چكيده - ايران به دليل قرارگرفتن در عرض جغرافيايى 25 تا 45 شمالى و است. افزار MATLAB/Simulink - 1 مقدمه

Transcript

1 مدلسازي و شبيه سازي عملكرد ديناميكي سيستم ولتاژ نوري متصل به شبكه توزيع AC سيد مهدي آل عمران گي ورگ قرهپتيان مهرداد عابدي رضا نوروزيان محمد هادي ري وفي دانشكده مهندسي برق دانشگاه صنعتي اميركبير ولتاژنوري در شبكه قدرت ميتواند اثر قابل توجه اي در پايداري شبكه انتقال داشته باشد. بنابراين مدلي دقيق از رفتار ديناميكي واحدهاي توليدي ولتاژ نوري جهت مطالعة امنيت و پايداري سيستم قدرت تحت اين شرايط نياز است. در اين مقاله سيستم ولتاژنوري به طور كامل مدلسازي و شبيه سازي شده است و همچنين نتايج شبيه سازي با مشخصه واقعي يك ماژول خورشيدي معتبر مورد مقايسه قرار گرفته است. و لذا مي تواند بهتر از بسياري از شبيه سازيها و مدلهاي اراي ه شده در مراجع كنوني [6] -[] جهت تحليل و ارزيابي ديناميك سيستم هاي ولتاژ نوري در شبكه قدرت مورد استفاده قرار گيرد. به عنوان نمونه در [] مدلسازي سيستم ولتاژنوري بدون استفاده از MPPT (كنترل كننده نقطه توان بيشينه) صورت پذيرفته است و حال آنكه MPPT در پاسخ ديناميكي و نيز بازده سيستم ولتاژنوري نقشي اساسي ايفا ميكند. از طرف ديگر هيچ گونه فيلتري جهت خروجي اينورتر متصل به شبكه طراحي نشده است. - 2 شبيهسازي آرايه ولتاژ نوري و MPPT چكيده - افزار MATLAB/Simulink در اين مقاله سيستم ولتاژ نوري متصل به شبكه در نرم شبيهسازي شده است. مدلسازي ماژول ولتاژ نوري با استفاده از مدل رياضي Lorenzo انجام شده است و سعي شده است كه اين مدل تا حد امكان به حالت واقعي نزديك باشد. براي بالا بردن ولتاژ تا سطح مورد نظر از مبدل DC-DC از نوع Boost استفاده شده است و يك اينورتر PWM سينوسي جهت اتصال به شبكه توزيع استفاده شده است. چندين كنترل كننده در اين سيستم وجود دارند كه كنترل سيلان توان و كنترل نقطه كار را بر عهده دارند. نتايج شبيه سازي با مشخصه واقعي يك ماژول خورشيدي معتبر- SPR ) 200-BLK) مورد تصديق قرار گرفته است. مشاهدات نشان ميدهد كه با استفاده از اين مدل ميتوان سيستم ولتاژ نوري متصل به شبكه را با دقت بسيار بالايي باز نمايي و تحليل نمود كليد واژه- سيستم ولتاژ نوري. - مقدمه الكترونيك قدرت اينورترPWM مبدل بوست مدلسازي ايران به دليل قرارگرفتن در عرض جغرافيايى 25 تا 45 شمالى و در نتيجه شدت تابش خورشيد در بيشتر نقاط كشور مى تواند صرفه جويى مهمى در مصرف سوخت هاى فسيلى داشته باشد. فناورى ساده كاهش آلودگى هوا و محيط زيست و از همه مهمتر ذخيره شدن سوخت هاى فسيلى براى آينده از دلايل لزوم استفاده از انرژى خورشيدى در كشور هستند. از سوي ديگر افزايش قابل ملاحظهاي در ميزان نفوذ سيستمهاي استفاده از فرمولهاي تحليلي رياضي( مدل (Lorenzo آرايه ولتاژنوري مدلسازي و شبيه سازي دقيق تري را نسبت به روش

2 مدلسازي الكتريكي به دست مي دهد[ 8 ] -[7]. در اين مقاله جهت شبيه سازي ماژول ولتاژ نوري SPR 200 BLK ساخت شركت SUNPOWER به عنوان نمونه است. خصوصيات فني اين ماژول در شرايط استاندارد جدول () درج شده است[ 9 ]. انتخاب شده حال كه ماژول ولتاژ نوري شبيه سازي شد ميتوان آرايه ولتاژ نوري را نيز مطابق با شكل (2) شبيه سازي كرد. تعداد ماژول هاي سري 0 عدد و تعداد شاخه هاي موازي ماژول ها را 3 عدد ) STC ( در در نظر گرفته شده است SPR در شرايط 200 W 200 جدول : خصوصيات فني ماژول BLK استاندارد ( P Max توان ماكزيمم ماژول ) 40.0V ولتاژ نامي( 5.0 A جريان نامي( 47.8V (V oc ولتاژ مدار باز ) 5.4 A ( I sc جريان اتصال كوتاه ) 0.38% / C 36.8mV / C 2.2mA/ C 6.% 559 mm 798mm ضريب حرارتي براي توان ضريب حرارتي براي ولتاژ ضريب حرارتي براي جريان بازدهي ماژول ابعاد ماژول شكل () شماتيك داخلي بلوك ماژول ولتاژ نوري را نشان ميدهد. ورودي ميزان تابش خورشيد بر حسب 2 kw / m را به طور لحظه اي دريافت ميكند و بر اساس آن جريان اتصال كوتاه محاسبه شده و اثر دماي سلول در جريان اتصال كوتاه در بلوك Temp eff محاسبه ميگردد. ورودي 2 مقدار ولتاژي را كه به ماژول اعمال شده است ميگيرد و مستقيما به قسمت محاسبه جريان ماژول ميبرد. ورودي 3 مقدار دماي محيط را مي گيرد كه به وسيله آن و ميزان تابش دماي سلول محاسبه ميگردد. شاخه الف ولتاژ مدار باز ماژول را در شرايط فعلي كاري محاسبه M V) t را در دماي فعلي ميكند. شاخه ب ميزان ولتاژ ماژول ) محاسبه ميكند. اين مقدار در محاسبه جريان خروجي مورد استفاده قرار ميگيرد. شاخه ج ضريب انباشتگي Factor) (Fill ومقاومت سري خروجي سلول ولتاژ نوري را در محاسبه ميكند. فعلي دماي شكل : شماتيك داخلي بلوك ماژول ولتاژ نوري شكل 2 : شماتيك داخلي شبيه سازي آرايه ولتاژ نوري به همراه محاسبه كننده MPP.

3 روشهاي مختلفي براي تعيين نقطة توان بيشينه وجود دارد[ 0 ]. در اينجا از روش هدايت افزايشي روشي سريع و مناسب براي تغييرات سريع جوي استفاده شده است[ ]. نتايج شبيه سازي نشان مي دهد كه تعيين نقطه توان بيشينه با حداكثر خطاي %0,03 امكان پذير است. ΔV c مقدار ريپل متوسط ولتاژ باسDC است كه در اينجا 5,6 ولت فرض شده است. بديهي است كه با تغيير دادن مقدار خازن و نيز تغيير مقدار توان ورودي به مبدل اين مقدار نيز تغيير ميكند[ 3 ]. مدل اينورتر شامل 6 قسمت پل سه شاخه اي اينورتر فيلترLC مركز اندازه گيري ولتاژ و جريان كنترل كننده P-Q اينورتر توليد كننده پالس PWM و محاسبه كننده توان اكتيو خروجي اينورتر است. براي اين توليد كننده پالس PWM سينوسي مقدار فركانس سيگنال حامل 2000 هرتز قرار داده شده است[ 4 ]. شكل 3 : اعمال نقطة توان بيشينه به اينورتر مطابق با شكل (3) با فرمان سوي يچينگ مناسب به مبدل سلول خورشيدي در نقطه كار بهينه حداكثر توان قرار مي گيرد. - 3 آنها شبيهسازي مبدله يا قدرت و كنترل كننده از آنجايي كه در اين سيستم به افزايش سطح ولتاژ به ميزان بالا نياز است از ميان انواع مبدل هاي DC-DC مبدل بوست مورد استفاده قرار گرفته است. اين نوع مبدل بيشتر در سيستم ه يا كوچك ولتاژنوري ديده مي شود[ 2 ]. مبدل بوست DC- DC به صورت يك بلوك كه هم مدار كنترل و توليد پالس و هم مدار مبدل را در بر دارد شبيهسازي شده است. مقدار تنظيمي سلف و خازن با توجه به روابط طراحي مبدل T a Boost و در شرايط نامي محيطي (20 = 2 ( G a به صورت زير محاسبه ميگردد: و = 800 W / m R = 90 Ω = 2. 0 A V c = 625 V V a = 360 V k = () و 4- طراحي فيلتر خروجي از فيلتر پايين گذر در خروجي مبدل جهت تضعيف نوسانات فركانس بالاي ناشي از كليد زني استفاده ميشود [6]-[5]. مقادير سلف ها و توان اكتيو توليدي خازن به صورتي انتخاب مي- شود كه هارمونيك ولتاژ و جريان در شرايط تست نرمال در مقدار مطلوب (بين 2 تا 4 درصد) قرار گيرد. مدار معادل تك فاز فيلتر براي n امين هارمونيك در شكل (4) نشان داده شده است. شكل 4 : مدار تك فاز فيلتر مقدار فركانس رزنانس اين فيلتر برابر است با: f r = ( 2) 2πf L C i i فركانس رزنانس طوري قرار داده ميشود كه از فركانس كاري كمتر باشد. - 5 شبيهسازي شبكه و بار شماتيك مبدل DC-DC متصل به آرايه ولتاژ نوري اينورتر و شبكه در شكل (5) نمايش داده شده است. f = 0 khz k( k )R L 3 c = =. 0 H 2 f Vc.k 6 Cc = = 54 0 F f.r. ΔV c Incremental Conductance (IncCon)

4 شبكه اي كه براي اين شبيه سازي در نظر گرفته شده است يك شبكه ولت 380 و 50 هرتز است. سطح اتصال كوتاه اين شبكه در نقطه اتصال سيستم ولتاژ نوري به آن 0 مگا ولت آمپر است. يك بار به قدرت 64 كيلو ولت آمپر ضريب توان 0,9 بار اين شبكه را تشكيل ميدهد. سيستم ولتاژ نوري يك بار محلي را نيز به قدرت 800 ولت آمپر و ضريب توان 0,9 تغذيه مي كند. شكل 5 : شماتيك شبيه سازي مبدل DC-DC اينورتر و شبكه 6- بررسي صحت شبيهسازيها. مشخصه I-V ماژول SPR-200-BLK و مشخصه بدست آمده بوسيله شبيه سازي به ترتيب در شكلهاي 6 و 7 نشان داده شده است. مشاهده ميشود كه نقاط قطع نمودارها با محورها دقيقا برابراند و ساير نقاط نيز تا حدود زيادي بر هم منطبقاند. شكل 6 : مشخصه I-V اراي ه شده توسط سازنده شكل 7 : مشخصه I-V شبيه سازي شده با مقايسه جدولهاي () و (2) ملاحظه ميشود كه مقادير شبيه سازي شده برابر يا بسيار نزديك به مقادير كاتالوگ سازنده ميباشد. بنابراين مدلسازي كاملا معتبر است. شايان ذكر است كه شبيه سازي ها تغييرات مشخصه I-V بر اثر تغييرات دما را نيز به خوبي بازنمايي كرده است كه جهت رعايت اختصار ازاراي ه نتايج آن خودداري شده است. جدول 2 : نتايج به دست آمده از شبيه سازي در شرايط.STC توان خروجي ماژول W V 5.07 A 47.8V ولتاژ نامي ) جريان نامي ) (V oc ولتاژ مدار باز ) ( I sc جريان اتصال كوتاه ) بازدهي ماژول در جدول (3) نتايج حاصل از شبيه سازي كنترلرMPPT با مقادير تي وري مقايسه شدهاند. 5.4 A % آرايه ولتاژنوري و جدول 3 : مقايسه نتايج شبيه سازي و داده شده كاتالوگ نتايج حاصل از شبيه سازي مقادير كاتالوگ پارامتر Va I P a a 400V V 5 A 5.05 A 6000 W W EFF 6.% % 7- ارزيابي عملكرد سازي شده سيستم ولتاژ نوري شبيه در اين مرحله عملكرد مدل به دست آمده در شرايط تابش ثابت و نيز در برابر تغييرات سريع جويمورد بررسي قرار مي گيرد. تابش خورشيدي ثابت به همراه يك ابر گرفتگي كوچك به مدت 2 ثانيه انجام ميشود. شكل تغييرات تابش به صورت سينوسي و مدت اين شبيه سازي 2,5 ثانيه است(شكل 8 ). اين تغيير جوي تغيير بسيار سريعي تلقي ميشود و در صورتي كه سيستم بتواند واكنش مناسب را انجام دهد قطعا در برابر ديگر تغييرات جوي مشكل نخواهد داشت. شايان ذكر است اي ن مدل عملكرد سيستم ولتاژنوري را بسيار دقيق شبيه سازي كند زيرا از نمونه هاي زماني در حد 2 ميكرو ثانيه كمك مي گيرد كه اين كار در عمل توسط پردازشگرهاي پرسرعتDSP انجام مي شود. به همين دليل Standard Test Condition

5 سيستم كنترل اين مدل بسيار سريع بوده و حتي مي تواند تغييرات تابش تا 0ms را دنبال كند. از شكل () مشاهده ميشود كه نمودار مذكور مشابه نمودار شكل (0) مربوط به ولتاژ V a ميباشد. از آنجا كه بازدهي از تقسيم توان خروجي آرايه بر توان رسيده به آرايه از خورشيد به G a متناسب است پس با دست ميآيد و ميدانيم كه جريان V a باشد. نتيجه ميشود كه بازدهي بايد متناسب با ولتاژ Array Voltage (V) Ga (W/m2).( G a شكل 8 : تابش ورودي ) نمودار جريان آرايه ولتاژ نوري در شكل (9) نشان داده شده است. V a شكل 0 : ولتاژ آرايه ولتاژ نوري Array Efficiency با توجه به متناسب با جريان اين تغييرات شكل 9 : جريان آرايه ولتاژ نوري شكل دقيقا مشاهده ميشود كه جريان G a است. اين امر به دليل اين است كه I SC با مستقيم دارد و از سوي ديگر پس جريان ماژول طبق روابط مدلسازي I SC G a با بايد با G a رابطه مستقيم داشته باشد. شكل (0) ولتاژ آرايه نوري به ازاي ورودي رابطه رياضي رابطه مستقيم دارد. G a را نشان ميدهد. با دقت در اين شكل ديده ميشود كه با كاهش تابش خورشيدي در وسط نمودار ولتاژ MPP نيز كاهش مييابد زيرا ولتاژ مدار G a كاهش مييابد و در نتيجه باز آرايه ولتاژ نوري با كاهش ولتاژ MPP نيز كاهش مييابد. شكل : بازدهي آرايه ولتاژ نوري به ازاي ورودي حالت اول - 8 جريان خروجي به شبكه در شكل (2) جريان تزريقي به شبكه در شرايط تست نرمال THD مشاهده ميشود. مقدار THD برابر.6% است و شكل جريان بسيار صاف و نزديك به سينوسي واقعي ميباشد. Array Current (A) Curent (p.u.) G a در شكل () ميزان بازدهي آرايه ولتاژ نوري به ازاي ورودي نشان داده شده است. روابط به صورت زير ميباشد. P η = P max in I = V AG. a I V = A. ki = K V (3) شكل 2 : شكل جريان تزريقي به شبكه در شرايط تست نرمال

6 [7] Anca D.Hansen, Poul Sorensen, Models for a Stand- Alone PV system, Riso National Laboratory, Roskilde, Denmark, Dec 2000 [8] Lorenzo, E. Solar Electricity Engineering of Photovoltaic Systems, internationally recognized expert engineers and scientists of IES (Solar Energy Institute), 994. [9] SunPowerCorporation ( RESIDENTIAL PV MODULE SPR-200-BLK datasheet, December [0] Trishan Esram and Patrick L. Chapman, Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques, IEEE Transaction on Energy Conversion, Vol. 22, June 2007 [] Hussein, K.H. Muta, I.Hoshino, T.Osakada, M. Maximum photovoltaic power tracking: an algorithm for rapidlychanging atmospheric conditions Generation, Transmission and Distribution, IEE Proceedings- Jan 995 Volume: 42, pp [2] Jin-Woo Jung, Modeling and Control of Fuel Cell Based Distributed Generation Systems PhD thesis, Department of Electrical and Computer Engineering, The Ohio State University, May 24, [3] Rashid M. H. Power Electronics-Circuits, Devices, and Applications, 3rd Edition. Prentice-Hall, Inc. (2004). [4] Shi-cheng Zheng, Pei-zhen Wang and Lu-sheng Ge, Study on Pwm Control Strategy of Photovoltaic Gridconnected Generation System. Power Electronics and Motion Control Conference,CES/IEEE 5th International Aug [5] Hinz, H.; Mutschler, Voltage Source Inverters for Grid Connected Photovoltaic Systems, P Darmstadt University of Technology, Institute for Power Electronics and Drives, [6] Z. Ye, R. Walling, L. Garces, R. Zhou. Study and Development of Anti-Islanding Control for Grid- Connected Inverters, National Renewable Energy Laboratory, May 2004 NREL/SR نتيجهگيري در اين مقاله سيستم ولتاژ نوري آرايه ولتاژنوري همراه با كنترل كننده نقطهء بيشينه توان (MPPT) اينورتر و فيلتر آن به طور كامل و دقيق در محيط MATLAB/Simulink و مدلسازي شبيه سازي شده است. اين مدل به نحوي است كه قابليت هاي زيادي براي گسترش دارد و مي توان پس از اجراي شبيه سازي تمامي نتايج را ذخيره نمود. مدل ماژول ولتاژ نوري كه به طريقه رياضي بدست آمده است بسيار دقيق مي باشد و مشخصه I-V آن تفاوت بسيار ناچيزي با مشخصه كاتالوگ سازنده دارد. اين مدل در تغييرات بزرگ و بسيار سريع جوي(تا (0ms با توجه به شكل موج هاي بدست آمده از شبيه سازيها (توان بازدهي ولتاژ و جريان ) عملكردي دقيق و مطلوب دارد. بنابر اين مدل مي پيشنهادي تواند به همراه ديگر توليدات پراكنده (باد پيل سوختي و...) با قرار دادن كنترل كننده ها و رابط هاي مناسب در شبكه هاي توزيع استفاده گردد. مراجع [] Altas, I. H.; Sharaf, A.M: A Photovoltaic Array Simulation Model for Matlab-Simulink GUI Environment, Clean Electrical Power, IEEE Conf. 2007, pp [2] Jun Tsutsui, Yusuke Sato, Kosuke Kurokawa, Modeling the performance of several photovoltaic modules, Japan, Photovoltaic Energy Conversion, Conference, IEEE 4th World Conference on Publication May 2006 Vol. 2, pp [3] Nabil A. Ahmed and Masafumi Miyatake, A standalone hybrid generation system combining solar photovoltaic and wind turbine with simple maximum power point tracking control Power Electronics and Motion Control Conference,IPEMC '06. CES/IEEE 5th International Aug Vol., pp. -7 [4] M. C. Cavalcanti, G. M. S. Azevedo, B. A. Amaral, K. C. de Oliveira, F. A. S. Neves, Z. D. Lins Efficiency evaluation in grid connected photovoltaic energy conversion systems Power Electronics Specialists Conference, PESC '05. IEEE 36th Publication, 2005 pp [5] M. M. Bello and I. E. Davidson, Performance Analysis of a Photovoltaic System Coupled to a Universal Motor Using Matlab, Power Engineering Society General Meeting, June IEEE [6] Enrique, J.M. Duran, E. Sidrach-de-Cardona M Andujar, J.M. Bohorquez, M.A. Carretero, J., A new approach to obtain I-V and P-V curves of photovoltaic modules by using DC-DC converters, Photovoltaic Specialists Conference, Jan