توصیه‌هایی برای ساختار و کنترل منطق فازی سیستم ذخیره‌سازی مشترک فوتواولتایک‌های خودمختار

چکیده

امروزه، صرفه‌جویی در مصرف انرژی و استفاده از منابع تجدیدپذیر، یکی از مهم‌ترین محورهای تحقیقات علمی به شمار می‌رود. انرژی خورشیدی (solar energy) به‌عنوان یکی از این منابع تجدیدپذیر، دو جنبه حرارتی (solar thermic) و فوتواولتایک (solar photovoltaic) دارد. این انرژی به‌واسطه در دسترس بودن، بسیار مطلوب است؛ اما هزینه تولید آن همچنان بسیار بالاست، به‌ویژه در سیستم‌های خودمختار که به باتری‌های ذخیره‌سازی نیاز دارند. هدف از این پژوهش، کاهش هزینه‌های پنهان ذخیره‌سازی و ترویج صرفه‌جویی در مصرف انرژی از طریق استفاده از یک سیستم مدیریت شبکه‌ای متصل است که توسط منطق فازی (Fuzzy logic) کنترل می‌شود. انواع باتری‌های ذخیره‌سازی وجود دارند؛ از جمله باتری‌های ارزان‌تر از نظر ظرفیت ذخیره‌سازی و قیمت (Wh/Price) مانند باتری‌های OPZS، اما به دلیل ظرفیت بسیار بالای آنها، برای یک مصرف‌کننده منفرد کاربردی نیستند. در این پژوهش، ما یک ساختار ذخیره‌سازی مشترک بین بارهای متغیر متعدد را پیشنهاد می‌کنیم، به‌گونه‌ای که هر بار با یک ژنراتور فوتواولتایک (Photovoltaic) به یک بانک ذخیره‌سازی متصل است. از منطق فازی برای جمع‌آوری اطلاعات در مورد رفتار بارها (یعنی مصرف‌کنندگان)، تطابق آنها با دستورالعمل‌های از پیش تعیین شده مصرف، و همچنین سهم آنها در شارژ مجدد بانک ذخیره‌سازی مشترک استفاده می‌شود. با استفاده از نرم‌افزار MathWorks Simulink، یک شبیه‌سازی از سیستم پیشنهادی انجام شد. نتایج نشان می‌دهد که برنامه، مصرف‌کنندگان را بر اساس رفتارشان طبقه‌بندی کرده و مقدار مشخصی انرژی را از بانک ذخیره‌سازی به آنها اختصاص می‌دهد؛ مقداری که قابل تخمین با استفاده از منطق فازی است. این رویکرد می‌تواند به روش‌های مختلفی مورد استفاده قرار گیرد، مانند نصب بانک‌های ذخیره‌سازی مشترک در هر توزیع‌کننده برق توسط شرکت‌های شبکه برق. مزایای متعدد این روش شامل بهره‌گیری از بانک ذخیره‌سازی به عنوان منبع پشتیبان در صورت قطعی شبکه برای تضمین تداوم خدمات، صرفه‌جویی در مصرف انرژی (از آنجا که مصرف‌کنندگان تلاش می‌کنند در هر زمان به اندازه ممکن انرژی را ذخیره کنند تا رتبه بهتری کسب کنند)، و بهره‌مندی بیشتر از انرژی در شرایط نامساعد جوی. این امر همچنین به توزیع‌کننده برق امکان می‌دهد تا از یک شبکه هوشمندتر و کنترل‌شده‌تر برخوردار باشد، از آنجا که مصرف‌کنندگان به حد مصرف ساعتی احترام می‌گذارند تا در همه زمان‌ها رتبه بهتری کسب کنند، به جای اینکه نرخ مصرف را در اساس ساعتی تغییر دهند، همان‌طور که بسیاری از تأمین‌کنندگان برای جلوگیری از پیک‌های مصرف که باعث مشکلات شبکه برق، مانند افت ولتاژ می‌شوند، انجام می‌دهند. همچنین می‌تواند برای استفاده در سیستم‌های غیر شبکه‌ای (off-grid) در یک بانک ذخیره‌سازی مشترک به کار گرفته شود تا هزینه سرمایه‌گذاری در بانک ذخیره‌سازی به حداقل برسد و احترام بیشتری به محیط زیست شود.

واژگان کلیدی

• فوتواولتایک (Photovoltaic), MPPT, ذخیره‌سازی (Storage), باتری (Battery), حل فازی (Fuzzy logic), مدیریت انرژی (Energy management)

مقدمه

امروزه، نیاز روزافزون به انرژی الکتریکی در سراسر جهان، ضرورت افزایش تولید انرژی الکتریکی برای برآورده کردن این نیاز را می‌رساند و در نتیجه، ایجاد تعداد قابل توجهی از نیروگاه‌ها را طلب می‌کند. این نیاز، پژوهش‌های گسترده‌ای را در زمینه بهینه‌سازی تولید، توزیع و مدیریت مصرف انرژی برق به همراه داشته است. موضوع این مقاله، بررسی یک راه‌حل مبتنی بر منطق فازی برای ساختار و کنترل یک سیستم ذخیره‌سازی مشترک در میان سیستم‌های فوتواولتایک خودمختار است. در ادامه، نقشه راه عملی برای توسعه و پیاده‌سازی این سیستم ارائه خواهد شد.

نیاز به مدیریت هوشمند انرژی

با افزایش جمعیت و بهره‌برداری روزافزون از ابزارهای الکتریکی، بار الکتریکی درخواستی به‌طور مداوم در حال رشد است. مدیریت کارآمد این بار، مستلزم استفاده از روش‌های پیشرفته‌ای مانند منطق فازی است که می‌تواند رفتار پیچیده بارها و تولید کنندگان غیرهمگن را به صورت مؤثر مدل‌سازی کند. روش پیشنهادی ما به صنعت برق امکان می‌دهد تا صرفه‌جویی در مصرف انرژی را به صورت دسته‌جمعی کنترل کند و در عین حال، قابلیت اطمینان شبکه را تحت تأثیر منفی قرار ندهد.

مزایای بار سیستم‌های خودمختار

با استفاده از بارهای سیستم‌های خودمختار، می‌توانیم با بهره‌گیری از بارهای متغیر و مستقل، منطق ساده‌تری برای توزیع انرژی طراحی کنیم. وجود چندین بار به ما امکان می‌دهد تا ذخیره‌سازی انرژی را به صورت مشترک به اشتراک بگذاریم، که در نتیجه، هزینه‌های کلی برای تأمین بار را کاهش می‌دهد و قابلیت اطمینان سیستم را بهبود می‌بخشد. این روش همچنین امکان استفاده بهینه از باتری‌های ذخیره‌سازی با ظرفیت بالا را فراهم می‌کند، از آنجا که هیچ‌کدام از بارها نیاز به ظرفیت ذخیره‌سازی بالا به صورت انفرادی ندارند.

پرسش‌های متداول

• سوال: منطق فازی در کنترل سیستم ذخیره‌سازی چه نقشی دارد؟
  پاسخ: منطق فازی برای طبقه‌بندی مصرف‌کنندگان و تخصیص مقدار مناسب انرژی از بانک ذخیره‌سازی بر اساس رفتارشان استفاده می‌شود. این منطق می‌تواند رفتار غیر قطعی بارها را مدیریت کرده و در نتیجه، مصرف بهینه انرژی را تضمین نماید.
• سوال: چگونه یک ساختار ذخیره‌سازی مشترک می‌تواند هزینه‌ها را کاهش دهد؟
  پاسخ: به اشتراک‌گذاری بانک ذخیره‌سازی بین بارهای چندگانه، نیاز به باتری‌های بزرگ و گران‌قیمت را کاهش می‌دهد، از آنجا که هر بار از مقدار کوچکتری ظرفیت استفاده می‌کند و هزینه کل در مقایسه با سیستم‌های ذخیره‌سازی جداگانه به صرفه‌تر است.
• سوال: چه مزایایی یک سیستم مدیریت شبکه‌ای متصل دارد؟
  پاسخ: یک سیستم مدیریت شبکه‌ای متصل، امکان نظارت از راه دور، به‌روزرسانی مستمر پارامترهای سیستم و بهبود لحظه‌ای رده‌بندی مصرف‌کنندگان را به منظور تشویق صرفه‌جویی در مصرف فراهم می‌کند و همچنین کیفیت ظرفیت کلی سیستم را بهبود می‌بخشد.
• سوال: چگونه می‌توان این سیستم را در زندگی واقعی پیاده‌سازی کرد؟
  پاسخ: می‌توان از دستگاه‌های کنترل منطق فازی محاسباتی در سیستم‌های توزیع برق استفاده کرد، با نصب بانک‌های ذخیره‌سازی در ایستگاه‌های پایانی و اتصال آنها به بارهای فوتواولتایک خودمختار، همراه با شبکه‌های ارتباطی برای انتقال داده‌های مدیریت. این رویکرد می‌تواند به صورت تدریجی و با جهت‌گیری ملایم اجرا شود.

ساختار و مدل‌سازی

برای پاسخگویی به تقاضای روزافزون الکتریسیته، نیروگاه‌های سنتی متعددی نصب شده‌اند [۱-۳]. این نیروگاه‌ها که از سوخت‌های فسیلی به عنوان ماده اولیه استفاده می‌کنند، به عنوان منابعی تجدیدناپذیر، آلاینده و پایان‌پذیر شناخته شده و تأثیرات منفی قابل توجهی بر محیط زیست بر جای می‌گذارند [۴,۵]. این وضعیت کاملاً در تضاد با استانداردها و الزامات زیست‌محیطی کنونی است. بنابراین، دولت‌ها برای غلبه بر این چالش‌ها، استقرار تأسیسات تولید الکتریسیته بر پایه منابع تجدیدپذیر مانند خورشید، باد، زیست‌توده و غیره را به عنوان یک راه‌حل ضروری پذیرفته‌اند [۶-۸]. در میان این منابع، انرژی خورشیدی به دلیل دسترسی گسترده‌اش، بیشترین کاربرد را یافته است. این انرژی به دو دسته اصلی تقسیم می‌شود: انرژی خورشیدی گرمایی که فرآیندی نیمه‌شیمیایی است و عمدتاً در نیروگاه‌های حرارتی-خورشیدی با توان بالا به کار می‌رود، و انرژی خورشیدی فتوولتاییک که قابلیت استفاده در طیف گسترده‌ای از توان‌های بالا و پایین را دارد [۹,۱۰].

تمرکز پژوهش حاضر بر طراحی ساختار بهینه و پیشنهاد یک مدیریت توان برای تأسیسات فتوولتاییک خورشیدی غیرمتصل به شبکه (خودمختار) است که به یک سیستم ذخیره‌سازی مشترک مجهز شده‌اند. سیستم ذخیره‌سازی از بسته‌ای از باتری‌های لیتیومی با تخلیه عمیق و ولتاژ ۲ ولت تشکیل شده است، به‌ویژه باتری‌های OPZS: O از Ortsfest (ایستا)، PZ از PanZerplatte (صفحه لوله‌ای) و S از Flüssig (غرق‌شده). این باتری‌ها بر اساس فناوری ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی طراحی شده و به‌طور خاص برای سیستم‌های فتوولتاییک خورشیدی مناسب هستند [۱۱]. ساختار آن‌ها شامل صفحات سربی مثبت و منفی است که با جداکننده‌هایی از یکدیگر جدا شده و در یک الکترولیت مایع غوطه‌ورند. برخلاف بسیاری از باتری‌ها، یکی از مزایای باتری‌های OPZS شفاف بودن آن‌هاست که مشاهده وضعیت صفحات و الکترولیت را آسان می‌کند [۱۲]. این باتری‌ها عمر نسبتاً طولانی دارند که آن‌ها را به گزینه‌ای ایده‌آل برای کاربردهای نیازمند ذخیره‌سازی بلندمدت انرژی تجدیدپذیر تبدیل می‌کند. البته، برای دستیابی به باس ذخیره‌سازی ۲۴ ولت یا ۴۸ ولت به تعدادی از این باتری‌ها نیاز است که برای تأمین بارهای سنگین مناسب هستند. آن‌ها به عنوان واسطی میان تأسیسات تولید عمل کرده تا سرمایه‌گذاری روی باس ذخیره‌سازی بهینه شود و بهره‌وری از انرژی الکتریکی تولیدی ارتقا یابد. با این حال، استفاده بهینه از این باتری‌ها مستلزم اتصال آن‌ها به یک بار سنگین یا چندین بار متوسط است. دقیقاً همین موضوع محور کار حاضر و همچنین ترویج اقتصاد انرژی الکتریکی است.

ساختار

در این پژوهق، ساختاری جدید برای شبکه الکتریکی پیشنهاد می‌شود که شامل یک باس ذخیره‌سازی مشترک میان چندین سایت غیرمتصل است و هر سایت به یک مولّد فتوولتاییک مجهز است. سیستم شارژ و دشارژ هر تأسیسات بر پایه یک مبدل بوست-بِک (Buck-boost converter) و یک کنترل‌کننده متناسب-انتگرال (PI) استوار است. سیستم‌های مختلف از طریق یک سیستم کنترل مبتنی بر منطق فازی (fuzzy logic) به یکدیگر متصل خواهند شد. این سیستم کنترل، هم انرژی تحویل‌شده توسط هر سیستم به باس ذخیره‌سازی و هم الگوی مصرف هر سیستم را در نظر گرفته و با هدف تشویق کاربران به مصرف بهینه و رعایت آستانه‌های مصرف انرژی طراحی شده است.

با استفاده از نرم‌افزار MatLab/Simulink، سیستمی متشکل از ۴ مولّد فتوولتاییک توسعه یافته است. از این میان، دو مولّد (GPV1 و GPV4) هر کدام از پنج پنل ۲۱۵Wp تشکیل شده‌اند، GPV2 دارای ۴ پنل از همان نوع و GPV3 نیز ۳ پنل مشابه است. هر یک از این مولّدها به یک مبدل بوست (Boost converter) با قابلیت ردیابی نقطه توان ماکزیمم (MPPT) مجهز و کنترل می‌شوند. هر مولّد بار متغیری با نیاز مصرفی متفاوت را تغذیه می‌کند. مجموعه این بارها به یک باس ذخیره‌سازی با مشخصات ۱۲۰Ah- ۲۴V متصل هستند که توسط یک کنترل‌کننده مبتنی بر منطق فازی مدیریت می‌شود. شکل ۱ نمودار کلی این زنجیره را نشان می‌دهد.

شکل ۱. نمودار کلی زنجیره

مدل‌سازی

مدل سلول فتوولتاییک

سلول فتوولتاییک بنیادی‌ترین واحد یک پنل خورشیدی است و از یک ژنراتور جریان، یک دیود و دو مقاومت تشکیل شده است: یک مقاومت سری (Rs) و یک مقاومت شانت (Rsh). مدار الکتریکی معادل این سلول در شکل ۲ نشان داده شده است. با توجه به این مدار معادل، عبارت ریاضی جریان سلول قابل استنتاج است [۱۳-۱۵]:

شکل ۲. مدل معادل سلول فتوولتاییک

.

که در آن I₀ (A): جریان اشباع دیود؛ K: ثابت بولتزمن (۱, ۳۸۰۶۴۹×۱۰⁻²³ m² kg s⁻² K⁻¹)؛ q: بار الکترون؛ T: دما؛ n: ضریب ایده‌آلیته دیود؛ I_L (A): جریان نوری یا اتصال کوتاه؛ I_D (A): جریان دیود؛ I_Rsh (A): جریان عبوری از مقاومت شانت.

مبدل‌های DC-DC

مبدل DC/DC یک مدار الکترونیکی است که وظیفه‌اش تبدیل یک ولتاژ مستقیم (DC) از یک سطح به سطح دیگر است و معمولاً از روش پهنای پالس (PWM) استفاده می‌کند [۱۶,۱۷]. انواع مختلفی از مبدل‌های DC/DC وجود دارند که هر کدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند. برای نمونه، مبدل‌های باک (Buck) ولتاژ ورودی بالا را به ولتاژ خروجی پایین‌تر تبدیل می‌کنند، مبدل‌های بوست (Boost) ولتاژ ورودی پایین‌تر را به ولتاژ خروجی بالاتر افزایش می‌دهند، و مبدل‌های بوست-بِک (Buck-Boost) قادر به تبدیل ولتاژ ورودی به هر دو حالت بالاتر یا پایین‌تر از ولتاژ خروجی هستند. جدول ۱ پرکاربردترین مدل‌های مبدل DC/DC را به همراه ویژگی‌های آن‌ها نشان می‌دهد [۱۸-۲۰].

جدول ۱. مبدل‌های DC/DC

.

مدل مبدل بوست (Boost converter)

مدل ریاضی مبدل بوست با اعمال قوانین کیرشهف (Kirchhoff) به شماتیک پایه آن، همان‌طور که در شکل ۳ آمده و با در نظر گرفتن حالت عملیاتی و وضعیت کلید S، استخراج می‌شود. به بیان دیگر، اصول پایستگی (حفظ) انرژی و بار الکتریکی برای توصیف رفتار مبدل بوست تحت شرایط عملیاتی مختلف (مانند ولتاژ ورودی، میزان بار متصل و فرکانس سوئیچینگ کلید S) به کار گرفته می‌شوند [۲۱].

شکل ۳. مدل معادل مبدل بوست

.

معادلات دینامیکی مبدل تقویت‌کننده (Boost Converter)

معادلات دینامیکی مبدل تقویت‌کننده، برای جریان در اندوکتور و ولتاژ روی خازن در رژیم هدایت پیوسته (CCR) استخراج شده‌اند. در اینجا، I_L جریان اندوکتور L، E ولتاژ ورودی، V_dc ولتاژ خروجی، و U سیگنال کنترل است. اگر متغیرهای حالت را x₁ = I_L و x₂ = V_dc در نظر بگیریم، معادلات حالت به صورت زیر خواهند بود:

بنابراین، معادله حالت نهایی مبدل تقویت‌کننده به شکل زیر بیان می‌شود:

مدل مبدل بک-بوست (Buck-Boost Converter)

برای بیان ریاضی عملکرد این مبدل، لازم است وضعیت کلید S را، همان‌طور که در شکل ۴ نشان داده شده، بررسی کنیم. در فاز روشن بودن کلید (ON)، مدت زمان هدایت T_on برابر با α ضرب در دوره سوئیچینگ T_s است. در این مرحله، انرژی ذخیره‌شده در اندوکتور مدار افزایش می‌یابد. از طرف دیگر، هنگامی که کلید خاموش (OFF) است، مدت زمان عدم هدایت T_off برابر با (1-α) ضرب در T_s می‌باشد. در این فاز، انرژی انبار شده در اندوکتور به خازن و بار متصل به مبدل انتقال می‌یابد ^[22].

شکل ۴. مدل معادل مبدل بک-بوست (Buck-Boost converter)

معادله حالت این مبدل به صورت زیر است:

.

تکنیک MPPT افزایشی (Incremental MPPT Technique)

اجرای این تکنیک نیازمند دو سنسور برای اندازه‌گیری ولتاژ و جریان خروجی است ^[23-25]. این روش از نسبت مشتق جریان به ولتاژ (dI/dV) برای تخمین مشتق توان نسبت به ولتاژ (dP/dV) بهره می‌برد. الگوریتم زمانی تشخیص می‌دهد که نقطه حداکثر توان (MPP) حاصل شده که مقدار dI/dV برابر با (-I/V) گردد؛ در این لحظه عملیات متوقف شده و مقدار ولتاژ بهینه برای کار در نقطه MPP بازمی‌گردد. شکل ۵ دیاگرام جریان الگوریتم این تکنیک افزایشی برای ردیابی نقطه حداکثر توان را نشان می‌دهد.

شکل ۵. دیاگرام جریان (Flowchart) تکنیک MPPT افزایشی

کنترلر شارژ (Charge Controller)

کنترل ولتاژ یک روش رایج در سیستم‌های فتوولتائیک برای شارژ باتری‌ها با اعمال یک مقدار مرجع ولتاژ است. با بهره‌گیری از مبدل DC/DC بک-بوست، این تکنیک بسیار کارآمد است؛ چون اجازه می‌دهد ولتاژ باتری بر اساس حالت شارژ یا دشارژ در سطح بهینه حفظ شود و از این طریق عمر مفید باتری افزایش یابد ^[26]. عملکرد این کنترلر با کنترل ولتاژ ساده است: سیستم، ولتاژ مرجع را دنبال کرده و جریان را متناسب با نیازهای بار تنظیم می‌کند. به بیان دیگر، جریان در لحظه سازگار می‌شود تا پاسخگوی نیازهای بار و میزان انرژی در دسترس از آرایه فتوولتائیک باشد.

شکل ۶ این فرآیند را نمایش می‌دهد: در حالی که ولتاژ ثابت نگه داشته می‌شود، جریان بر اساس تغییرات بار متغیر است. این روش، بازده شارژ باتری را به حداکثر می‌رساند و از شارژ بیش از حد یا تخلیه بیش از حد جلوگیری می‌کند و عمر باتری را به طور چشمگیری طولانی‌تر می‌نماید.

شکل ۶. دیاگرام کنترل سیستم ذخیره‌سازی

کنترلر منطق فازی (Fuzzy Logic Controller)

منطق فازی یک شیوه پردازش اطلاعات است که مدل‌سازی سیستم‌های پیچیده را با استفاده از مجموعه‌های فازی و متغیرهایی که مقادیر تدریجی می‌پذیرند، ممکن می‌سازد. این تکنیک کاربردهای گسترده‌ای در مهندسی برق از جمله کنترل سیستم‌ها، کنترل موتورهای الکتریکی، رباتیک و پردازش تصویر و سیگنال دارد ^[27-29]. پروژه‌های متعددی برای مدیریت منابع با استفاده از منطق فازی و خوشه‌بندی پیشنهاد شده‌اند ^[30]. در مدل ما، از این ابزار برای مدیریت میزان انرژی تحویلی از باتری‌های ذخیره‌ساز بر اساس داده‌های سیستم استفاده می‌شود. ورودی‌های کنترلر فازی ما شامل دو پارامتر است: اول، فاکتور استفاده (UF) که از ۰ تا ۲۰ متغیر است و رفتار کاربر را از «بسیار خوب» تا «بسیار بد» نشان می‌دهد؛ دوم، فاکتور تحویل (DF) که از ۰ تا ۱۰۰ درصد انرژی قابل تحویل بر اساس قوانین جدول ۲ تغییر می‌کند. برای تضمین عمر طولانی باتری و عملکرد مطلوب، انرژی قابل تحویل به چهار زیرسیستم، با تعیین یک آستانه ۳۰ درصدی بر اساس ظرفیت خودمختاری باتری، محدود می‌شود تا از تخلیه عمیق و مضر باتری جلوگیری شود. قوانین حاکم بر سیستم فازی در جدول ۲ ارائه شده است.

جدول ۲. منطق فازی (Fuzzy Logic)

با این سیستم، می‌توانیم میزان انرژی تحویلی به هر کاربر را در شب یا شرایط آب و هوایی نامساعد، حتی با وجود پنل، تعیین کنیم. شکل ۷ روند تبدیل متغیرهای عددی ورودی به متغیرهای زبانی فازی را نشان می‌دهد. مخفف‌های استفاده‌شده برای فاکتور استفاده عبارتند از: VGU (کاربر بسیار خوب)، GU (کاربر خوب)، MGU (کاربر نسبتاً خوب)، MU (کاربر متوسط)، MBU (کاربر نسبتاً بد)، BU (کاربر بد) و VBU (کاربر بسیار بد). این متغیر بازه‌ای، میزان پایبندی مصرف‌کننده به دستورالعمل‌های بهینه مصرف را مشخص می‌کند.

شرط محاسبه آن: اگر t=0 باشد، آنگاه UF_n = C_n؛ وگرنه UF_n = C_n/t.

برای متغیر ورودی دوم، یعنی فاکتور تحویل (DF)، مقادیر زبانی عبارتند از: VLD (تحویل‌دهنده بسیار کم)، LD (تحویل‌دهنده کم)، MLD (تحویل‌دهنده نسبتاً کم)، MHD (تحویل‌دهنده نسبتاً زیاد)، HD (تحویل‌دهنده زیاد) و VHD (تحویل‌دهنده بسیار زیاد). این پارامتر بر اساس نسبت انرژی تحویلی یک ژنراتور فتوولتائیک به باس ذخیره‌ساز به کل انرژی تحویلی تمام ژنراتورها به باس، متغیر است.

برای زمان t ∈ [(E ≥ E_x); (E < E_x)].

شکل ۷. متغیرهای ورودی/خروجی فازی

لازم به ذکر است که E_x، تابش کافی برای در دسترس بودن انرژی فتوولتائیک، در مدل ما ۱۰۰ وات بر متر مربع در نظر گرفته شده است. پردازش داده‌ها بر اساس برنامه ذکر شده در شکل ۸ صورت می‌گیرد.

شکل ۸. برنامه کنترلر فازی

سیستم طبق دیاگرام جریان شکل ۹، در بازه زمانی t ≥ t(E_x) که t(E_x) لحظه دریافت تابش کافی توسط سیستم فتوولتائیک برای تولید توان قابل ملاحظه است، فعالیت می‌کند. مقدار E = ۱۰۰ وات/متر مربع در نمونه ما اعمال شده. محاسبه داده‌ها در بازه زمانی t ∈ ]t(E ≥ E_x); t(E < E_x)] (معادل یک روز تولید) انجام می‌شود تا سپس انرژی از باس ذخیره‌ساز در بازه t ∈ [t(E < E_x); t(E ≥ E_x)]، بر اساس فاکتور تحویل برآورد شده توسط الگوریتم فازی در پایان چرخه، توزیع شود. در پایان هر چرخه، داده‌های Uf و Df حذف می‌شوند تا فضا برای ذخیره داده‌های جدید آزاد شود. شکل ۹ جزئیات عملیات کنترلر را برای یک دوره شبیه‌سازی معادل یک روز عادی نشان می‌دهد.

شکل ۹. عملیات کنترلر فازی برای یک روز معمول

نتایج شبیه‌سازی و بحث

ساختار و کنترل پیشنهادی در Matlab/Simulink توسعه یافته است تا عملکرد رویکرد ما را تجزیه و تحلیل کند و آن را در زیر پروفایل‌های عملیاتی مختلف که الهام گرفته از شرایط واقعی است، تأیید کند. این شرایط شامل دمای ثابت ۲۵ درجه سلسیوس و پروفیل تابش متغیر است که در شکل ۱۰ نشان داده شده است.

زمان جمع‌آوری داده‌ها از t=۴.2s آغاز می‌شود که به ‘تابش E≥100W/m² مربوط می‌شود و این امر نسبت به سحر است و توزیع انرژی ذخیره‌شده از لحظه t=۱۷.۵ یا تابش E<100W/m² توزیع می‌شود که نسبت به افول می‌باشد. دو مرحله شبیه‌سازی وجود دارد: مرحله اول با غیرفعال بودن کنترل‌کننده فازی و مرحله دوم با فعال بودن آن.

تأثیر پروفایل‌های اقلیمی

با توجه به تأثیر پروفایل‌های اقلیمی (دمای ثابت و تابش متغیر) در شکل ۱۰، تکامل قدرت پیشنهادی و همچنین قدرت‌های واقعاً مصرف‌شده توسط هر بار به عنوان تابعی از زمان، به ترتیب با خطوط نقطه‌چین و خطوط متصل در شکل ۱۱ نشان داده شده است.

رفتار بارها

با آگاهی از تکامل قدرت‌های مصرف‌شده توسط بارهای مختلف و همچنین نقطه تنظیم مصرف مطابق با قوانین محاسبه، فاکتور استفاده Uf و فاکتور اهداء Df محاسبه می‌شود که به ترتیب نشان‌دهنده رعایت هر بار نسبت به نقطه تنظیم مصرف و مقدار انرژی تحویلی به باس ذخیره‌سازی توسط هر سیستم نسبت به کل انرژی دریافتی توسط باس ذخیره‌سازی است. شکل‌های ۱۲ و ۱۳ این دو فاکتور را نشان می‌دهند.

تحلیل بارها و انرژی مصرفی

شکل ۱۴ انرژی تحویلی توسط ژنراتور فتوولتائیک، مصرف بارها و انرژی تحویلی به باس ذخیره‌سازی چهار سیستم را نشان می‌دهد. شکل ۱۵ وضعیت شارژ باتری (soc) و جریان و ولتاژ آن را بدون استفاده از کنترل‌کننده فازی نمایش می‌دهد. ما متوجه می‌شویم که باتری از t=11s تا t=16s شارژ شده است، در دوره‌ای که با اضافه تولید انرژی مواجه بودیم. همچنین مشاهده می‌کنیم که GPV ۰۲ و ۰۳ بیشتر در شارژ باتری دخیل بودند و فاکتور اهدای (Df) خوبی را داشتند در حالی که مصرف را رعایت می‌کردند. GPVs ۰۱ و ۰۴ عملاً به شارژ باتری کمک نکردند، با این حال، در مورد رعایت نقطه تنظیم مصرف، بار ۴ بیشتر از بار ۱ است (Uf04>Uf01) همانطور که در شکل‌های ۱۱ و ۱۲ نشان داده شده است.

نتایج سیستم با کنترل‌کننده فازی

شکل ۱۶ انرژی تحویلی توسط آرایه PV، مصرف بارها و انرژی تحویلی به باس ذخیره‌سازی چهار سیستم را نشان می‌دهد، اما این بار با استفاده از کنترل‌کننده منطق فازی. شکل ۱۷ آستانه‌هایی را که توسط سیستم فازی تعیین شده و مصرف هر بار از باس ذخیره‌سازی را نشان می‌دهد. به وضوح مشاهده می‌شود که بار ۰۱ در t=19s به دلیل داشتن فاکتورهای Uf و Df ضعیف و نیاز به جریان بالابردن، خارج شده است.

نتیجه‌گیری

در پایان این کار ثابت شد که امکان‌پذیر است تا نصب‌های فتوولتائیک با ذخیره‌سازی، که در بین پرهزینه‌ترین نصب‌های فتوولتائیک طبقه‌بندی می‌شوند، سودآورتر شوند با سرمایه‌گذاری در یک باس ذخیره‌سازی مشترک در حالی که مصرف‌کنندگان را به رعایت آستانه‌های مصرف تشویق می‌کند تا از صرفه‌جویی در انرژی حمایت کند و از تداوم خدمات خوب اطمینان حاصل کند، هرچند که شرایط اقلیمی قابل درخواست باشد و همچنین در صورت رخداد نقص غیرمنتظره‌ای در یکی از نصب‌ها. علاوه بر این، ساختار پیشنهادی کاربران را به صرفه‌جویی در انرژی الکتریکی تشویق می‌کند و به تأمین‌کنندگان اجازه می‌دهد تا امکانات خود را بهتر مدیریت کنند و دستورالعمل‌های مصرف انرژی را به کاربران تجویز کنند و همچنین می‌توان آن را برای یک سیستم پیچیده‌تر طراحی کرد.

مراجع

1. MD. LEONARD، E.E.MICHAELIDES و D. MICHAELIDES، نیازهای ذخیره‌سازی انرژی برای جایگزینی نیروگاه‌های سوخت فسیلی با تجدیدپذیرها. انرژی تجدیدپذیر، ۱۴۵، ص. ۹۵۱-۹۶۲ (۲۰۲۰). doi: https://doi.org/۱۰.۱۰۱۶/j.renene.۲۰۱۹.۰۶.۰۶۶
2. SO. AMROUCHE، D. REKIOUA، T. REKIOUA و همکاران. مرور کلی بر ذخیره‌سازی انرژی در سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر. نشریه بین‌المللی انرژی هیدروژن، ۴۱، ۴۵، ص. ۲۰۹۱۴-۲۰۹۲۷ (۲۰۱۶). doi: https://doi.org/۱۰.۱۰۱۶/j.ijhydene.۲۰۱۶.۰۶.۲۴۳
3. M. UMAR، X. JI، D. KIRIKKALELI و همکاران. ضرورت کیفیت محیط زیست در بخش حمل و نقل ایالات متحده در حین مصرف و رشد انرژی زیست‌توده-فسیلی. نشریه تولید پاک، ۲۸۵، ص.۱۲۴۸۶۳ (۲۰۲۱). doi: https://doi.org/۱۰.۱۰۱۶/j.jclepro.۲۰۲۰.۱۲۴۸۶۳
4. F. GUANG، کارایی انرژی الکتریکی چین و عوامل تأثیرگذار آن. علوم محیط زیست و پژوهش آلودگی، ۲۷، ۲۶، ص. ۳۲۸۲۹-۳۲۸۴۱ (۲۰۲۰). doi: https://doi.org/۱۰.۱۰۰۷/s11356-۰۲۰-۰۹۴۸۶-۶
5. Ayat Y.، Badoud A.E.، Mekhilef S.، Gassab S. مدیریت انرژی مبتنی بر کنترل‌کننده فازی سیستم فتوولتائیک/سلول سوختی/باطری لیتیوم یونی/سوپر خازن برای بار AC سه‌فاز پیش‌بینی‌ناپذیر و پرفلکچو. مهندسی الکتریکی و الکترومکانیک، ۲۰۲۳، شماره ۳، ص. ۶۶-۷۵. doi: https://doi.org/۱۰.۲۰۹۹۸/۲۰۷۴-272X.۲۰۲۳.۳.۱۰:
6. A. SHARIF، M. BHATTACHARYA، S. AFSHAN و همکاران. منابع انرژی تجدیدپذیر تجزیه شده در کاهش انتشار CO2: شواهد جدید از ایالات متحده با استفاده از رگرسیون‌های کنتایل. علوم محیط زیست و پژوهش آلودگی، ۲۸، ۴۱، ص.۵۷۵۸۲-۵۷۶۰۱ (۲۰۲۱). doi: https://doi.org/۱۰.۱۰۰۷/s11356-۰۲۱-۱۳۸۲۹-۲
7. SK. BHATIA، AK. PALAI، A. KUMAR و همکاران. روندهای تولید انرژی تجدیدپذیر با استفاده از بیوچار مبتنی بر زیست‌توده. فناوری منابع بیولوژیک، ۳۴۰، ص. ۱۲۵۶۴۴ (۲۰۲۱). doi: https://doi.org/۱۰.۱۰۱۶/j.biortech.۲۰۲۱.۱۲۵۶۴۴

منابع

8. علی موسا م.، دروازین ع.، لاتروش م.، آلریه م. یک سیستم تولید انرژی تجدیدپذیر هیبریدی با استفاده از کنترل‌کننده هوشمند مبتنی بر منطق فازی (A hybrid renewable energy production system using a smart controller based on fuzzy logic). مهندسی برق و الکترومکانیک (Electrical Engineering & Electromechanics)، ۲۰۲۲، شماره ۳، صص ۴۶-۵۰. doi: https://doi.org/۱۰.۲۰۹۹۸/۲۰۷۴-272X.۲۰۲۲.۳.۰۷
9. بورتی ع.، ادغام ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی حرارتی و فوتوولتاییک، بادی و باتری از طریق هوش مصنوعی (AI) در شهر نئوم (Integration of solar thermal and photovoltaic, wind, and battery energy storage through AI in NEOM city). انرژی و هوش مصنوعی (Energy and AI)، ۳، صص ۱۰۰۰۳۸ (۲۰۲۱). doi: https://doi.org/۱۰.۱۰۱۶/j.egyai.۲۰۲۰.۱۰۰۰۳۸
10. ایکر او.، کولمنار-سانتوس ع.، تران ال. و همکاران. ارزیابی اقتصادی سیستم‌های خنک‌کننده خورشیدی حرارتی و فوتوولتاییک از طریق شبیه‌سازی در شرایط آب‌وهوایی مختلف: تحلیلی در سه شهر مختلف در اروپا (Economic evaluation of solar thermal and photovoltaic cooling systems through simulation in different climatic conditions: An analysis in three different cities in Europe). انرژی و ساختمان‌ها (Energy and Buildings)، ۷۰، صص ۲۰۷-۲۲۳ (۲۰۱۴). doi: https://doi.org/۱۰.۱۰۱۶/j.enbuild.۲۰۱۳.۱۱.۰۶۱
11. دوفو-لوپز ر.، کورتس-آرکوس ت.، آرتال-سویل جی.اس. و همکاران. مقایسه مدل‌های پیش‌بینی عمر باتری‌های سرب-اسید و لیتیوم-یون در سیستم‌های فوتوولتاییک خودمختار (stand-alone photovoltaic systems) (Comparison of lead-acid and li-ion batteries lifetime prediction models in stand-alone photovoltaic systems). علوم کاربردی (Applied Sciences)، ۱۱، شماره ۳، صص ۱۰۹۹ (۲۰۲۱). doi: https://doi.org/۱۰.۳۳۹۰/app11031099
12. کارافیل ع.، اوزبای ح.، طراحی سیستم فوتوولتاییک خودمختار (stand-alone PV system) در یک خانه روستایی در شهر بیلجیک، ترکیه (Design of Stand-Alone PV System on a Farm House in Bilecik City, Turkey). الجزر (El-Cezeri)، ۵، شماره ۳، صص ۹۰۹-۹۱۶ (۲۰۱۸). doi: https://doi.org/۱۰.۳۱۲۰۲/ecjse.۳۵۲۸۲۶
13. لترش س.، خنفر ع.، خملیش م. مکان‌یابی حسگرها برای تشخیص و جداسازی خطاها بر اساس پیکربندی پل متصل آرایه فوتوولتاییک (Sensors placement for the faults detection and isolation based on bridge linked configuration of photovoltaic array). مهندسی برق و الکترومکانیک (Electrical Engineering & Electromechanics)، ۲۰۲۲، شماره ۵، صص ۴۱-۴۶. doi: https://doi.org/۱۰.۲۰۹۹۸/۲۰۷۴-272X.۲۰۲۲.۵.۰۷
14. شاهین ع.م.، السحیمی ر.ع.، شیونگ گ. و همکاران. شناسایی پارامترهای مدل‌های سلول و ماژول فوتوولتاییک خورشیدی از طریق بهینه‌ساز عرضه و تقاضا (supply demand optimizer) (Parameter identification of solar photovoltaic cell and module models via supply demand optimizer). مجله مهندسی عین شمس (Ain Shams Engineering Journal)، ۱۳، شماره ۴، صص ۱۰۱۷۰۵ (۲۰۲۲). doi: https://doi.org/۱۰.۱۰۱۶/j.asej.۲۰۲۲.۱۰۱۷۰۵
15. محمود ی. و السعدانی ع.، یک مدل فوتوولتاییک با زمان محاسباتی کاهش‌یافته (A photovoltaic model with reduced computational time). تراکنش‌های IEEE در الکترونیک صنعتی (IEEE transactions on industrial electronics)، ۶۲، شماره ۶، صص ۳۵۳۴
    

    پرسش‌های متداول

    منطق فازی در کنترل سیستم ذخیره‌سازی چه نقشی دارد؟

    منطق فازی برای طبقه‌بندی مصرف‌کنندگان و تخصیص مقدار انرژی بهینه از بانک ذخیره‌سازی بر اساس رفتار آنها استفاده می‌شود. این منطق رفتار غیر قطعی بارها را تحت کنترل درمی‌آورد و مصرف کارآمد انرژی را تضمین می‌کند.

    چگونه یک ساختار ذخیره‌سازی مشترک می‌تواند هزینه‌ها را کاهش دهد؟

    اشتراک‌گذاری بانک ذخیره‌سازی بین بارهای چندگانه، نیاز به باتری‌های جداگانه بزرگ را کاهش می‌دهد و هزینه کل تأمین بار را بهبود می‌بخشد. این روش همچنین مزایای اقتصادی را از طریق بهبود کارایی کلی سیستم به همراه دارد.

    مزایای یک سیستم مدیریت شبکه‌ای متصل در این زمینه چیست؟

    سیستم مدیریت شبکه‌ای متصل امکان نظارت از راه دور، به‌روزرسانی لحظه‌ای عملکرد و اعمال رتبه‌بندی هوشمندانه مصرف‌کنندگان را فراهم می‌کند. این امر باعث صرفه‌جویی بیشتر در مصرف می‌شود و قابلیت اطمینان شبکه را بدون کاهش خدمت، حفظ می‌کند.

    چگونه می‌توان این سیستم را در واقعیت پیاده‌سازی کرد؟

    از دستگاه‌های کنترل محاسباتی منطق فازی در ایستگاه‌های توزیع استفاده کنید و بانک‌های ذخیره‌سازی را به بارهای فوتواولتایک خودمختار متصل کنید. شبکه‌های ارتباطی برای انتقال داده‌های مدیریت، تحت نظارت شبکه باشند. این رویکرد می‌تواند به صورت گام به گام و مطابق با مقررات قانونی اجرا شود.

    منبع: powerquality.blog