متلب سایت MatlabSite.com

Transcript

1 11-F-REN-165 بهبود روش هدايت افزايشي به منظور دريافت بيشترين توان از مولدهاي فتوولتاي يك چكيده امين روح الاميني روح اله فدايي نژاد دانشگاه تحصيلات تكميلي صنعتي كرمان كرمان - ايران واژههاي كليدي: سلول فتوولتاي يك مبدل DC/DC روش هدايت افزايشي با گام هاي متغير مديريت انرژي با توجه به بازدهي پايين و هزينه نصب بالاي پنلهاي خورشيدي دريافت بيشترين توان از آنها مورد توجه قرار گرفته است. از طرفي به دليل تغيير مشخصه خروجي پنلهاي خورشيدي با تغيير شرايط محيطي و اندازه بار متصل به آن روشهاي متنوعي به منظور دنبال كردن نقطه بيشينه توان پيشنهاد گرديده است. در اين مقاله نشان داده شده است كه سرعت و دقت همگرايي در روش هدايت افزايشي با تغيير اندازه گامها بهبود مييابد. در نهايت عملكرد مستقل الگوريتم مذكور از تغييرات اندازه بار اثبات شده است. 1- مقدمه امروزه با كاهش منابع سوختهاي فسيلي و افزايش نگرانيها در رابطه با آلودگي هوا استفاده از انرژيهاي تجديد پذير رو به گسترش است كه در ميان آنها انرژي خورشيدي به دلايل در دسترس بودن عدم آلودگي هوا نامحدود بودن و هزينه پايين نگهداري تجهيزات خورشيدي ميتواند جايگزين توليد انرژي توسط سيستمهاي خورشيدي داراي معايبي همچون هزينه نصب بالا و بازدهي پايين (در حدود 9 تا 16 درصد) ميباشد[ 1 ]. روشهاي زيادي جهت افزايش راندمان سيستمهاي خورشيدي و دريافت بيشترين توان ممكن از آنها پيشنهاد شده اند كه به آنها روشهاي دنبال كننده حداكثر توان اطلاق ميشود. تفاوت عمده روشهاي فوق در شاخصهايي همچون سرعت همگرايي نوسانات حول نقطه بيشينه توان در حالت داي م هزينه و پيچيدگي اجراء و تعداد تجهيزات اندازهگيري مورد نياز ميباشد[ 2 ]. روشهاي پيشنهادي دنبال كننده حداكثر توان را ميتوان در 3 گروه زير دسته بندي نمود: 1- روشهاي مستقيم 2- روشهاي هوشمند مصنوعي 3- روشهاي غير مستقيم. در گروه اول روشهايي همچون انحراف و مشاهده [3] افزايش تودهاي [4] و هدايت افزايشي[ 5 ] قرار دارند. در اين روشها داي ما توان خروجي سلولهاي خورشيدي به ازاء تغيير وروديهايي همچون ولتاژ مرجع يا Duty cycle ملاحظه ميگردد و پس از رسيدن به نقطه بيشينه توان وروديهاي مذكور در محدوده مشخصي مناسبي براي سوختهاي فسيلي باشد. در كنار مزاياي فوق نگه داشته ميشوند. مهمترين ويژگي روشها سادگي آنهاست 1

2 اما وجود نوسانات حول نقطه بيشينه توان در حالت داي م در صورت اتصال كوتاه بودن پايانههاي آن جريان الكتريكي باعث گرديده فقط در كاربردهاي با توان پايين مورد استفاده جاري ميشود. از آنجا كه نور تابيده شده داراي فوتونهاي با قرار گيرند. هر چند روش هدايت افزايشي تا حدودي اين انرژي متفاوت است تنها آندسته از فوتونها ميتوانند حاملهاي عيب را برطرف نموده است. در دسته دوم روشهايي همچون انرژي توليد كنند كه قادر به شكستن پيوند كووالانسي بين شبكه عصبي [6] و فازي[ 7 ] وجود دارند كه اين روشها تا الكترونهاي نيمه هاديها باشند. بنابراين با توجه به شكل 2 حدودي مشكلات مربوط به روشهاي قبل را برطرف نموده مدل پيشنهادي براي سلول فتوولتاي يك داراي يك منبع جريان اند و داراي سرعت و دقت كافي ميباشند. اما اين روشها نيز وابسته است كه ميزان جريان توليدي آن با تغييرات دما و داراي محدوديتهايي هستند. پيچدگي آموزش شبكه عصبي و طراحي قوانين فازي جهت رسيدن به نقطه بيشينه توان كه نيازمند تجربه و تخصص كافي ميباشد و همچنين وابستگي اين روشها به مشخصه ولتاژ-توان سلولهاي فتوولتاي يك و از طرفي تغييرات مشخصه سلول فتوولتاي يك (در اثر عواملي مثل فرسودگي تعويض و اضافه يا كم شدن سلولهاي جديد و...) باعث اختلال در عملكرد اين روشها ميشود. در دسته سوم روشهايي وجود دارند كه به طور غير مستقيم نقطه بيشينه توان را دنبال ميكنند. در [8] الگوريتمي وجود دارد كه ولتاژ مرجع را نسبتي از ولتاژ مدار باز در نظر ميگيرد. سادگي از محاسن اين روش و ايجاد وقفههاي متوالي در توان خروجي از معايب اين روش ميباشد. در [9] روشي پيشنهاد شده است كه بر اساس اندازهگيري جريان خروجي كار ميكند. هزينه پايين اين روش نسبت به روشهاي فوق به دليل كمتر بودن تعداد تجهيزات اندازهگيري مورد نياز از محاسن آن شمرده ميشود. در اين مقاله روشي پيشنهاد شده است كه داراي سرعت و دقت كافي ميباشد. در روش پيشنهادي بر خلاف روش هدايت افزايشي كه اندازه گامها در هر مرحله ثابت ميباشد با تعريف شاخص نزديكي به نقطه بيشينه توان اندازه گامها متغير در نظر گرفته ميشود به گونهاي كه با نزديكي به نقطه بيشينه توان اندازه گامها كوچكتر و با دور شدن از آن اندازه گامها بزرگتر خواهد بود. 2- سلول فتوولتاي يك سلول فتوولتاي يك در حقيقت يك پيوند p-n است كه همانند ديود از مواد نيمه هادي تشكيل شده است. از برخورد نور به سلول فتوولتاي يك حاملهاي انرژي ايجاد ميشوند كه : جريان نشتي ديود 2 شدت تابش تغيير ميكند. ديود به كار رفته به منظور مدل كردن پيوند p-n است. Rs مدل كننده مقاومت محل اتصال پايه فلزي با نيمه هادي مقاومت بين لايه هايp و n مقاومت لايه n با شبكه فلزي نازك روي آن و مقاومت شبكه فلزي است. همچنين Rp مدل كننده جريان نشتي موجود در پيوند p-n است كه بسته به روش ساخت (مونو كريستال پلي كريستال و...) متفاوت ميباشد[ 1 ]. شكل 1: مدار معادل سلول فتوولتاي يك رابطه اساسي كه مشخصه ولتاژ-جريان سيستم فتوولتاي يك را به طور رياضي مدل ميكند در زير آمده است. V + R = ] V + R S S [exp( ) 1 (1) RP G = (, n + KΔT ) ( 2) G SC, n + K ΔT = (3) exp(( VOC, n + KV ΔT ) / ) 1 V = N KT q ( 4) T S / n كه در اين روابط: : جريان خروجي سلول فتوولتاي يك V: ولتاژ خروجي سلول فتوولتاي يك pv :جريان ناشي از برخورد فوتونهاي نور برسلول فتوولتاي يك

3 3-19 (1/ C) -23 (1/ J/K) : q بار الكترون K: ثابت بولتزمن T: دماي پيوند p-n بر حسب كلوين N: S تعداد سلولهاي سري شده V: T ولتاژ حرارتي است. با توجه به روابط 1 تا 4 ميتوان دريافت كه اندازه جريان و ولتاژ خروجي سلول فتوولتاي يك با تغيير شرايط محيطي از قبيل دما (محيط و سلول فتوولتاي يك) و ميزان شدت تابش تغيير خواهد كرد. در شكلهاي 3 و 4 به ترتيب مشخصه ولتاژ- توان و ولتاژ-جريان سلول فتوولتاي يك در شرايط مختلف رسم شده است. Current(A) c,1w/m2 5c,1w/m2 5c,6w/m2 25c,6w/m Voltge(V) شكل 2: مشخصه ولتاژ-جريان سلول فتوولتاي يك در شرايط مختلف Power(W) c,1w/m2 5c,1w/m2 5c,6w/m2 25c,6w/m Voltge(v) شكل 3 : مشخصه ولتاژ-توان سلول فتوولتاي يك در شرايط مختلف 3- مبدل DC/DC واسطهاي براي رسيدن به نقطه بيشينه توان با توجه به مشخصه ولتاژ-توان سلول فتوولتاي يك فقط در يك نقطه ميتوان بيشترين توان را از آن دريافت نمود.حال چنانچه سلول فتوولتاي يك مستقيما" به بار متصل شود تنها در صورتي كه اندازه بار برابر با تقسيم ولتاژ بر جريان در نقطه بيشينه توان باشد بيشترين توان از سلول فتوولتاي يك دريافت ميشود. [11] شكل 4 :مشخصه ولتاژ-توان سلول فتوولتاي يك و بار الكتريكي شكل 4 نشان ميدهد كه براي يك منحني ولتاژ توان مشخص در شرايط استاندارد تنها در صورتي كه بار متصل به آن برابر با 3 اهم باشد بيشترين توان از سلول فتوولتاي يك دريافت ميشود. از طرفي چنانچه باري غير از 3 اهم مستقيما" به آن متصل شود توان دريافتي از سلول فتوولتاي يك بيشينه نخواهد بود. حال از آنجا كه نقطه بيشينه توان با تغيير شرايط محيطي تغيير ميكند لازم است جهت دريافت بيشترين توان بار متصل به سلول فتوولتاي يك نيز متناسب با آن تغيير كند كه اين امر عملا" امكان پذير نبوده و باري كه قرار است توسط سلول فتوولتاي يك تغذيه گردد ثابت است. بنابراين استفاده از يك واسطه به گونهاي كه سلول فتوولتاي يك را مجبور به توليد بيشترين توان به ازاء بار ثابت و تغييرات محيطي كند ضروري است. در مقالات گوناگون از انواع مختلف مبدلهاي DC/DC به عنوان واسطه براي دريافت بيشينه توان از سلول فتوولتاي يك استفاده ميشود. در اين مقاله همان طور كه در شكل 5 ملاحظه ميگردد از مبدل كاهنده ولتاژ با ورودي متغير به عنوان واسطه استفاده شده است [12]. شكل 5 : مبدل كاهنده ولتاژ با ورودي متغير از آنجا كه ولتاژ ورودي مبدل متغير است يك خازن در ورودي آن قرار گرفته است تا ريپلهاي بوجود آمده در اثر سوي يچ زني را كاهش دهد. MOSFET به كار رفته در مبدل

4 فوق در اثر فرمان به گيت آن كه توسط كنترل كننده بيشينه توان اعمال ميگردد روشن و خاموش ميشود. مقادير سلف و خازن به كار رفته در مبدل فوق به ترتيب برابر با 16 ميكرو هانري و 42 ميكرو فاراد در نظر گرفته شده است. 4- الگوريتم رسيدن به نقطه بيشينه توان همانگونه كه در قسمت قبل توضيح داده شد بايستي با استفاده از يك كنترل كننده پالسهاي فرمان را به گونهاي براي MOSFET صادر كرد كه بيشترين توان از سلول فتوولتاي يك دريافت شود. در اين مقاله كنترل كننده با استفاده از روش هدايت افزايشي فرمان لازم جهت روشن و خاموش شدن سوي يچ را صادر ميكند[ 13 ]. شكل 6: ايده اصلي روش هدايت افزايشي با توجه به شكل 6 ميتوان گفت شيب منحني فوق در نقطه بيشينه توان برابر صفر است كه در سمت چپ آن شيب منحني افزايش و در سمت راست آن شيب منحني كاهش مييابد. بنابراين معادلات اساسي روش هدايت افزايشي مطابق زير خواهد بود. d = dv V در نقطه بيشينه توان (5) d > dv V سمت چپ نقطه بيشينه توان (6) d < dv V سمت راست نقطه بيشينه توان (7) مقدار cycle) D(duty مشخص ميشود. در اين روش چنانچه d/dv>-/v و d> باشد مقدار D افزايش مييابد و در صورتي كه d/dv<-/v و d< باشد مقدار D كاهش مييابد. فلوچارت روش هدايت افزايشي در شكل 7 مشاهده ميشود. در ادامه خروجي اين الگوريتم كه اندازه D ميباشد به يك بلوك مقايسه گر داده ميشود و خروجي نهايي كه پالسهاي فرمان به گيت MOSFET ميباشد توليد ميشود. 5- نتايج شبيه سازي به منظور بررسي عملكرد الگوريتم فوق سيستم شكل 8 در نرم افزار سيمولينك پيادهسازي شده است. در سيستم مذكور مقاومت بار متصل به آن برابر 1 اهم و گام دوره كاري ΔD برابر با /1 و /1 ميباشد. شكل 7: فلوچارت روش هدايت افزايشي 4 با توجه به نكات فوق ميتوان الگوريتمي ايجاد نمود كه منجر به دريافت ماكزيمم توان از سلول فتوولتاي يك گردد. در اين الگوريتم در هر لحظه ولتاژ و جريان خروجي سلول فتوولتاي يك اندازهگيري ميشود و با توجه به روابط 5 تا 7 شكل 8 : سيستم مورد شبيه سازي با توجه به مشخصه سلول فتوولتاي يك شبيهسازي شده در شكل 2 انتظار ميرود جهت دريافت بيشترين توان از سلول

5 و بهبود روش هدايت افزايشي به منظور دريافت بيشترين توان از مولدهاي فتوولتاي يك فتوولتاي يك ولتاژ خروجي آن در شرايط استاندارد حدود 26 ولت باشد كه با تغيير شرايط محيطي تغيير ميكند. بنابراين همانگونه كه در شكل 9 نشان داده شده است ولتاژ خروجي سلول فتوولتاي يك در حوالي 26 ولت نوسان ميكند. از طرفي ميزان افزايش يا كاهش دوره كاري بر رفتار اين الگوريتم سريعتر همگرا ميشود و يل ΔD تاثير قابل توجهي 5 ياد باشد زΔ دارد. اگر D الگوريتم مبدل در حول نقطة حداكثر توان نوسان ميكند و اگر ΔD كوچك باشد سرعت همگرايي كاهش مييابد و يل انحراف از نقطة پيك توان يا نوسان حول آن كمتر خواهد شد. در شكل 9 تاثير گام دوره كاري بر دنبال كننده بيشينه توان مشاهده ميشود. Voltge(V) Step=.1 Step=.1 rrdition rrdition(w/m2) شكل 9: عملكرد روش هدايت افزايشي به ازاء گامهاي 1/ /1 6- بهبود روش هدايت افزايشي همانگونه كه در قسمت قبل ملاحظه گرديد روش هدايت افزايشي با تغيير گام داراي سرعت يا دقت كافي ميباشد. در روش مذكور هر چه اندازه گامها كوچكتر باشد سرعت رسيدن به پاسخ مورد نظر كندتر و نوسانات حول نقطه بيشينه توان كمتر و هر چه اندازه گامها بزرگتر باشد سرعت رسيدن به پاسخ مورد نظر سريعتر و ميزان نوسانات حول نقطه بيشينه توان بيشتر ميباشد. بنابراين ميتوان الگوريتم فوق را به گونهاي تغيير داد كه در زمان زياد بودن فاصله تا نقطه بيشينه توان گامها بزرگتر و با كمتر شدن آن فاصله اندازه گامها كوچكتر در نظر گرفته شود. ليكن اين ايده نيازمند شاخصي است كه ميزان نزديكي به نقطه بيشينه توان را مشخص نمايد. با توجه به رابطه 5 و همچنين صرفنظر از مقاومتهاي سري و موازي انداره توان خروجي سلول فتوولتاي يك در هر لحظه از رابطه زير محاسبه ميشود. V P = V V [exp( ) 1] ( 8) P از آنجا كه در نقطه بيشينه توان = ميباشد بنابراين: V P V V = ( + 1) + ( + 1) exp( ) = V (9) VOP 1 = { W[( 1) e] 1} ( 1) كه در رابطه 1 اندازه VOP1 شاخص مناسبي براي نزديكي به نقطه بيشينه توان ميباشد. همچنين در رابطه فوق X Z = Xe تابع لامبرت نام داشته و معكوس رابطه W(X) S ميباشد[ 14 ]. حال چنانچه مقاومتهاي سري و موازي در رابطه 11 اثر داده شوند شاخص مذكور به نقطه بيشينه توان نزديكتر ميشود. بنابراين شاخص نزديكي به نقطه بيشينه توان در رابطه 11 تعريف ميشود. V V V = V 1)] R ( 11) OP OP OP [ R (exp( 1 + ) P در شكل 1 الگوريتم بهبود يافته روش هدايت افزايشي با توجه به توضيحات فوق پيشنهاد شده است. شكل 1: الگوريتم بهبود يافته روش هدايت افزايشي

6 جهت بررسي صحت عملكرد الگوريتم پيشنهادي ولتاژ خروجي سلول فتوولتاي يك در اين حالت با الگوريتم قبلي مقايسه شده است. همانگونه كه در شكل 11 مشاهده ميشود در روش هدايت افزايشي اگر گامها برابر /1 در نظر گرفته شود پاسخ سيستم داراي سرعت همگرايي مناسب بوده و نوسانات حول نقطه بيشينه توان بيشتر ميباشد. از طرفي چنانچه گامها برابر /1 باشند ميزان نوسانات حول نقطه بيشينه توان كاهش يافته اما در مقابل سرعت همگرايي آن كاهش مييابد. اين در حالي است كه ولتاژ خروجي سلول فتوولتاي يك با روش بهبود يافته داراي سرعت همگرايي مناسب و ميزان نوسانات كم ميباشد. همچنين در شكل 12 توان خروجي سلول فتوولتاي يك رسم شده است. همانگونه كه ملاحظه ميگردد اندازه توان خروجي سلول فتوولتاي يك با تغيير ميزان شدت تابش تغيير ميكند. در اين شكل نيز افزايش سرعت و كاهش ميزان نوسانات حول نقطه بيشينه توان توسط الگوريتم بهبود يافته مشهود است. Voltge(V) Step=.1 Step=.1 12 Step=Vrible 11 rrdition rrdition(w /m 2) شكل 11: ولتاژ خروجي سلول فتوولتاي يك با گامهاي متفاوت در الگوريتم بيشينه توان Power(W ) Step=.1 Step=.1 Step=Vrible از طرفي همانگونه كه در شكل 4 ملاحظه گرديد نقطه كار سيستم با تغيير اندازه بار متصل به آن تغيير ميكند كه ممكن است در نقظه بيشينه توان نباشد. اما الگوريتم بيشينه توان مدت زمان سوي يچزني در مبدل را به گونهاي تغيير ميدهد كه با تغببر اندازه بار نيز بيشترين توان از سلول فتوولتاي يك دريافت ميشود. شكل 13 اندازه توان خروجي سلول فتوولتاي يك در شرايطي كه بارهاي مختلف به آن وصل شده است را نمايش ميدهد. ملاحظه ميگردد در حالي كه بارهاي /5 /1 و 1 اهم به آن وصل شده اند اما انداره توان خروجي در هر 3 حالت يكسان است. Poweer(W) R=.1 ohm R=.5 ohm R=1 ohm نتيجهگيري شكل 13 : توان خروجي سلول فتوولتاي يك با بارهاي مختلف متصل به آن در اين مقاله پس از شبيهسازي مدل الكتريكي ماژول فتوولتاي يك وابستگي مشخصه ولتاژ-جريان آن به عوامل محيطي مانند دما و ميزان شدت تابش نشان داده شد. در ادامه مشخص گرديد كه جهت دنبال كردن نقطه بيشينه توان با روش هدايت افزايشي نميتوان به طور همزمان به سرعت و دقت كافي رسيد. به همين منظور روش بهبود يافتهاي پيشنهاد گرديد كه با نزديك شدن به شاخص تعريف شده اندازه گامها را تغيير ميداد. در نهايت صحت عملكرد روش پيشنهادي با تغيير شرايط محيطي به ازاء گام ثابت و گام متغير و همچنين عملكرد مستقل الگوريتم پيشنهادي از بار متصل به آن توسط شبيهسازي اثبات گرديد. 8- مراجع [1] Jing Hu, Jincheng Zhng, Hongbo Wu," A Novel MPPT Control Algorithm Bsed on Numericl Clcultion for Genertion Systems", EEE 6th nterntionl Power شكل 12: توان خروجي سلول فتوولتاي يك با گامهاي متفاوت در الگوريتم بيشينه توان

7 A Novel Anlyticl Solution for the -Arrys Mximum Power Point Trcking Problem", EEE nterntionl Conference on Power nd Energy (PECon21), Nov 29 - Dec 1, 21, Kul Lumpur, Mlysi, PP Electronics nd Motion Control Conference, 29, PP [2] Sng-Soo Prk, Amit Kumr Jindl, Aniruddh M. Gole, Minwon Prk, n-keun Yu," An Optimized Sensorless MPPT Method for Genertion System",EEE Conference on Electricl nd Computer Engineering, 29, pp [3] Mrcelo G. Villlv, Ernesto Ruppert F.," Anlysis nd Simultion of the P&O MPPT Algorithm Using Linerized Arry Model",29. [4] Yo Chunn, Yu Yongchng," An improved hillclimbing method for the mximum power point trcking in photovoltic system", nterntionl Conference on Mchine Vision nd Humn-Mchine nterfce (MVH), 21, PP [5] Qing Mei, Mingwei Shn, Liying Liu, Josep M. Guerrero," A Novel mproved Vrible Step-Size ncrementl-resistnce MPPT Method for Systems", EEE Trnsctions on ndustril Electronics, 211, PP [6] Syfruddin, Tkshi Hiym, Engin Krtepe," Fesibility of Artificil Neurl Network for Mximum Power Point Estimtion of Non Crystlline-Si Photovoltic Modules", 15th nterntionl Conference on ntelligent System Applictions to Power Systems, 29, PP [7] C. S. Chin, P. Neelkntn, H. P. Yoong, K. T. K. Teo," Fuzzy Logic Bsed MPPT for Photovoltic Modules nfluenced by Solr rrdition nd Cell Temperture",UKSim 13th nterntionl Conference on Modelling nd Simultion, 211, PP [8] J. J. Schoemn, nd J. D. vnwyk, A simplified mximl power controller for terrestril photovoltic pnel rrys, in Proc. 13th Annu EEE Power Electron. Spec. Conf., 1982, pp [9] Emd M. Ahmed, Mshito Shoym," Modified Adptive Vrible Step-Size MPPT Bsed-on Single Current Sensor" EEE Region 1 Conference, 21, PP [1] Mrcelo Grdell Villlv, Jons Rfel Gzoli, nd Ernesto Ruppert Filho," Comprehensive Approch to Modeling nd Simultion of Photovoltic Arrys", EEE Trnsctions on Power Electronics, vol. 24, No. 5, my 29,pp [11] Emil Jimenez-Bre, Andres Slzr-Llinsy, Edurdo Ortiz-Riverz, Jesus Gonzlez-LlorenteX," A Mximum Power Point Trcker mplementtion for Photovoltic Cells Using Dynmic Optiml Voltge Trcking", Applied Power Electronics Conference nd Exposition (APEC), 21, PP [12] Villlv M.G, Ruppert E.F," nput-controlled buck converter for photovoltic pplictions: Modeling nd design ", Power Electronics, Mchines nd Drives, 28. PEMD. 4th ET Conference on, 2-4 April 28, pp [13] Azdeh Sfri, Sd Mekhilef," Simultion nd Hrdwre mplementtion of Network for Mximum Power Point Estimtion of Non Crystlline-Si Photovoltic Modules", 15th nterntionl Conference on ntelligent System Applictions to Power Systems, 29, PP [14] Ghis Frivr, Behzd Asei, Mohmmd Ali Rezei,"