مقاله ترجمه شده مدلسازی دینامیک و تحلیل کارایی یک سیستم فتوولتائیک بر مبنای مبدل منبع جریان وابسته به شبکه
پرانجا پارامیتا داش، و مهرداد کاظرانی
چکیده
توپولوژی مبدل منبع ولتاژ (VSI) بصورت گسترده برای اتصال شبکه سیستم های تولید نیروی توزیع شده (DG) مورد استفاده قرار می گیرد. البته VSI زمانیکه بعنوان یک واحد آماده سازی نیرو در سیستم های فوتو ولتائیک (PV) بکار برده شود، معمولاً نیازمند یک مرحله مبدل الکترونیک قدرت دیگری برای افزایش ولتاژ خواهد بود، و بنابراین به هزینه و پیچیدگی سیستم می افزاید. برای تکثیر سیستم های PV وابسته به شبکه، یک گزینه تجارت موفق، هزینه، کارایی، و عمر متوسط سطح مشترک الکترونیکی نیرو را باید بهبود دهیم. مبدل منبع جریان (CSI) مزایایی نسبت به VSI از لحاظ قابلیت های حفاظت اتصال کوتاه و تقویت داخلی، قابلیت کنترل جریان خروجی مستقیم، و ساختار فیلتر ساده تر طرف ac دارد. تحقیقات در مورد DG بر مبنای CSI هنوز در اوایل توسعه خود است. این مقاله بر روی مدلسازی، کنترل، و کارایی های گذرا و حالت ثابت یک سیستم PV بر مبنای CSI متمرکز شده است، و همچنین ارزیابی کارایی تطبیقی از سیستم های PV بر مبنای CSI و بر مبنای VSI در شرایط گذرا و خرابی را انجام دهد. پیش بینی های تحلیلی با استفاده از شبیه سازی ها در طرح حمایتی کامپیوتر سیستم نیرو/گذرای الکترومغناطیسی از جمله محیط DC(PSCAD/EMTDC) بر اساس یک مدل سیستم کامل تأیید می گردد.
کلمات کلیدی: کنترل، مبدل منبع جریان (CSI)، خرابی، مدلسازی، فوتو ولتائیک (PV)، رفتار گذرا
علائم و اختصارات
مبدل منبع جریان (CSI) ولتاژ پایانی طرف ac
ولتاژ در نقطه جفتگیری معمول (PCC)، ولتاژ در طرف دوم ترانسورماتور
ولتاژ باس ایستگاه (شبکه)
ولتاژ طرف DC از CSI
ولتاژ آرایه فوتو ولتائیک (PV)
جریان آرایه PV
جریان ارتباط DC از CSI
جریان انتهایی طرف ac از CSI
جریان خازن فیلتر
جریان وارد شده به داخل شبکه
نیروی آرایه PV
توان واقعی داده شده توسط سیستم PV به شبکه
توان راکتیو توسط سیستم PV نسبت به شبکه
نسبت دورهای مبدل واسطه
ظرفیت فیلتر
مقاومت خط توزیع
القاگری خط توزیع
سرعت زوایه قالب dq
فرکانس زوایه ای نامی شبکه (برای مثال 377 rad/s برای 60 هرتز)
زاویه مرجع قالب dq
سطح آفتاب زدگی/پرتو افکنی
بخش واقعی {}
بخش تجسمی {}
زیرنویس بیانگر مؤلفه محور d
زیرنویس بیانگر مؤلفه محور q
نماد بیانگر کمیت فضا-فازور
نماد بیانگر مقدار اوج یک متغیر سه مرحله ای
بالانویس بیانگر جابجایی ماتریس
فرکانس پیچیده،
1- مقدمه
در سالهای اخیر، بعلت نگرانی در مورد اثرات معکوس استفاده از سوخت های فسیلی بر روی محیط و امنیت انرژی، توجه زیادی به سیستم های فتو ولتائیم (PV) شده است. علیرغم این توجه زیاد، هنوز هم طرح های تولید قدرت بر مبنای نفت، گاز طبیعی، زغال سنگ، انرژی اتمی، نیروی هیدرولیک و باد، از تعداد طرح های سیستم های PV وابسته به شبکه بیشتر هستند. تاکنون سیستم های PV با توان دهها مگاوات عمدتاً در سطح توزیع اولیه، نصب و به شبکه متصل شده اند. نصب سیستم های PV در سطح توزیع ثانویه تحت حاکمیت واحدهای بالایی با توان چند کیلووات و بدون هیچ تأثیر مهمی بر روی سیستم های قدرت موجود هستند. با توجه رو به رشد به انرژی خورشیدی و اتخاذ سیاست های ملی برای انرژی سبز، افزایش مهمی در تعداد دستگاه های PV با اندازه بزرگ، و با تأثیر مهم بر روی شبکه قدرت موجود مشاهده شده است. دو مؤلفه اصلی یک سیستم PV با پتانسیل برای بهبود، مدول های PV ومبدل های الکترونیک قدرت هستند. مدول های PV به هزینه کلی سیستم های PV کمک زیادی میکنند. خوشبختانه، بعلت افزایش زیاد در تولید مدول های PV در قسمت های مختلف جهان، تمایل رو به کاهشی در قیمت هر وات مدول PV مشاهده می گردد. خصوصاً در سال 1992، قیمت یک مدول PVحدود 4.4 تا 7.9 دلار آمریکا برای هر وات بود. قیمت کنونی آن در بازار بین 2.6 تا 3.5 دلار آمریکا برای هر وات است. تکنیک حاضر در مبدل های PV عمدتاً بر مبنای توپولوژی مبدل منبع ولتاژ (VSI) است که معمولاً نیازمند مرحله دیگری از تبدیل الکترونیک قدرت برای بالا بردن ولتاژ مدول های PV برای مبدل های PV بزرگ-مقیاس است. کاهش هزینه و افزایش قدرت و کارایی شبکه الکترونیک قدرت را می توان توسط تکثیر سیستم های PV در سیستم های قدرت بهتر ساخت.
مبدل منبع جریان (CSI) پتانسیل تبدیل شدن به یک توپولوژی ترجیحی برای مرتبط سازی یک سیستم PV به شبکه قدرت متناوب را به این دلایل دارد: 1) CSI جریان طرف مستقیم و همواری را فراهم می سازد، که یک ویژگی مطلوب برای مدول های PV است. 2) عنصر ذخیره سازی انرژی CSI دارای طول عمر بلندتری نسبت به VSI است. 3) CSI دارای قابلیت تقویت ولتاژ درونی است، که امکان یکپارچه سازی پانل های PV ولتاژ های خروجی پایین تر را برای آن فراهم می سازد و شرایط مورد نیاز انتقال دهنده سطح مشترک را کاهش میدهد. 4) با تکامل سویچ های IGBT انسدارد معکوس (RB)، سری دیودها حذف خواهند شد که منجر به کاهش قابل ملاحظه ای در هزینه و تلفات رسانایی خواهد شد. 5) پیشرفت های اخیر در تکنولوژی ابررسانایی، که منجر به توسعه سیستم های ذخیره انرژی مغناطیسی ابررسانا (SMES) گشته است، میتواند تا حد زیادی تلفات در عنصر ذخیره انرژی CSI را کاهش دهد.
یک بررسی در مورد کاربرد CSI در سیستم PV ، یک تلاش مداوم برای مزیت بردن از نقاط قوت این توپولوژی را نشان میدهد درحالیکه نقاط ضعف آنرا شناسایی می کند و تلاش میکند تا آنها را اصلاح کند. ارزیابی کارایی یک منبع PV با سطح مشترک با CSI و سطح ولتاژ متناوب کاهش یافته شبکه ای در منبع شماره 3 انجام شده است. CSI بکار برده شده در این مطالعه از RB-IGBT تشکیل شده است. منبع 3 بر روی قابلیت حرکت خرابی ولتاژ-پایین تمرکز کرده است اما در این مورد توضیحی نداده است که CSI چطور رفتار خواهد کرد، وقتی که شبکه قطع می شود. مشخص است که استفاده از یک راکتور طرف مستقیم کوچک، چطور منجر به افزایش در محتوای هارمونیک جریان طرف متناوب CSI می گردد. البته یک راکتور طرف مستقیم از دیدگاه اندازه و هزینه قابل قبول نیست. برای غلبه بر این مسئله، یک استراتژی کنترل جدید با هدف کاهش محتوای هارمونیک در جریان خروجی یک سیستم PV بر مبنای CSI کاربرد-تعاملی مرحله-منفرد PWM در منبع شماره 4 پیشنهاد شده است. روش پیشنهاد شده در منبع 4 هارمونیک رده پایین را بدون هیچ کنترل بازخوردی حذف می کند. البته، نتایج بیان شده برای یک سیستم PV با قدرت خیلی کم بدست آمده اند. هیچ مدرکی ارائه نشده است که ثابت کند که طرح پیشنهادی برای کاربردهای قدرت-بالا نیز سودمند خواهد بود.
توپولوژی CSI دارای مشکل ثبات داخلی است که بخاطر رزونانس بین توان فیلتر طرف متناوب و القاگری شبکه پیش آمده است. در منبع شماره 5 این نوسانات با تولید یک جریان خفیدگی از ولتاژ خازن فیلتر کاهش پیدا میکنند. منبع 5 الگوریتم کنترل شارژ حلقه بسته ای را در قالب منبع چرخشی همزمان برای متوقف کردن فرکانس طبیعی نوسانات ایجاد شده توسط فیلتر ارائه میدهد. توپولوژی CSI اتخاذ شده در منبع 5 بر مبنای تیراستور تبدیل خطی جریان متناوب به مستقیم است. روش ساده ای برای متوقف سازی نوسانات رزونانس در یک مبدل منبع جریان PWM در منبع 6 بیان شده است. این روش بر مبنای کنترل پالس است و جریان همنوایی ایجاد شده توسط فیلتر پایین گذر طرف متناوب متوقف می کند. مزیت این روش اینست که به حلقه بازخورد اضافی برای متوقف سازی نوسانات نیاز ندارد. البته سیستم بکار برده شده در منبع 6 با هیچکدام از منابع انرژی تجدیدپذیر ترکیب نشده است.
عملکرد یک CSI متصل به شبکه مرحله منفرد در منبع 7 بررسی شده است. در منبع 7 یک CSI با یک مبدل تقویت ترکیب شده است که بصورت یک شکل دهنده موج عمل میکند. البته عملکرد دینامیک مبدل PV در واکنش به تغییرات در سطح قراردهی در معرض نور آفتاب و نه رفتار سیستم PV در حین شرایط خرابی در منبع 7 آمده است. منبع 8 عملکرد یک سیستم PV متصل به شبکه غیرقابل انتقال سه مرحله ای را بر مبنای CSI با یک سیستم مسیریابی حداکثر نقطه قدرت (MPPT) و طرح کنترل PWM ارزیابی میکند. MPPT پیشنهاد شده در منبع 8 حداکثر قدرت را توسط تنظیم کردن ضریب مدوله سازی ردیابی می کند. یک برگشت اصلی روش کنترل پیشنهاد شده در منبع 8 اینست که به مبدل PV اجازه نمی دهد که در حالت standalone عمل کند. در بعضی از موارد، که مجزا سازی مورد نیاز است، حالت standalone عملیات یک مبدل PV یک شرط لازم است.
از دیدگاه بحث های بالای و برای کمک کیفیتی در زمینه سیستم های شرطی سازی قدرت برای سیستم های PV، این مقاله تحلیل، مدلسازی، و طراحی یک سیستم PV متصل به شبکه سه مرحله ای بر مبنای توپولوژی CSI را معرفی می کند، که یک تکنولوژی اثبات شده در صنعت حرکتی متناوب است، اما برای کاربرد های مشترک نیروی توزیع شده (DG) بطور کامل بررسی نشده است. بعد از مقدمه، ابتدا ساختار یک سیستم PV متصا به شبکه سه مرحله ای بر روی CSI معرفی می گردد. سپس مدلسازی و طرح کنترل گر سیستم PV بیان می گردد. سپس ارزیابی عملکرد تطبیقی از سیستم های CSI-مبنا و VSI-مبنا انجام می شود. و در آخر نتیجه گیری ها بیان می شوند.
2- ساختار سیستم PV
شکل 1 نمودار یک خطه سیستم PV متصل به شبکه، یک مرحله ای، و سه مرحله ای پیشنهاد شده را با CSI بعنوان واحد آماده سازی قدرت نشان میدهد. آرایه PV یک ترکیب موازی از مدول PV است، درحالیکه هر مدول PV یک سری ترکیب از سلول PV است. القاگر طرف مستقیم موج های جریان طرف مستقیم را فیلترسازی میکند و اجازه کنترل را به آن میدهد. طرف متناوب مبدل از طریق یک فیلتر خازنی تشکیل شده از سه خازن متصل به Y با طرف اصلی مبدل هم کنش می گردد. کار اینست که هارمونیک های تعویضی را جذب کند و جریان سینوسی خالصی در سطح مشترک شبکه تولید کند. بریکر یک جزء لاینفک از سیستم PV است و توسط مجزا سازی آن از سیستم PV محافظت میکند، زمانیکه خرابی در طرف ثانویه مبدل وجود دارد. طرف اولیه مبدل متصل به دلتا است درحالیکه طرف ثانویه آن با یک نقطه بی اثر بنا شده بصورت استوار متصل به استار است. مقاومت و القاگری خط توزیع بترتیب توسط و نشان داده می شود. و نیز برتیب نشاندهنده قدرت های فعال و راکتیو فراهم شده توسط سیستم PV برای سیستم توزیع هستند. بریکر قسمتی از سیستم محافظتی نصب شده توسط کاربرد است.
ساختار کنترل پیشنهاد شده برای سیستم PV، CSI-مبنا از یک حلقه کنترل جاری تشکیل شده است که برای کنترل جریان طرف مستقیم و یک حلقه کنترل جریان داخلی برای کنترل جریان طراحی شده است که به داخل شبکه وارد می گردد. از یک ردیاب نقطه قدرت حداکثر (MPPT) برای اطمینان از این مسئله استفاده می شود که آرایه PV با حداکثر قدرت خود عمل میکند.
3- خصوصیات آرایه PV در زیر توصیف شده است:
در معادله 1، q واحد شارژ، k ثابت بولتمن، A ضریب ایده آل نقطه اتصال p-n ، و دمای سلول است. جریان یک جریان اشباع معکوس سلول است، که همراه با دما بصورت زیر تغییر می کند
در معادله 2، دمای مرجع سلول، جریان اشباع معکوس در ، و انرژی فاصله-باند سلول است. جریان PV به سطح جداسای و دمای مطابق بصورت زیر بستگی دارد
در معادله 3، جریان مدار کوتاه سلول در تابش و دمای مرجع، ضریب دما، و S سطح جداسازی بر حسب است. قدرت ایجاد شده توسط آرایه PV توسط ضرب کردن هر دو طرف معادله 1 در محاسبه می گردد
با جایگزین سازی از معادله 3 در معادله 4، بصورت زیر در می آید
بر اساس معادله 5، مشخص است که قدرت ایجاد شده توسط آرایه PV تابعی از سطح جداسازی S در هرگونه دمای معین است. چون مبدل استفاده شده در سیستم PV در این مقاله از نوع منبع جریان است، خصوصیت قدرت در مقابل جریان آرایه PV باید بررسی گردد. شکل 2 خصوصیات قدرت در مقابل جریان را بر مبنای پارامترهای لیست بندی شده در ضمیمه برای سطوح جداسازی 0.25، 0.5 و نشان میدهد. شکل 2 نشان میدهد که بر اساس استراتژی منبع 9، را می توان با کنترل به حداکثر رساند.
4- دینامیک سیستم PVCSI-مبنا
یک مدل محاسباتی برای تحلیل سیستم و طراحی کنترل گر ضروری است. در این بخش، سیستم شکل 1 به شکل های قالب dq و فازور-فضا مدلسازی می گردد.
A- نمایش فازور-فضا برای CSI
CSI در شکل 1 یک مبدل شش-پالسی است که از تعویض های IGBT استفاده میکند، بر اساس استراتژی مدولاسیون عرض پالس سینوسی (SPWM) عمل میکند. جریان خروحی مربوط به جریان طرف مستقیم بصورت زیر است:
که و فازورهای فضایی مطابق با جریان های خروجی زز و سیگنال های مدول سازی PWM هستند. همچنین، ولتاژ طرف مستقیم با فازور فضای ولتاژ طرف متناوبCSI بصورت زیر مرتبط می باشد
که T نشاندهنده جابجا سازی است. با فرض اینکه تلفات تعویضی مبدل نادیده گرفته شود، قدرت طرف مستقیم مبدل برابر با قدرت ایجاد شده بر روی طرف متناوب است. با اصول تعادل قدرت می توانیم بنویسیم
که * نشاندهنده پخشگر ترکیبی-پیچیده است.
B- نمایش قالب DQ سیستم PV
برای ساده سازی تحلیل و طرح کنترل گر، متغیرهای فازور-فضا از مدل سیستمی بر یک چرخش همزمان قالب dq نمایش داده می شوند، که متغیرها در مقادیر تغییر ناپذیر زمانی و حالت ثابت هستند. روابط بین فازور-فضا و متغیرهای قالب dq بصورت زیر بیان می گردد
که نشاندهنده یک متغیر فازور فضا، و و مؤلفه های معادل با قالب dq و زاویه مرجع قالب dq است. یک رابطه مفید دیگر بین مشتق های فازور فضا و متغیرهای قالب dq بصورت زیر تعریف می گردد:
که w سرعت زاویه ای قالب dq است که با بصورت زیر مرتبط می باشد
بر اساس معادله 9، در معادله 8 را می توان بصورت زیر بیان کرد
که می توان آنرا بصورت زیر ساده سازی کرد
دینامیک طرف مستقیم را می توان بصورت زیر توصیف کرد
ضرب کردن هر دو طرف معادله 14 در جریان منجر به ایجاد رابطه قدرت زیر می گردد:
دو گزینه طرف راست از معادله 15 بترتیب نشاندهنده قدرت ایجاد شده توسط آرایه PV ، و قدرت دریافت شده توسط مبدل طرف مستقیم هستند. بنابراین می توانیم معادله تعادل قدرت را بصورت زیر بیان کنیم
با جایگزین سازی عبارت برای از معادله 13 در معادله 16، می توانیم بدست آوریم
5- کنترل گر برای سیستم PV، CSI-مبنا
پیش بینی می شود که کنترل گر یک سیستم PV، CSI-مبنا، جریان های طرف مستقیم و متناوب را کنترل کند تا از این موارد اطمینان حاصل گردد: 1) یک جریان سینوسی کیفیت-بالا به شبکه وارد می گردد، 2) توان واقعی وارد شده به شبکه برابر با حداکثر توانی است که می توان از پانل PV در همه شرایط استخراج کرد؛ و 3) مقدار مطلوبی برای توان راکتیو در سطح مشترک با شبکه فرض می شود. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، مدولاسیون عرض پالس (PWM) و کنترل CSI از طریق یک حلقه مرجله بسته (PLL) باید با ولتاژ شبکه همزمان سازی گردد. شکل 1 همچنین نشان میدهد که خطاهای بین دستورات مرجع و و مؤلفه های محور d و محور q از جریان طرف متناوب توسط کنترل گر های PI برای ایجاد سیگنال های مدولاسیون و پردازش می گردند. حتی با اینکه کنترل گر PI دارای ساختار ساده ای است و به آسانی قابل اجرا است، با اینحال تنظیم مناسب پارامترهای آن نیازمند آگاهی کافی است. یک روش ادراکی برای تنظیم پارامترهای کنترل گر PI در این بخش پیشنهاد شده است.
A- حلقه مرحله بسته (PLL)
همانطور که قبلاً نیز گفته شد، متغیرهای متناوب سیستم بر روی یک قالب dq وارد می گردند که در سرعت زاویه ای w می چرخد. در حالت یکنواخت و ثابت، متغیرهای متناوب توابع سینوسی فرکانس شبکه هستند. اگر سرعت زاویه قالب dq برای فرکانس شبکه تنظیم گردد، مقادیر انتقال داده شده، در حالت ثابت متغیر-زمانی خواهند بود، و طرح کنترل گر را ساده تر می سازند. اینکار توسط یک PLL انجام می شود که نمودار بلوک آن در شکل 3 نشان داده شده است. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، ورودی برای بلوک PLL ، ولتاژ متغیر سینوسی و خروجی آن زاویه انتقالات و است. ولتاژ بر اساس معادله 9 به مؤلفه های محور d و q تجزیه می گردد. در شکل 3، ولتاژ با استفاده از کنترل گر PI، به اندازه صفر تنظیم می شود. تنظیم مؤلفه محور q به اندازه صفر، توان های اکتیو و راکتیو و را از ولتاژ مستقل می سازد. از معادله 13
بنابراین با متناسب سازی و کنترل می گردد. همچنین، عبارت قالب dq برای توان راکتیو شکل زیر را می گیرد
معادله 19 نشان میدهد که را می توان توسط کنترل کرد.
B- طرح حلقه کنترل جریان ورودی
معادلات 18 و 19 نشان میدهند که توان های اکتیو و راکتیو ایجاد شده توسط CSI را می توان بترتیب با کنترل و تنظیم کرد. شکل 4 نمودار بلوک را برای کنترل گر جریان طرف متناوبCSI نشان میدهد. ساختارهای کنترل گر و در شکل 4 بصورت زیر بیان می گردند
که و بترتیب بهره های تناسبی و انتگرال هستند. سیگنال های کنترل و بصورت زیر بدست می آیند
که و بترتیب منابع جریان بدست آمده از خروجی های جبران گرهای و هستند. مؤلفه محور d جریان خروجی مبدل با جریان بصورت زیر مرتبط است
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 13صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
دانلود مقاله ترجمه شده مدلسازی دینامیک و تحلیل کارایی یک سیستم فتوولتائیک
