول عملکرد سیستم و ارائه یافته‌های مدل‌سازی و شبیه‌سازی می‌پردازد.

مقدمه

در حال حاضر، راه‌حل‌های موجود در سیستم‌های فتوولتائیک معمولاً شامل یک پنل PV واحد و یک مبدل یا گروهی از پنل‌های PV و یک مبدل واحد هستند. با توجه به نیاز به بهبود قابلیت اطمینان سیستم‌های خورشیدی و همچنین حفظ یا حتی ارتقای کارایی تبدیل انرژی، این مقاله یک راه‌حل جدید با استفاده از سیستم توزیع‌شده پیشنهاد می‌دهد. به این معنا که پنل‌های PV به طور مؤثر به سلول‌های مستقل (یا چند سلول) تقسیم می‌شوند و با مبدل‌های الکترونیک قدرت کم جفت می‌شوند.

این رویکرد مستلزم استفاده از کنترل‌های پیشرفته و به‌روزرسانی ساختارهای معمول اینورترها و به‌کارگیری الگوریتم‌های کنترل به‌روز است. علاوه بر این، استفاده از ترانزیستورهای مدرن نیترید گالیم (GaN) در مبدل‌ها نیز در نظر گرفته خواهد شد. در این راستا، توسعه یک روش جدید برای کنترل دستگاه‌های قدرت در ساختار مبدل‌های قدرت ضروری است. مشخصات ترانزیستورهای GaN امکان دستیابی به فرکانس‌های سوئیچینگ بالاتر را در مقایسه با دستگاه‌های Si یا حتی SiC فراهم می‌کند. با این حال، در این مرحله، MOSFET های فوق سریع با تلفات کم در حال بررسی می‌باشند.

هدف اصلی این تحقیق افزایش قابلیت اطمینان سیستم و بهبود کارایی کل آن است تا بالاترین بازده تبدیل انرژی خورشیدی به برق حاصل گردد. در این راستا، مبدل‌های کوچک با مجموع قدرت معادل قدرت یک پنل فتوولتائیک طراحی شده‌اند. این نوع راه‌حل می‌تواند قابلیت اطمینان سیستم را به‌طور قابل‌توجهی افزایش دهد زیرا در صورتی که یکی از مبدل‌های DC/DC یا پنل‌های PV به مشکل بر بخورد، دستگاه توانایی ادامه کار با قدرت کمتر را دارد و خدمات لازم به این دستگاه‌ها در زمان مناسب انجام خواهد شد. از سوی دیگر، مبدل‌ها به‌صورت پیوسته بر اساس شرایط کاری مانند دما عمل می‌کنند تا از ساییدگی عملیاتی یکنواختی حاصل گردد. در این مطالعه، اعتبار فرضیه‌ای که در آن مبدل‌ها در سیستم توزیع‌شده ممکن است عملکرد بهتری در تبدیل انرژی داشته باشند، مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

اصول سیستم

تصویر کلی سیستم تولید انرژی مبتنی بر پنل‌های فتوولتائیک توزیع‌شده در شکل زیر نمایش داده شده است.

این سیستم شامل اجزای زیر می‌باشد: مجموعه‌ای از پنل‌های فتوولتائیک با ولتاژ پایین (PVP) به تعداد N، گروهی از مبدل‌های قدرت کم (CNV) که هر کدام به یک PVP متصل هستند، منبع انرژی (EC) – مبتنی بر سلول‌های LiION، مبدل سمت شبکه قدرت (GCN) که EC را به شبکه قدرت جفت می‌کند و یک بلوک کنترل جهانی (GCB) که شامل الگوریتم کنترل داده‌های کلان اختصاصی (BDCA) می‌باشد. مبدل‌های جداگانه به GCB از طریق یک باس داده-کنترل ایزوله متصل می‌شوند.

بلوک CNV شامل یک مبدل فلایبک با کنترل‌کننده محلی (LCT) است. LCT ولتاژ خروجی PVP (uPV)، جریان خروجی PVP (iPV) و دمای پنل (TPV) را کنترل می‌کند. بر اساس این مقادیر، LCT الگوریتم ردیابی نقطه حداکثر توان (MPPT) را اجرا می‌نماید.

نسخه گسترش‌یافته سیستم

در نسخه گسترش‌یافته سیستم (شکل ۲)، بلوک CNV به تعداد بیشتری (یعنی K) از مبدل‌های بازگشتی با توان پایین مجهز شده است که به صورت موازی به یکدیگر متصل‌اند. هنگامی که توان منتقل شده توسط یک مبدل بازگشتی به ظرفیت نامی خود نزدیک شود، مبدل دیگری روشن می‌شود و این چرخه ادامه می‌یابد. به این ترتیب، تمامی مبدل‌ها در شرایطی نزدیک به شرایط ایده‌آل کار می‌کنند. نتیجه‌گیری منطقی از این فرایند، افزایش کارایی کلی سیستم است. علاوه بر این، ترتیب روشن شدن مبدل‌های جدید ثابت نیست و بر اساس یک الگوریتم شبه‌تصادفی تعیین می‌شود. این ویژگی منجر به افزایش عمر مفید سیستم خواهد شد.

شکل ۲. نمودار بلوک CNV در نسخه گسترش‌یافته آن

هسته اصلی کنترل سیستم، تأمین توان متناسب با بار است، در حالی که قابلیت اطمینان سطح بالایی برای کل ساختار حفظ می‌گردد. این الگوریتم با دینامیک بالا در عملیات خود مشهود است و همزمان تمامی اصول طراحی مبدل‌ها برای سیستم‌های خورشیدی را رعایت می‌کند، مانند MPPT (Maximizing Power Point Tracking) [۳]. تابش خورشیدی که به صفحات فتوولتائیک تابیده می‌شود، تحت تأثیر عوامل گوناگونی قرار دارد، از جمله آلودگی هوا، رسوبات بر روی صفحات یا حتی وجود ابرها. بنابراین، چگالی جریان نوری برای هر پنل فتوولتائیک یکنواخت و ثابت نیست. این جنبه از کاربرد کنترل با استفاده از الگوریتم MPPT در یک سیستم توزیع شده، باعث تنظیم فردی و مؤثرتر برای حداکثر توان دریافتی از هر پنل فتوولتائیک می‌شود. به‌علاوه، این الگوریتم اطلاعاتی درباره عملکرد مبدل‌ها و وضعیت بارها جمع‌آوری می‌کند.

داده‌های مورد استفاده در تحلیل براساس الگوریتم‌های کلان‌داده (Big Data) برای پیش‌بینی مؤثر رفتار هر دو طرف تولید و بار پایه‌ریزی شده‌اند. انتخاب مکانیزم‌های کلان‌داده [۴، ۵] به وجود تنوع بالای اطلاعات جمع‌آوری‌شده بستگی دارد و همچنین برای دستیابی به پیش‌بینی‌های نسبتاً سریع رویدادها (مانند افزایش تقاضای برق توسط بار یا مجموعه‌ای از بارها، کاهش تولید برق به دلیل کاهش تابش خورشید یا افزایش دمای سلول‌های فتوولتائیک) در عملکرد کل سیستم، لازم است مقادیر زیادی اطلاعات جمع‌آوری شود – که شامل پارامترهای متنوعی است که در تقریباً هر جزء از سیستم و پایانه‌های بار اندازه‌گیری می‌شود و همچنین داده‌های محیطی مانند دما و تابش خورشیدی را در بر می‌گیرد.

الزامات سیستم‌های کلان‌داده

سیستم‌های کلان‌داده باید بر اساس مدل ۴V [۶] الزامات زیر را برآورده سازند:

• حجم – شامل مقادیر بالایی از داده‌ها،
• سرعت – با تغییرپذیری زیاد در داده‌ها،
• تنوع – حاوی تنوع بالایی از داده‌ها،
• ارزش – سیستم باید داده‌هایی با ارزش‌های معنادار جمع‌آوری کند.

برای اطمینان از برآورده شدن این الزامات، مجموعه‌ای از الگوریتم‌ها برای مدیریت بهینه عملکرد سیستم توسعه یافته است. اولین الگوریتم توصیف‌شده، الگوریتم کنترل بخش راه‌اندازی سیستم است که در شکل ۳ نشان داده شده است. این سیستم باید به‌طور مستقل عمل کند. از این‌رو، شناسایی تعداد مبدل‌های DC/DC که باید با آن‌ها کار کند، در مرحله آغازین بسیار حیاتی است. اگر این فرآیند با موفقیت انجام شود، سیستم به آنالیز پایگاه‌داده ادامه خواهد داد و در غیر این صورت، کاربر به‌وسیله اخطارهای بروز خطا آگاه خواهد شد.

شکل ۳. الگوریتم توالی راه‌اندازی سیستم

دومین الگوریتم توصیف‌شده که در شکل ۴ به تصویر کشیده شده، الگوریتمی است که مسئول جمع‌آوری داده‌ها می‌باشد.

شکل ۴. الگوریتم جمع‌آوری داده‌ها

وظیفه اصلی این الگوریتم جمع‌آوری داده‌ها و ذخیره‌سازی آن‌ها در پایگاه‌داده است. سپس، زمان متوسط نظرسنجی اجزای سیستم بر اساس داده‌های جمع‌آوری‌شده به‌روز می‌شود. پس از آن، تقاضا برای توان سیستم تعیین می‌شود. اگر این تقاضا پایین‌تر از توان کل سیستم باشد، الگوریتم می‌تواند کم‌اثرترین اجزای سیستم را خاموش کند. دلیل کارایی پایین ممکن است به سایه، آلودگی و خرابی‌ها مربوط باشد. این الگوریتم در یک حلقه بسته کار می‌کند و فرکانس عملکرد آن به‌طور خودکار انتخاب می‌شود.

آخرین الگوریتم ارائه‌شده، الگوریتم پاک‌سازی سوابق از پایگاه‌داده است [۵]. این الگوریتم در شکل ۵ به تصویر کشیده شده است.

شکل ۵. الگوریتم پاک‌سازی پایگاه‌داده

در راستای رویه کنترل، سیستم اطمینان حاصل می‌کند که پایگاه‌داده تنها شامل سوابق مرتبط باشد. بدین منظور، به‌طور مرتب سوابق پارامترهای انتخاب‌شده از پایگاه‌داده خوانده می‌شود و با مقادیر میانگین پارامترها مقایسه می‌شود. اگر مقدار میانگین با مقدار تحلیل‌شده به‌طور دقیق از پیش تعیین‌شده (e) متفاوت باشد، رکورد مربوطه حذف می‌شود. علاوه بر این، اگر مقدار تحلیل‌شده به‌طور قابل توجهی با مقدار میانگین متفاوت باشد، رکورد آن در پایگاه‌داده باقی می‌ماند.

مرحله بعدی در تحقیق سیستم‌های توزیع شده مبدل‌ها

مرحله بعدی در تحقیق سیستم‌های توزیع شده مبدل‌ها بررسی روش‌های مختلف چینش ماژول‌های پنل فتوولتائیک است، به عنوان مثال در شکل یک پارابولید، یک بخش کره یا دیگر فراسطح‌ها. در صورت چینش مسطح ماژول‌ها، انرژی تشعشع بازتابی اتلاف می‌شود. با این حال، در راه‌حل پیشنهادی امکان استفاده مجدد از بخشی از این انرژی وجود دارد. چینش ماژول‌ها به شکل یک فراسطح علاوه بر این به میانگین‌سازی مقدار انرژی دریافتی در طول روز کمک می‌کند. در مقایسه با سیستم کلاسیک، حداکثر مصرف انرژی به وضوح بیشتر از میانگین است و در ساعت ۱۲ افت می‌کند. قرار دادن پنل‌ها به شکل یک فراسطح همچنین نیاز به سیستم مکانیکی گران‌قیمت برای پیروی از خورشید («پیرو خورشید») [۳, ۷] یا عناصر نوری گران‌قیمت را برطرف می‌کند.

مطالعات مدل شبیه‌سازی

در مرحله توسعه کنونی پروژه، مطالعات شبیه‌سازی مربوط به مبدل در بلوک CNV (در محیط ORCAD/SPICE) انجام شد.

مدل شبیه‌سازی این بلوک (به شکل ساده) در شکل ۶ نشان داده شده است. پارامترهای پایه مدل به شرح زیر است:

• ولتاژ خروجی پنل فتوولتائیک: ۲.۴÷۲.۷ ولت،
• جریان خروجی فتوولتائیک (حداکثر): ۲.۰ آمپر،
• ولتاژ مخزن انرژی (مقدار نامی): ۴۸ ولت،
• فرکانس سوئیچینگ MOSFET در بلوک CNV (حداکثر): ۱۰۰ کیلوهرتز.

عملکرد بلوک‌های اصلی در مدل شبیه‌سازی به شرح زیر است: PVP مدل پنل فتوولتائیک است (PV شامل سه سلول فتوولتائیک کوچک متصل به‌صورت سری است)، SW مدل کلید قدرت، و CTB مدل بلوک کنترل است. مدل ترانسفورماتور پالس (TX1) بر اساس یک ترانسفورماتور پلانار واقعی با هسته فرّیت نوع EEQ30 (مواد N97) از TDK طراحی شده است. مدل کلید قدرت بر اساس MOSFET قدرت OptiMOS™ ۵ با ولتاژ ۱۰۰ ولت از نوع BSZ146N10LS5 تولید شده توسط INFINEON [۸] ساخته شده است. با توجه به طراحی مناسب ترانسفورماتور پالس (هم هسته مسطح و هم سیم‌پیچی‌های چندلایه) عامل جفت‌شدگی آن نزدیک به ۱ (k ≅ ۰.۹۹۵) است. بنابراین با توجه به اینکه امپدانس مغناطیسی برابر تقریبا با ~۲۵ µH است، امپدانس نشتی (متعلق به سیم‌پیچی اولیه) تقریباً برابر ۱۰۰ nH است. در نتیجه، شکل مدار snubber (R56-C31) می‌تواند بسیار ساده باشد.

شکل ۶. نمودار بلوکی مدل شبیه‌سازی CNV

شکل ۷. شکل موج‌های ولتاژ و جریان در مدل شبیه‌سازی CNV، در حالی که مبدل در:

1. حالت DCM،
2. حالت CCM کار می‌کند.

در شکل ۷، شکل موج‌های ولتاژ و جریان‌های انتخاب شده در مدل شبیه‌سازی نشان داده شده است. همان‌طور که مشاهده می‌شود، مقدار جریان اولیه در DCM برابر با ۰.۷۵ آمپر، در حالی که در CCM برابر با ۱.۸ آمپر است. مقدار توان منتقل شده به مخزن انرژی در بازه ۰.۸÷۳.۰ وات – بسته به حالت عملکرد مبدل – بوده است. همان‌طور که نشان داده شده، مقادیر اوج ولتاژها، در حالت‌های گذرای کلید قدرت، نسبتاً پایین است. در نتیجه، مقدار انرژی که در مدار snubber اتلاف می‌شود، از نظر کارایی مبدل ناچیز است.

نتایج

هدف کلی این مطالعه تعیین سطح اطمینان از راه‌حل پیشنهادی و بررسی تأثیر قابل توجه کارایی مبدل‌های الکترونیک قدرت بر کارایی کلی سیستم تبدیل انرژی خورشیدی است. در مرحله کنونی توسعه سیستم، ساختار کلی الگوریتم‌های کنترلی پیشنهاد شده است. با توجه به بهبود اطمینان سیستم خورشیدی، حفظ و بهبود کارایی سیستم، نویسندگان از سیستم فتوولتائیک توزیع‌شده شامل مجموعه‌ای از پنل‌های فتوولتائیک کوچک فردی استفاده کردند، در حالی که هر پنل به یک مبدل (میکرو) با توان کم متصل است که مجهز به یک ترانسفورماتور پالس پیشرفته است. این مبدل‌ها در یک مخزن انرژی مشترک (به عنوان مثال، بسته باتری LiION) کار می‌کنند. بنابراین، انتظار می‌رود که در صورت خرابی یک مبدل (یا سلول در پنل)، سیستم بتواند به طور صحیح با کاهش قدرت خروجی جزئی کار کند، به علاوه، نگهداری از عملکرد سیستم تسهیل می‌شود. همچنین، یافته‌ها ممکن است راه جدیدی را برای استفاده از ترانزیستورهای GaN در سیستم‌هایی که کارایی تبدیل انرژی در آن‌ها مهم است، باز کنند، و در مکان‌هایی که منبع انرژی محدود در توان یا سخت و گران‌قیمت برای بهره‌برداری است.

مراجع

1. Z. Jin, M. Hou, F. Dong, and Y. Li, A new control strategy of dc microgrid with photovoltaic generation and hybrid energy storage, Power and Energy Engineering Conference (APPEEC), (2016) IEEE PES Asia-Pacific, 2016.
2. Gwóźdź M., Matecki D., Power electronics controlled voltage source based on modified Sigma-Delta modulator, Proceedings of the 2016 IEEE International Power Electronics and Motion Control Conference (PEMC), Bulgaria, Varna, 25-30 September (2016), ISBN: 978-1-5090-1797-3, pp. 186-191. DOI: 10.1109/EPEPEMC.2016.7751995.
3. Degeratu S., Alboteanu L., Rizescu S., Coman D., Bizdoaca N., and Caramida C., Active solar panel tracking system actuated by shape memory alloy springs, Applied and Theoretical Electricity (ICATE), (2014) International Conference on, ISBN: 978-1-4799-4161-2.
4. Swartz R.A., Lynch J.P., Zerbst S., Sweetman B., and Rolfes R., Structural monitoring of wind turbines using wireless sensor networks, Smart Structures and Systems 6, 114, (2010).
5. Najafabadi M. M., Villanustre F., Khoshgoftaar T. M., Seliya N., Wald R., and Muharemagic E., Deep learning applications and challenges in big data analytics, Big Data, vol. 2, no. 1, March (2015).
6. Erhard R., The case for holistic data integration, East European conference on advances in databases and information systems, Berlin: Springer; (2016).
7. Zamojski W., Theory and technique of reliability, (in Polish), Wrocław University of Technology, Wrocław, (1976).
8. Infineon product page: https://www.infineon.com/cms/en/product/power/mosfet/. Accessed: December 2017.

نویسندگان: mgr inż. Mariusz Świderski، ایمیل: Mariusz.Swiderski@put.poznan.pl، dr hab. inż. Michał Gwóźdź، ایمیل: Michal.Gwozdz@put.poznan.pl، Politechnika Poznańska، Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej، ul. Piotrowo 3A، ۶۰-۹۶۵ Poznań.

شناسنامه و اطلاعات منبع

این منبع با شناسه منبع و ناشر (Source & Publisher Item Identifier) زیر مشخص می‌شود: PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY، ISSN ۰۰۳۳-۲۰۹۷، R. ۹۵ NR ۲/۲۰۱۹. doi:۱۰.۱۵۱۹۹/۴۸.۲۰۱۹.۰۲.۱۱

این مطلب توسط PQBlog منتشر شده است.

این مطلب توسط مهندس برق تهیه شده است.

مطالب بیشتر را می‌توانید در اینجا مشاهده کنید.

پرسش‌های متداول

سیستم فتوولتائیک توزیع شده چه مزایایی دارد؟

این سیستم‌ها قابلیت اطمینان بالاتر و کارایی بهتری نسبت به سیستم‌های سنتی دارند.

الگوریتم MPPT چه کاری انجام می‌دهد؟

الگوریتم MPPT برای یافتن نقطه حداکثر توان در پنل‌های فتوولتائیک طراحی شده است.

این سیستم‌ها چگونه می‌توانند انرژی خورشیدی را ذخیره کنند؟

با استفاده از سلول‌های باتری LiION، انرژی ذخیره شده تا زمان نیاز در دسترس است.

منبع: powerquality.blog