شبیه سازی سیستم فتوولتائیک با باتری ذخیره ساز

سیستم های فتوولتائیک (PV) از جمله منابع انرژی تجدیدپذیر هستند که سهم آنها در تولید انرژی پراکنده روز به روز در حال گسترش می باشد. به پدیده ای که در اثر تابش نور بدون استفاده از مکانیزم های محرک، الکتریسته تولید کند، پدیده فتوولتائیک و به هر سیستمی که از این پدیده استفاده کند، سیستم فتوولتائیک گفته می شود. کوچکترین جزء سیستم فتوولتائیک سلول خورشیدی است که انرژی خورشید را دریافت کرده و آنرا به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. سلول ولتاژی در حدود 1.5 ولت و 6 آمپر جریان DC برای سلولهای مسطح تر و حدود 3 وات توان الکتریکی تولید می کند. با سری شدن تعدادی از سلولهای خورشیدی، رشته ای از آنها با مشخصه توان بالاتر تشکیل می شود. هر گاه چندین رشته از سلول خورشیدی مشابه را موازی کنیم، واحد ماژول خورشیدی با جریان، ولتاژ و توان بالاتر پدید می آید. واحد بزرگتر پنل خورشیدی است که از موازی کردن چند ماژول خورشیدی بوجود می آید. در نهایت از سری و موازی کردن پنل های خورشیدی، آرایه خورشیدی با توان قابل ملاحظه پدید می آید. (برای یافتن اطلاعات بیشتر به این پست مراجعه کنید)

منبع انرژی فتوولتائیک انرژی الکتریکی را به شکل DC آن تولید می کند. اگر انرژی مصرفی بارها به شکل انرژی الکتریکی AC باشند، هر نوع سیستم تجدیدپذیر چه به صورت وصل به شبکه و چه به صورت مجزا از شبکه نیازمند تبدیل توان از شکل DC به AC توسط یک اینورتر خواهد بود. از طرفی ولتاژ منبع فتوولتائیک در سطح پایین تری از سطح ولتاژ شبکه و یا ولتاژ موردنیاز بار بدست خواهد آمد و چون اینورترهای معمولی مبدلهای کاهنده ولتاژ می باشند، ناگزیر به استفاده از یک طبقه مبدل افزاینده ولتاژ می شویم. اما در صورتیکه بار مصرفی خروجی DC باشد، در این صورت نیز بدلیل تولید ولتاژ با سطح پایین توسط منبع فتوولتائیک، نیازمند یک طبقه مبدل افزاینده ولتاژ خواهیم بود. با تنظیم المان های مبدل افزاینده و تحریک مناسب کلید آن، می توان ولتاژ خروجی بوست شده مناسب را در خروجی بدست آورد.

توجه می کنیم که سیستم فتوولتائیک می تواند در دو حالت متصل به شبکه یا به صورت منفصل از شبکه کار کند. در حالت منفصل از شبکه، هدف تغذیه بارهای حساس دور از شبکه می باشد که مسلماً مستلزم بهره گیری از عناصر ذخیره کننده انرژی برای جبران تغییرات طبیعی توان منابع می باشد. در این حالت نسبت به حالت متصل به شبکه، به دلیل عدم نیاز به سنکرون سازی، مدیریت ساده توان و مشکلات حفاظتی کمتر، کنترل توان ساده تر انجام می پذیرد. در حالت متصل به شبکه، انرژی منابع توان به مجموعه شبکه و بار تحویل داده می شود. در این حالت علاوه بر تزریق توان اکتیو، سیستم می تواند جهت تزریق توان راکتیو و پشتیبانی از ولتاژ شبکه نیز بکار گرفته شود. اینورتر متصل به شبکه از اینورتر جزیره ای متفاوت می باشد، به صورتیکه از فرکانس ولتاژ خط به عنوان یک پارامتر کنترلی برای تضمین اینکه خروجی سیستم فتوولتائیک کاملاً با شبکه، سنکرون باشد، استفاده می کند.

در این پروژه یک سیستم فتوولتائیک طراحی شده که متشکل از یک آرایه خورشیدی با 18 پنل 330 وات است. این آرایه سپس به یک مبدل بوست متصل شده تا سطح ولتاژ خروجی آن به مقدار 400 ولت افزایش داده شود، سپس ولتاژ خروجی افزایش یافته به یک اینورتر پل تک فاز اعمال می شود. ولتاژ خروجی اینورتر بعد از عبور از فیلتر خروجی LC به شکل سینوسی در آمده و دارای مقدار مؤثر 220 ولت خواهد بود که جهت اعمال به یک بار تکفاز با حدود توان 4000 وات استفاده می شود.

از طرفی یک سیستم باطری ذخیره ساز نیز در نظر گرفته شده که متشکل از باتری های سری شده با یکدیگر (16 عدد با ولتاژ 12 ولت) و مبدل DC-DC دو طرفه هست که خروجی این سیستم (مبدل) نیز به ورودی اینورتر متصل شده است.کار مبدل دو طرفه این است که ضمن فراهم آوردن سطح ولتاژ مناسب با خروجی مبدل بوست برای اعمال به اینورتر، کنترل شارژ یا دشارژ باتریها را نیز تأمین کند. سیستم کلی مدل سازی شده در متلب در شکل 1  نمایش داده شده است.

شکل 1) سیستم کلی فتوولتائیک و باتری برای تغذیه بار تکفاز به کمک اینورتر

برای کنترل این سیستم، سه بخش در نظر گرفته شده که بر اساس آن، یک بخش برای آرایه خورشیدی و مبدل بوست، یک بخش برای باتریها و مبدل دوطرفه و یک بخش ساده برای اینورتر تکفاز لحاظ شده است.

برای بخش اول، آرایه خورشیدی توسط الگوریتم ردیاب نقطه توان ماکزیمم کنترل می شود تا در نقطه بیشینه تولید توان کار کند، ضمن اینکه از سیگنال دیوتی سایکل حاصل از این کنترل برای روشن و خاموش کردن کلید مبدل افزاینده متصل به آرایه استفاده می شود.

برای بخش دوم، یک سیستم کنترلی در نظر گرفته شده که در هنگام دشارژ باتریها، سطح ولتاژ خروجی مبدل دو طرفه و جریان سلف مدار را تنظیم می کند و در هنگام شارژ نیز، ولتاژ شارژ باتریها را تنظیم می کند. از خروجی این بخش، سیگنالهایی تولید می شود که برای روشن و خاموشی دو کلید مبدل استفاده می شود.

برای بخش سوم نیز به طور ساده یک بلوک تولید سیگنالهای کنترلی بر اساس قاعده PWM تنظیم شده  که تحریک لازم را برای کلیدهای چهارگانه اینورتر تک فاز فراهم می کند. توجه می کنیم در هر حالت از عملکرد کلی سیستم، باید بار تکفاز تأمین شود. جزئیات بیشتر از بخش های کنترلی در گزارش کار پروژه موجود است.

در ادامه دو سناریو را برای شبیه سازی در نظر گرفته و نتایج حاصل از آن را گزارش می کنیم.

سناریو اول: تأمین بار سیستم و شارژ باتریها با سطح تابش کافی و ثابت

در این حالت فرض می کنیم که باتریها در وضعیت شارژ 40 درصد باشند و باید توسط آرایه خورشید شارژ شوند. سطح تابش پنلها برابر با 1000 وات بر متر مربع و ثابت است. همچنین ضمن شارژ باتریها باید بار مقاومتی تکفاز نیز تأمین شود. در شکل 2 مشخصات خروجی آرایه خورشیدی ارائه شده است. متوسط ولتاژ خروجی و توان خروجی در حالت ماندگار به ترتیب 236 ولت و  5757 وات است.

شکل 2) ولتاژ، جریان و توان خروجی آرایه خورشیدی در سناریوی اول

در شکل 3 وضعیت شارژ، جریان و ولتاژ خروجی مجموع باتریها نمایش داده شده است. همانطور که مشخص است باتری در وضعیت شارژ کامل قرار دارد.

شکل 3) وضعیت شارژ، جریان و ولتاژ خروجی مجموع باتریها در سناریوی اول

در شکل 4 نیز مشخصه ولتاژ متناوب تأمین شده برای بار تکفاز ارائه شده است که سینوسی بوده و دارای مقدار مؤثر 240 ولت است.

شکل 4) مشخصه ولتاژ متناوب تأمین شده برای بار در سناریوی اول

سناریو دوم: تأمین بار سیستم و شارژ جزئی و سپس دشارژ کامل باتریها با سطح تابش ثابت و سپس متغیر

در این حالت فرض می کنیم که باتریها در وضعیت شارژ 90 درصد باشند و باید توسط آرایه خورشید شارژ شوند. سطح تابش پنلها ابتدا برابر با 1000 وات بر متر مربع بوده و سپس در زمان 0.25 ثانیه به 200 وات بر متر مربع کاهش می یابد. توجه می کنیم که در این حالت نیز باید توان بار به صورت پیوسته تأمین شود. در شکل 5 مشخصات خروجی آرایه خورشیدی ارائه شده است. مقدار متوسط ولتاژ در حالت ماندگار اول و دوم به ترتیب 227 ولت و 225 ولت، مقدار متوسط جریان در حالت ماندگار اول و دوم به ترتیب 10 و 26.1 آمپر و مقدار مقدار متوسط توان در حالت ماندگار اول و دوم به ترتیب 5928 وات و 865 وات است.

شکل 5) مشخصه ولتاژ، جریان و توان آرایه خورشیدی در سناریوی دوم

در شکل 6 وضعیت شارژ، جریان و ولتاژ خروجی مجموع باتریها نمایش داده شده است. همانطور که مشخص است ابتدا باتری در حال شارژ جزئی بوده و سپس در زمان 0.25 ثانیه به بعد در وضعیت دشارژ کامل قرار می­ گیرد. ضمن اینکه در حالت ماندگار جریان باتری در وضعیت شارژ در مقدار 11.3- آمپر و در وضعیت دشارژ در مقدار 13.3 آمپر قرار دارد.

شکل 6) وضعیت شارژ، جریان و ولتاژ باتریها در سناریوی دوم

در شکل 7 نیز مشخصه ولتاژ متناوب تأمین شده برای بار تکفاز ارائه شده است که سینوسی بوده و در هر دو وضعیت و در شرایط ماندگار دارای مقدار مؤثر 240 ولت است.

شکل 7) مشخصه ولتاژ متناوب تأمین شده برای بار در سناریوی دوم

با توجه به نتایج، عملکرد سیستم در هر دو سناریو قابل قبول و رضایت بخش است.

———————————————————————————

توجه : 

در این مطلب، دو سناریو شبیه سازی شده از سیستم آرایه خورشیدی و باتری منفصل از شبکه برای تأمین بار تکفاز ارائه شد و تعداد از نتایج آنها گزارش شد. اما شما عزیزان می توانید برای در اختیار داشتن فایلهای شبیه سازی و همچنین گزارش کار 16 صفحه ای شبیه سازی ها که علاوه بر نتایج فوق مشخصات دیگری مثل توان ها، جریان بار، اعوجاج هارمونیک بار، ولتاژ لینک DC و … در آن ارائه شده، از لینک خرید زیر استفاده کنید.