متلب سایت MatlabSite.com

Transcript

1 تعیین نقطه عملکرد بهینه آرایه هاي خورشیدي با در نظر گرفتن تغییرات ناگهانی شرایط آب و هوایی مجتبی پرتوي 1 محسن محمدیان 2 1- دانشجوي کارشناسی ارشد گروه مهندسی برق - قدرت دانشگاه شهید باهنر کرمان M_prtv@yahoo.com 2- استادیار گروه مهندسی برق - قدرت دانشگاه شهید باهنر کرمان M.Mohammadian@mail.uk.ac.ir -1 چکیده- امروزه بهره گیري از آرایه هاي خورشیدي بعنوان یکی از منابع مهم انرژي تجدیدپذیر با نرخ قابل توجهی رو به افزایش است. از آن جا که توان خروجی آرایههاي خورشیدي وابسته به شدت تابش دما و ولتاژ پایانه می باشد کنترل نقطهي کار آن ها به منظور جذب حداکثر توان از اهمیت زیادي برخوردار است. در مقاله حاضر از ساختار پیشنهادي جدیدي جهت ردیابی نقطه حداکثر توان استفاده شده است که ترکیبی از روش غیرخطی و روش متداول اغتشاش و مشاهده میباشد. شبیه سازيهاي انجام شده نشان میدهد که تعیین نقطهي عملکرد بهینه با ترکیب این دو روش علاوه بر کاهش چشمگیر زمان دستیابی به نقطهي حداکثر توان کارآمدي سیستم را به خصوص هنگام تغییرات شرایط آب و هوایی افزایش میدهد. در این مطالعه از نرم افزار سیمولینک متلب براي شبیه سازي استفاده شده است. کلید واژه- فتوولتاي یک ردیابی نقطه حداکثر توان P&O بهینه سازي غیر خطی مقدمه انرژي خورشیدي در سال هاي اخیر به عنوان یک منبع انرژي مطمي ن پاك و نامحدود مورد استفاده قرار گرفته است. هزینه بالاي راه اندازي اولیه و نیز راندمان پایین تبدیل انرژي از جمله معایب استفاده از سیستم هاي فتوولتاي یک می باشد. جهت کاهش معایب فوق تلاش هاي بسیاري انجام شده تا راندمان تبدیل انرژي را با افزایش کیفیت سلول هاي خورشیدي و نیز دریافت ماکزیمم انرژي از سلول هاي خورشیدي افزایش دهند. که جا آن از مشخصهي ولتاژ-جریان ماژولهاي خورشیدي غیرخطی می باشد و تابع پارامترهاي محیطی خورشید سیستمی شدت محیط دماي از جمله تابش و بار متصل به آن است لذا یک سیستم فتوولتاي یک غیرخطی و متغیر با زمان بوده و لحاظ نمودن این ویژگی ها در طراحی کنترل کنندهي آن حاي ز اهمیت است.شایان ذکر است که به ازاي شرایط آب و هوایی مشخص حداکثر توان تنها در یک نقطه کار از آرایه خورشیدي قابل دریافت است. از اینرو با انتخاب مناسب نقطه کار آرایه دریافت نمود. از طرفی با می توان حداکثر توان را از آن تغییرات شرایط محیطیتابش و دما) نقطه کار آرایه نیز تغییر پیدا خواهد کرد در نتیجه با استفاده از الگوریتم هاي ردیابی نقطه حداکثر توان می توان با تغییرات بار میزان توان دریافتی از آرایه را همواره در مقدار حداکثر خود نگاه داشت. از اینرو در اغلب سیستمهاي فتوولتاییک جهت تطبیق بار با آرایهي خورشیدي و به منظور جذب حداکثر توان از یک مبدل توان حداکثر ي نقطه ردیابی جهت تا کنون استفاده می شود. 2348

2 MPPT) 1 روشهاي متفاوتی اراي ه شده است که از آن جمله می- توان به روشهاي مشاهده و انحراف P&O) 2 [٣] ادمیتانس 3 افزایشی [٥] ولتاژ ثابت و روشهاي مبتنی بر شبکه عصبی [١٠] و و منطق فازي [٦] P&O روش شده یاد روشهاي بین از کرد. اشاره موجب نوسان حول نقطهي حداکثر توان میشود که این موضوع منجر به افزایش تلفات میگردد. همچنین استفاده از این روش منجر به جهتگیري اشتباه به هنگام تغییر ناگهانی دما و یا خورشید خواهد تابش نقطهي ولتاژ ثابت ولتاژ روش در شد. حداکثر توان قابل تولید تقریبی خطی از ولتاژ مدار باز ماژول در نظر گرفته میشود درحالیکه ثابت تناسب مورد استفاده در این محیطی شرایط به وابسته تقریب میباشد. بر این اساس مقاله حاضر به اراي ه روشی مبتنی بر اندازهگیري ولتاژ مدار باز و با درنظر داشتن مشخصه غیر خطی ولتاژ - جریان آرایههاي خورشیدي می توسعه یافته P&O روش همراه به آن کارگیري به که پردازد موجب بهبود عملکرد سیستمهاي ردیابی نقطهي حداکثر توان می شود. -2 مدل و مشخصهي ولتاژ-جریان آرایههاي خورشیدي مدار معادل ساده شده یک سلول خورشیدي به صورت یک منبع جریان موازي با دیود در شکل 1 ) اراي ه شده است. مشخصهي ولتاژ - جریان آن را نیز میتوان به کمک رابطه زیر بدست آورد: I=I L -I o [e ) 1] - 1) N p که در آن I L N= p I ph جریان تولیدي آرایهي خورشیدي است. تعداد ماژول هاي موازي و I ph نور به سطح هر کدام از سلول ها میباشد. معکوس آرایهي خورشیدي و خورشیدي می باشد. جریان تولیدي ناشی از برخورد I o =N p I os I os V T =N nk T)/q جریان اشباع جریان اشباع معکوس هر سلول ولتاژ حرارتی است که در آن Ns تعداد سلولهاي سري n ضریب ایده آلی k B ثابت بولتزمن T دماي سلول بر حسب کلوین) مقاومت سري و و q بار الکتریکی می باشد. R s R p نشتی دیود می باشند. نیز مقاومت شنت جهت در نظر گرفتن جریان شکل 1 : مدار معادل آرایه خورشیدي[ ١ ] براي مدل سازي اثر تغییرات دما و شدت تابش میتوان از روابط زیر استفاده نمود: I L = I L T )+1+K o T-T )) I L T ) = K o = ) I sct nom) ) ) I o = I o T 1 ) ) e I o T 1 ) = ) ) ) ) ) 2) ٣) ۴) ۵) ۶) در روابط 2) تا 6) G شدت تابش Tnom) و Gnom) به ترتیب دما و کار فاصلهي Vq مبنا و تابش شدت انرژي نوارهاي سیلیسیم بر حسب الکترون ولت می باشند. منحنی تغییرات ولتاژ- جریان یک سلول خورشیدي براي شدت تابش G و دماي ثابت T در شکل 2) نشان داده شده است. براي یک بار مقاومتی منحنی بار به صورت یک خط راست با شیب رسم شده است. اگر مقدار بار R) کم باشد ناحیه کار سلول در ناحیه M-N خواهد بود و سلول به عنوان یک منبع جریان ثابت عمل می کند. با افزایش بار ناحیه سلول در ناحیه P-S قرار می گیرد به گونه اي که سلول مشابه یک منبع ولتاژ ثابت خواهد بود. عملکرد 1 Maximum power point tracking 2 Perturbation and observation 3 Incremental conductance 2349

3 جدول با شکل 2 ) منحنی تغییرات جریان-ولتاژ آرایه خورشیدي[ ٢ ] براي شبیه سازي از آرایه مدلMSX60 که مشخصات آن در 1) آمده است استفاده شده است. جدول 1 ) مشخصات سلول خورشیدي MSX-60 در شرایط استاندارددماي 25 o c و شدت تابش 1kw/m 2-3 ساختار مدل پیشنهادي آرایههاي خورشیدي را میتوان به دو صورت متصل به شبکه و جدا از آن به کار برد. از آنجا که معمولا ولتاژ خروجی آرایه ها پایین میباشد لذا براي اتصال به شبکه توزیع نیاز به استفاده از مبدل افزاینده است اما در حالت عملکرد جداگانه ولتاژ مورد نیاز باتريها و بار تعیین کننده نوع مبدل میباشد. یکی از مزایاي اتصال به شبکه عدم نیاز به باتري میباشد همچنین در این حالت می توان از تعرفه هاي بالاي انرژي استفاده نمود که براي تولیدات انرژي سازگار طبیعت مقدار سیستم شود. می پرداخت ویژگی مطالعه این در پیشنهادي مطابق شکل 3) در نظر گرفته شده است که آرایههاي خورشیدي در حالت متصل به شبکه بررسی شدهاند و براي تطبیق بار از مبدل بوست یک 4 مرحلهاي مطابق شکل 4) استفاده شده است.. در این سیستم ها تمامی روشهاي دستیابی به نقطهي حداکثر توان قابل پیاده سازي است و استفاده از هر کدام از آن ها منجر به تنظیم 5 اندیس مدولاسیون M) میگردد. همانطور که در شکل 4) مشاهده میگردد. اندیس مدولاسیون در بلوك MPPT تعیین می گردد و سپس حاصلضرب آن و ولتاژ اندازهگیري شده از شبکه شکل موج مرجع را به منظور استفاده در بلوك PWM تشکیل می دهد. به هنگام اتصال آرایههاي خورشیدي به شبکه نیز همواره باید به این نکته توجه نمود که براي جلوگیري از ایجاد عدم تقارن سیگنال کنترلی را تنها باید در ابتداي هر سیکل ولتاژ اعمال کرد که این عمل باعث کاهش سرعت ردیابی الگوریتم موردنظر خواهد شد. شکل 3 ) بلوك دیاگرام سیستم پیشنهادي شکل 4 ) مدار افزاینده مورد استفاده براي اتصال به شبکه 4 Single stage Boost inverter 5 Duty cycle 60W 17/1V 3/5A 3/8A 21/1V -80±10)mV/ C ±0.015)%/ C coul حداکثر توان ) m p حداکثر ولتاژ ) m v حداکثر جریان ) m I جریان اتصال کوتاه I) sc ولتاژ مدار باز ) oc v) ضریب دمایی ولتاژ مدار باز β) ضریب دمایی جریان اتصال کوتاه α) بار الکترون q) ثابت بولتزمن k) B 1 36 ضریب ایده آلی n) تعداد سلول هاي سري ) s N) 2350

4 4- پیاده سازي الگوریتم ردیابی نقطه حداکثر توان -4-1 اکثر الگوریتم 6 اغتشاش و مشاهده به دلیل سادگی الگوریتم و سهولت در اجرا روش P&O در کاربردهاي انرژي خورشیدي گیرد. قرار می استفاده مورد شکل 5) منحنی توان خروجی آرایه فتوولتاي یک را بر اساس تابعی از ولتاژ آرایه نشان می دهد. در این الگوریتم ابتدا ولتاژ و جریان سپس توان آرایه اندازه گیري می شود. به گونهاي که اگر پس از یک انحراف کوچک در نقطه کار توان خروجی افزایش پیدا کند تغییرات بعدي ولتاژ تغییرات باید منفی جهت همان در Vk)-Vk-1)<0) گیرد صورت با متناظر این در ناحیه حالت سمت راست نقطه حداکثر توان و تغییرات ولتاژ مثبت Vk)-Vk-1)>0) متناظر با ناحیه سمت چپ می باشد. اما اگر توان خروجی در اثر انحراف نقطه کار کاهش یابد تغییرات بعدي باید در خلاف جهت صورت گیرد. این روش معمولا روشی کند است و با نوسانات حول حداکثر توان نقطه در الگوریتم میگردد. توان اتلاف باعث p&o بهبودیافته مطابق جدول 2) تغییرات در خلاف جهت با دو گام در جهت عکس صورت می پذیرد که باعث افزایش سرعت ردیابی نقطه حداکثر توان می شود. جدول 2 ) الگوریتم استفاده شده در الگوریتم اندیس مدولاسیون P&O جهت ردیابی V P صحیح Mk)=Mk-1)+ M Mk)=Mk-1)+2 M اشتباه صحیح Mk)=Mk-1)- M Mk)=Mk-1)-2 M -4-2 اشتباه الگوریتم ردیابی نقطهي حداکثرتوان ترکیبی است از میشود اراي ه بخش این در که الگوریتمی الگوریتم P&O بهبودیافته و روش ولتاژ مدار باز ) oc V) به گونهاي که با استفاده از این روش نقطهي عملکرد بهینه P) op براي آرایه خورشیدي کاري شرایط در بهینه عملکرد نقطه میآید. بدست متفاوت نقطهاي است که حداکثر توان ) max P) op V= max I. از آرایه خورشیدي دریافت می شود. که با توجه به شکل 5) با صفر قرار دادن مشتق رابطهي توان بدست میآید : )= ) = 0 7) 8) 6 Perturbation and Observation algorithm در نتیجه میتوان نوشت: با بدست آوردن Vpv از معادله ي 1) و در رابطهي 8) میتوان نوشت: ) op = - جایگذاري مشتق آن V op = - ) V op = - ) ) 9) 10) به توان در رابطهي 10) ki نسبت تناسب جریان نقطهي حداکثر ولتاژ باشد. می کوتاه اتصال جریان خورشیدي را می توان از رابطهي زیر بدست آورد: 11) با استفاده از روابط 8) و 10) را میتوان از رابطهي 12) بدست آورد: ماژول باز مدار V oc =V T ln [ I sc + 1] I o جریان نقطهي حداکثر توان I op =ki o [e ) ] 12) 10) 13) حال ولتاژ نقطهي حداکثر توان را میتوان با توجه به روابط و 12) از رابطهي 13) بدست آورد: V op = [ ] پس از هر بار اندازهگیري ولتاژ مدار باز ماژول و تعیین ولتاژ نقطه ي عملکرد بهینه میتوان اندیس مدولاسیون M) را تعیین نمود. شکل 5 ) تغییرات نقاط کاري مختلف بروي منحنی توان-ولتاژ[ ١ ] در روش پیشنهادي به منظور ردیابی هرچه دقیق تر نقطه کار بهینه حتی در هنگام تغییرات شرایط محیطی میتوان در بازهي زمانی بین دو نمونهگیري ولتاژ مدار باز از الگوریتم p&o توسعه 2351

5 ب ب ب ب و 8 یافته استفاده مدت زمان طی در عمل با این نمود. نمونهگیري الگوریتم مورد نظر موظف به تعیین اندیس مدولاسیون میباشد. در این حالت سرعت و دقت ردیابی به طور قابل ملاحظهاي افزایش یافته و نوسانات حول نقطه حداکثر توان که مشکل عمده الگوریتم هاي متداول است کاهش پیدا میکند. خوبی عمل خواهد کرد. تغییرات دمایی مطابق شکل 7) به صورت پله اي به ترتیب 75 o c 50 o c 25 o c و 25 o c در نظر گرفته شده است. دورهي تناوب اندازهگیري ولتاژ مدار باز در این مطالعه 0.5 ثانیه در نظر گرفته شده است. شکلهاي 7 9) نیز به ترتیب توان ولتاژ و جریان خروجی آرایه را هنگام استفاده از روش p&o و روش ترکیبی نشان میدهند. همانطور که مشاهده میشود پس از هر بار نمونهگیري ولتاژ مدار باز ولتاژ خروجی بسیار سریع به نقطه حداکثر توان رسیده است. -5 شبیه سازي شکل 6 ) فلوچارت روش ترکیبی اراي ه شده کارآمدي روش اراي ه شده به هنگام تغییر شرایط محیطی با استفاده از محیط شبیهسازي نرم افزار matlab مورد بررسی قرار شبیهسازي در شده برده کار به مدار است. گرفته Cf=5.85μF Lf=3.25m L=400μH Cp=3mF با مشخصات بوده است. شبیه سازي عملکرد آرایه خورشیدي نیز با استفاده از تابع طراحی شده در محیط نرم افزار matlab انجام پذیرفته است که در آن دما شدت تابش و ولتاژ پایانه آرایه به عنوان ورودي و جریان آرایه به عنوان خروجی میباشد. از آنجا که هدف از شبیهسازي هاي انجام شده بررسی پایداري و نیز کارآیی الگوریتم اراي ه شده در هنگام تغییرات شرایط محیطی بوده است دماي محیط در بازه زمانی کوتاه شبیهسازي به شدت تغییر کرده است هر چند که ممکن است این تغییرات در واقعیت رخ ندهد. بدیهی است الگوریتمی که در بدترین شرایط به خوبی عمل می کند در شرایط عادي نیز به فلا شکل 7 ) تغییرات توان جذب شده از آرایه خورشیدي در اثر تغییرات شرایط محیطی.الف) روش p&o فلا روش ترکیبی غیرخطی و p&o بهبودیافته 2352 شکل 8 ) تغییرات ولتاز خروجی آرایه.الف) روش p&o روش ترکیبی غیرخطی و p&o بهبودیافته

6 ب فلا ب -6 شکل 9 ) تغییرات ولتاز خروجی آرایه.الف) روش p&o مراجع : روش ترکیبی غیرخطی و p&o بهبودیافته که نتیجهگیري در این مقاله به اراي ه روشی به منظور جذب حداکثر توان از آرایههاي خورشیدي و با درنظر گرفتن مشخصه جریان پرداخته شده است و بمنظور افزایش دقت هر چه بیشتر آن از روشهاي متداول ردیابی نقطهي حداکثر توان p&o) نیز استفاده شده است. با توجه به نتایج شبیه سازي روش اراي ه شده از سرعت دقت و پایداري بالایی برخوردار است و استفاده از آن به خصوص هنگامی مطابق به ماژول شبیه شبکه سازيهاي متصل انجام بسیار است گرفته مناسب الگوریتم نظر میرسد. به مبتنی بر روش اغتشاش و مشاهده توسعه یافته و روش غیر خطی علاوه بر سرعت بالا مقداري از نوسان حول نقطه حداکثر توان نیز جلوگیري کرده پیادهسازي علت و به داشته سادهاي درنظرگرفتن مشخصه غیرخطی ولتاژ-جریان نسبت به تغییرات شرایط محیطی پایستار میباشد. با توجه به سهولت اندازهگیري ولتاژ مدار باز در سیستم- هاي خورشیدي مبتنی بر مبدل کاهنده Buck) اراي ه شده در آن ها نیز پیشنهاد میشود. استفاده از روش [1] T. Tafticht, K. Agbossou, M.L. Doumbia, A. Che riti, An improved maximum power point tracking method for photovoltaic systems, Renewable Energy ) [2] Francisco M. González-Longatt, Model of Photovoltaic Module in Matlab, 2do congreso iberoamericano de estudiantes de ingeniería eléctrica, electrónica y computación ii cibelec 2005). [3] N. Femia, et. Al., Optimization of Perturb and observe Maximum Power Point tracking Method, IEEE Trans. Power Electron., Vol.20, pp , July [7] R.Sudharshan Kaarthik, Nayan Kumar Dalei, R. Vigneshwaran, Rabinarayan Das, modeling, simulation and implementation of low power photovoltaic energy conversion system, Department of Electrical Engineering, National Institute of Technology Rourkela, Rourkela , India, May 13, [4] T. Esram, P. L. Chapman, Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques, IEEE Transactions On Energy Conversion, Vol. 22, No. 2, June [5] A.Safari,S.Mekhilef, Incremental conductance MPPT method for PV systems, Electrical and Computer Engineering CCECE), th Canadian Conference on 8-11 May [6] Pongsakor Takun. Somyot Kaitwanidvilai. Chaiyan Jettanasen, Maximum Power Point Tracking using Fuzzy Logic Control for Photovoltaic Systems, Proceedings of International MultiConference of Engineers and Computer Scientists 2011 Vol II,IMECS 2011, March 16 18, 2011, Hong Kong. [8] Mohamed Azab, A New Maximum Power Point Tracking for Photovoltaic Systems, World Academy of Science, Engineering and Technology [9] Roberto F. Coelho, Filipe Concer, Denizar C. Martins, A Study of Basic DC-DC Converters Applied in Maximum Power Point Tracking, Proceedings of IEEE 2009 Conference, ISBN : , pp [10] m.a.islam, m.a.kabir, Neural network based maximum power point tracking of photovoltaic arrays, TENCON IEEE Region 10 Conference Nov [11] Ting-Chung Yu, Yi-Ting Shen, Analysis and Simulation of Maximum power point tracking for photovoltaic systems, Proceedings of the 30th ROC Symposium on Electrical Power Engineering, Taoyuan, Taiwan, pp , Nov ,