استفاده از اینورتر چندسطحی با کنترلکننده غیرخطی مستقیم براي اتصال مزرعه خورشیدي به شبکه

Transcript

1 استفاده از اینورتر چندسطحی با کنترلکننده غیرخطی مستقیم براي اتصال مزرعه خورشیدي به شبکه Downloaded from jiaeeecom at 6: on Tuesday October 3rd 8 Journal of ranian Association of Electrical and Electronics Engineers Vol5 No Spring8 حمیدرضا تودجی استادیار- دانشکده مهندسی برق - دانشگاه یزد- یزد- ایران toodeji@yazdacir چکیده : مزرعه خورشیدي مبتنی بر سلولهاي فتوولتاییک PV) ( براي تحویل انرژي DC تولیدي خود به شبکه AC نیاز به اینورتر دارد در میان انواع اینورترهاي موجود اینورترهاي چندسطحی پل H به دلیل ویژگیهایی نظیر نیاز به منابع DC مستقل و نیز کوچکتر بودن فیلتر خروجی به دلیل هارمونیکهاي تولیدي کمتر مناسب براي کاربرد در مزرعه خورشیدي میباشند در مقاله حاضر روش کنترل غیرخطی مستقیم براي این دسته از اینورترها با فیلتر خروجی C براي کاربرد در مزرعه خورشیدي اراي ه میشود در روش کنترل پیشنهادي میتوان ولتاژ پایانههاي DC اینورتر چندسطحی را به صورت مستقل از یکدیگر کنترل نمود با استفاده از این قابلیت هم میتوان با تقسیم مزرعه خورشیدي به نواحی مجزا و کنترل مستقل هر ناحیه که به یکی از پایانههاي DC اینورتر چندسطحی متصل شده حداکثر توان از مزرعه خورشیدي را به دست آورد و هم میتوان مبدلهاي DC-DC که به منظور تنظیم نقطه کار آرایههاي خورشیدي در نقطه کار بهینه استفاده میشوند را حذف نمود در کنترلکننده پیشنهادي امکان کنترل توان راکتیو تبادل شده با شبکه نیز وجود دارد در این مقاله کارایی سیستم پیشنهادي توسط نتایج شبیهسازي یک سیستم نمونه در نرمافزار MATAB نشان داده میشود کلمات کلیدي: استخراج حداکثر توان تاریخ ارسال مقاله روش کنترل غیرخطی مستقیم اینورتر چند سطحی پل H مزرعه خورشیدي فتوولتاییک فیلتر C 394/7 /5 تاریخ پذیرش مشروط مقاله: 394 9/ / 3 تاریخ پذیرش مقاله: 394//7 نام نویسندهي مسي ول: دکتر حمیدرضا تودجی نشانی نویسندهي مسي ول: ایران یزد صفاییه بلوار دانشگاه دانشگاه یزد دانشکدهي مهندسی برق 65 مجله انجمن مهندسی برق و الکترونیک ایران- سال پانزدهم- شماره اول- بهار 397

2 Downloaded from jiaeeecom at 6: on Tuesday October 3rd 8 - مقدمه Journal of ranian Association of Electrical and Electronics Engineers - Vol5- No Spring 8 در سالهاي اخیر تمایل زیادي در سطح جهانی براي کاهش تولید گازهاي گلخانهاي کاهش آلودگی هوا و کاهش وابستگی به سوختهاي فسیلی مشاهده میشود واحدهاي تولید پراکنده ( DG) ] راهحل مناسبی براي دستیابی به این اهداف بوده و از این رو منجر به گسترش کاربرد واحدهاي تولید پراکنده در سیستم قدرت شده است ] انرژي خورشیدي یکی از منابع مهم انرژي براي واحدهاي تولید پراکنده بوده و میتوان این انرژي را به کمک روشهاي مختلفی از جمله استفاده از سلولهاي فتوولتاییک به انرژي الکتریکی تبدیل نمود هر سلول فتوولتاییک توان اندکی را در ولتاژي پایین تولید میکند و از این رو براي دستیابی به سطح قابل قبولی از توان و ولتاژ تعداد زیادي از این سلولها را به صورت سري و موازي به یکدیگر متصل کرده و آرایههاي خورشیدي را میسازند براي استحصال حداکثر توان از سلول خورشیدي استفاده از یک سیستم کنترل دقیق بر روي ولتاژ و یا جریان پایانههاي سلول ضرورت دارد به این منظور الگوریتمهاي مختلفی براي دنبال کردن نقطه کار متناظر با توان حداکثر MPPT) ( 3 پیشنهاد شده است 4] اگر 3] توان حداکثر از سلول فتوولتاییک استحصال نشود تا ثیر منفی بر بازده کل سیستم خورشیدي میگذارد [5] لازم به ذکر است که در اغلب کارهاي قبلی مبدلهاي DC-DC جزیی جداییناپذیر براي استخراج حداکثر توان بوده است [3 7] 6 براي اتصال خروجی DC آرایههاي خورشیدي به شبکه AC استفاده از مبدلهاي الکترونیک قدرت ضرورت دارد تحقیقات جدید نشان داده است که اتصال چند واحد تولید پراکنده نظیر آرایههاي خورشیدي به وروديهاي DC اینورتر چند سطحی به نتایج بهتري در مقایسه با اینورترهاي معمولی منجر میشود [8] در کنار سایر مزایاي اینورترهاي چند سطحی امکان حذف مبدل DC-DC با استفاده از یک کنترلکننده مناسب مزیتی مهم به شمار میآید تمام انواع اینورترها کم و بیش هارمونیکهاي ناخواستهاي ایجاد کرده و بنابراین انواع مختلفی از فیلترهاي غیرفعال براي تضعیف این هارمونیکها استفاده میشود سلف سادهترین ساختار براي یک فیلتر است که به دلیل مشکلاتی از قبیل کاهش ولتاژ سمت DC اینورتر کاهش کارایی دینامیکی مبدل افزایش هزینه و اندازه مدار مع م ولا براي مبدلهاي توان متوسط و توان بالا استفاده نمیشود [9] فیلتر C راهحلی جذاب براي غلبه بر مشکلات ذکر شده است که با بهبود وضعیت هارمونیکی امکان کار مبدل در فرکانس کلیدزنی پایینتر را فراهم میکند [] براي کنترل اینورترهاي چندسطحی روشهاي کنترل مختلفی اراي ه شده است که آنها را میتوان در دو دسته روشهاي کنترل خطی [] و غیرخطی [] طبقهبندي نمود مقایسه بین این دو دسته روش در [3 4] نشان داده است که روشهاي کنترل غیرخطی به دلیل ماهیت غیرخطی عناصر کلیدزنی مورد استفاده در مبدلها موثرتر هستند ورودي - تک خروجی به عنوان روش کنترل غیرخطی کنترلکننده تک SSO) ( 4 در [] مورد توجه قرار گرفته است در این کنترلکننده جریان محور q در مختصات dq به عنوان متغیر خروجی در نظر گرفته شده و اختلاف زاویه بین ولتاژ خروجی اینورتر چند سطحی و ولتاژ نقطه اتصال اینورتر به شبکه ورودي را ایفا میکنند کنترلکننده چند ورودي PCC) ( 5 نقش متغیر چند خروجی MMO) ( 6 در [5] به کمک شاخص مدولاسیون و زاویه δ به ترتیب ولتاژ سمت DC و جریان محور q که نماینده توان راکتیو است را کنترل مینماید از طرف دیگر کنترلکنندههاي غیرخطی روش موثري براي کنترل واحدهاي تولید پراکندهاي هستند که به اینورترهاي چندسطحی متصل میشوند [5 6] مقاله حاضر سیستم کنترل غیرخطی مستقیم بر مبناي خطیسازي فیدبک [7] را براي اینورتر چندسطحی پل H با فیلتر خروجی C که آرایههاي خورشیدي را به شبکه متصل میکند اجرا میکند نشان داده میشود که ساختار پیشنهادي به همراه روش کنترلی توسعه داده شده به نتایج مطلوبتري منتهی میشود پاسخ سریع و دقیق به تغییرات ناگهانی در شرایط محیطی مزرعه خورشیدي از مزایاي دیگر سیستم پیشنهادي است کنترلکننده پیشنهادي همچنین قادر است ولتاژ سمت DC هر طبقه از اینورتر چندسطحی را مستقل از طبقات دیگر و با توجه به نقطه کار بهینه آرایه خورشیدي متصل به آن طبقه تنظیم نماید از مزایاي دیگر سیستم پیشنهادي امکان کنترل توان راکتیو تبادل شده با شبکه میباشد در مقاله حاضر ابتدا اجزاي اصلی سیستم پیشنهادي معرفی شده و مدل فضاي حالت آن به دست آورده میشود در قسمت بعد روش کنترل غیرخطی مستقیم براي اینورتر چندسطحی در سیستم پیشنهادي توسعه داده شده و در نهایت مزایاي سیستم پیشنهادي به همراه کنترلکننده غیرخطی آن به کمک شبیهسازي شبکه نمونه در نرمافزار MATAB نشان داده میشود - اجزاي سیستم پیشنهادي -- سلول فتوولتاییک مدل تک دیودي یک سلول فتوولتاییک در شکل () نشان داده شده است این مدل از یک دیود یک منبع جریان و مقاومت سري تشکیل شده است که مقاومت سري مدل کننده مقاومت داخلی سلول و مقاومت اتصال اهمی میباشد رابطه () قابل محاسبه است: جریان خالص خروجی سلول توسط e ( V + R ) (exp s = ) ph mktc () در این رابطه m ضریب ایدهآل سازي ثابت بولتزمان ph T c مقدار منبع جریان k دماي مطلق سلول e بار الکترون V ولتاژ ترمینال 66 مجله انجمن مهندسی برق و الکترونیک ایران- سال پانزدهم- شماره اول- بهار 397

3 Downloaded from jiaeeecom at 6: on Tuesday October 3rd 8 مجله انجمن مهندسی برق و الکترونیک ایران- سال پانزدهم- شماره اول- بهار 397 Journal of ranian Association of Electrical and Electronics Engineers Vol5 No Spring8 --3 فیلتر C سلول و جریان اشباع تاریکی میباشد [8] شکل (): مدل مداري یک سلول فتوولتاییک براي ساختن یک ماژول تعداد زیادي سلول به صورت سري و موازي به یکدیگر متصل میشوند که در این حالت میتوان از رابطه () براي توصیف ارتباط غیرخطی ولتاژ و جریان ترمینال ماژول استفاده نمود M M M M V V OC + RS exp () Vt M M = SC M کارایی سیستم فتوولتاییک به سه عامل سطح تابش خورشید پروفیل بار و دماي محیط وابسته است [3] تغییرات نقطه کار بهینه یک ماژول فتوولتاییک عمدتا تابعی از سطح تابش و دما است به گونهاي که افزایش دما باعث کاهش توان ماکزیمم تولیدي و ولتاژ متناظر با نقطه توان بهینه شده و مقدار جریان اتصال کوتاه ماژول را به صورت قابل ملاحظهاي کاهش میدهد در مقابل افزایش سطح تابش توان ماکزیمم تولیدي را افزایش داده و منجر به کاهش ولتاژ متناظر با نقطه توان بهینه میشود در عمل هر دو عامل دما و سطح تابش در معرض تغییر بوده و از این رو داي ما باید نقطه کار ماژول را در مقدار بهینه جدید تنظیم نمود با وجودي که روشهاي پیچیده متعددي براي دنبال کردن نقطه کار بهینه در شرایط مختلف پیشنهاد شده است ولی چون مقاله حاضر بر ساختار و کنترل اینورتر چندسطحی تمرکز دارد بنابراین نقطه کار بهینه با توجه به مشخصات سلول و با استفاده از روش ساده مشتقگیري به دست آورده میشود [3] -- اینورتر چند سطحی پل H اینورترهاي چندسطحی ساختارهاي متنوعی از قبیل پل H خازن شناور و دیود کلمپ دارند [9] که ساختار پل H به دلیل مزایاي نسبی مورد توجه بیشتري قرار گرفته است [] براي کلیدزنی مبدلهاي چندسطحی نیز روشهاي مختلفی از قبیل مدولاسیون سینوسی عرض پالس SPWM) ) 7 کلیدزنی در فرکانس پایه مدولاسیون بردار فضایی و پیشنهاد شده است [9 ] در مقاله حاضر از یک اینورتر 7 سطحی از نوع پل H با الگوریتم کلیدزنی مدولاسیون سینوسی عرض پالس استفاده میشود معمولا براي حذف هارمونیکهاي تولیدي اینورتر از فیلترهاي غیرفعال در خروجی اینورتر استفاده میشود در میان ساختارهاي مختلف پیشنهادي براي فیلتر ساختار C به دلیل حذف هارمونیکهاي بیشتر امکان دستیابی به کیفیت توان استاندارد را در فرکانسهاي کلیدزنی پایینتر فراهم میکند [] ساختار نمونه یک فیلتر C که از سه عدد سلف در سمت مبدل سه عدد سلف در سمت شبکه Grid و یک مجموعه خازنی با اتصال ستاره بین این دو مجموعه سلف تشکیل میشود در شکل () نشان داده شده است روشن است که در نظر گرفتن مقاومت داخلی سلفها نتایج واقعیتري را به دست میدهد R Grid Grid C f R شکل (): ساختار نمونه یک فیلتر C سه فاز روشهاي مختلفی از جمله روش سعی و خطا براي طراحی فیلتر C پیشنهاد شده است [9] ولی روش جامعتري که در [3] معرفی شده سعی میکند مقادیر پارامترهاي فیلتر را به گونهاي محاسبه کند که انرژي ذخیره شده در عناصر فیلتر را حداقل سازد در مقاله حاضر فیلتر C معرفی شده در [3] و با مقادیر بیان شده در جدول () مورد استفاده قرار میگیرد لازم به ذکر است که چون از مدل فاقد هارمونیک براي اینورتر چندسطحی که به عنوان مدل متوسط شناخته میشود [4 5] استفاده شده است نمیتوان تا ثیر مقادیر مختلف عناصر فیلتر را بر روي هارمونیکها ارزیابی نمود 3- مدلسازي سیستم پیشنهادي 67 همانگونه که در شکل (3) نشان داده شده است اینورتر چندسطحی از سه اینورتر منبع ولتاژ پل H در هر فاز تشکیل شده که هرکدام از این اینورترهاي منبع ولتاژ توسط شاخص مدولاسیون m و زاویه فاز δ کنترل میشوند خروجی اینورتر چندسطحی از طریق فیلتر C به شبکه AC متصل شده و سلف نشتی ترانسفورمر خروجی میتواند نقش سلف سمت شبکه فیلتر را ایفا کند مقاومت R Grid میتواند علاوه بر مقاومت داخلی سلف مقاومت ترانسفورمر را نیز مدل کرده و مقاومت R نیز میتواند همزمان مدل کننده مقاومت سلف و تلفات اینورتر باشد امپدانس تونن در محل اتصال به شبکه نیز میتواند در امپدانس سمت شبکه فیلتر C ترکیب شود لازم به ذکر است که V a, V b, V c ولتاژ فاز شبکه و E a, E b, E c مولفه اصلی ولتاژ فاز خروجی اینورتر میباشند در این ساختار

4 Downloaded from jiaeeecom at 6: on Tuesday October 3rd 8 Va Vb Vc PCC igrid,a igrid,b igrid,c PV Array PV Array PV Array 3 RGrid RGrid RGrid Vdc C Vdc C Vdc3 C3 i,c i,b i,a R R R Ea Eb Ec PV Array PV Array PV Array 3 Vdc C Vdc C Vdc3 C3 PV Array PV Array PV Array 3 Vdc C Vdc C Vdc3 C3 آرایههاي فتوولتاییکی که به سطوح یکسانی در هر فاز وصل شدهاند را "سطر" مینامیم مثلا آرایههایی که با شماره در شکل مشخص شدهاند سطر شماره نامگذاري میشود و بنابراین در شکل شماره (3) سه سطر وجود دارد در اینجا فرض شده است که آرایههاي هر سطر داراي وضعیت تابشی و دمایی مشابهی بوده و هر سطر میتواند وضعیت متفاوتی نسبت به دوسطر دیگر داشته باشد با کنترل شاخص مدولاسیون هر طبقه (3 m), m, m و زاویه فاز خروجی میتوان ولتاژ DC هر طبقه dc,i) V) را در مقدار دلخواه تنظیم نمود در نتیجه بدون نیاز به مبدل DC-DC میتوان ولتاژ آرایه فتوولتاییک متصل به هر طبقه را در مقدار بهینه تنظیم نمود در مقاله حاضر از روش کنترل غیرخطی استفاده میشود و بنابراین نیاز است ابتدا مدل فضاي حالت سیستم به دست آورده شود به این منظور فرض میشود که تلفات اینورتر در مقاومت R مدل شده و بنابراین اینورتر فاقد تلفات بوده و توان اکتیو سمت AC و DC آن با هم برابر هستند با نوشتن KV و KC در مدار شکل (3) معادلات (3) حاصل شده و با انتقال این معادلات از دستگاه مختصات abc به دستگاه dq و مرتبکردن آنها در قالب ماتریسی معادلات حالت (4) به دست میآید شکل (3): ساختار اینورتر چندسطحی پل H براي اتصال آرایههاي فتوولتاییک به شبکه digrid, a va + + RGrid igrid, a + vc, f a = digrid, b vb + + RGrid igrid, b + vc, f b = digrid, c vc + + RGrid igrid, c + vc, f c = di dv, a vc,,, f a + + R i a + Ea = igrid, a i, a = di dv, b, v, b + + R i, b + Eb =, igrid, b i, b = di dv, c, c vc,,, f c + + R i c + Ec = igrid, c i, c = RGrid ω Grid V RGrid ω Grid, d Grid Grid, d Grid, q R ω Grid, q d, d = Ed Ed E d3, d +, q R ω, q V 3, d Eq Eq Eq V, d V C, f q V C, ω f q ω, a b (3) (4) Journal of ranian Association of Electrical and Electronics Engineers - Vol5- No Spring 8 68 مجله انجمن مهندسی برق و الکترونیک ایران- سال پانزدهم- شماره اول- بهار 397

5 Downloaded from jiaeeecom at 6: on Tuesday October 3rd 8 Journal of ranian Association of Electrical and Electronics Engineers Vol5 No Spring8 در معادلات حالت (4) ω فرکانس زاویهاي به ترتیب و مجله انجمن مهندسی برق و الکترونیک ایران- سال پانزدهم- شماره اول- بهار 397 q d E qi E di مولفههاي محور d و q ولتاژ خروجی هر سطر از اینورتر به و ترتیب مولفههاي محور d و q جریان و V دامنه ولتاژ فاز در محل d اتصال به شبکه است V a بنابراین = همفاز با محور در نظر گرفته شده و و Vبه d = V S دست میآید متوسطگیري روشی موثر براي تحلیل و نیز طراحی کنترلکننده براي مبدلهاي با الگوریتم کلیدزنی PWM میباشد [4 5] و اثر هارمونیکها را نیز که در اینجا مورد مطالعه ما نیستند حذف میکند متوسطگیري از مقادیر V q AC به معادله (5) منتهی میشود: E cos i = Edi + Eqi Edi = mi Vdci δ E Eqi mi Vdci sin i mv = δ = i dci, i =,,3 (5) ولتاژ خازن سمت DC اینورترهاي سطر i ام در این رابطه V dci میباشد رابطه (6) بیانگر تعادل توان اکتیو در طرفین هر طبقه از اینورتر بوده و pv,i جریان تزریقی توسط آرایه فتوولتاییک میباشد [6] لازم به ذکر است که در سمت DC اینورتر از مدل واقعی آرایه فتوولتاییک استفاده شده است dv dc 3 3 C V dc+ pv V dc = ( E d, d + E q, q ) dv dc 3 3 C V dc + pv V dc = ( E d, d + E q, q ) dv dc C3 V dc 3+ pv 3V dc 3 = ( E3 d, d + E3 q, q ) با جایگزینی رابطه (5) در (6) روابط (7) به دست میآیند که m i (6) شامل متغیرهاي کنترلی و δ میباشند در نهایت با جایگذاري روابط (7) در روابط (4) مدل فضاي حالت سیستم به صورت معادلات (8) به دست میآید همانگونه که در شکل (3) نشان داده شده است منابع DC و خازنهایشان در هر فاز باید از فازهاي دیگر ایزوله شوند چون در غیر اینصورت در برخی حالتهاي کلیدزنی مشکل اتصال کوتاه رخ میدهد در ادامه در مورد طراحی کنترلکننده غیرخطی براي مدل پیوسته فضاي حالت سیستم بحث میشود dv m cosδ m sinδ = + + C C C dc pv, d, q dv m cosδ m sinδ = + + C C C dc pv, d, q dv m cosδ m sinδ = + + C C C dc pv 3, d, q (7) 4- کنترلکننده غیرخطی مستقیم سیستمی که توسط معادلات حالت (8) توصیف میشود داراي ماهیت غیرخطی بوده و در نتیجه براي دستیابی به بهترین از باید پاسخ کنترلکننده غیرخطی استفاده نمود در اینجا از قانون کنترل غیرخطی مبتنی بر خطیسازي از طریق فیدبک استفاده میشود [] هدف اصلی کنترلکننده غیرخطی پیشنهادي تنظیم مستقل ولتاژ خازنهاي DC بوده و به عنوان اولین گام باید معادلات حالت (8) را به n x = f ( x ) + [ gi ( x ) ui ] i = yi = hi ( x ) نشاندهنده i امین ورودي کنترلی از میان n x شکل استاندارد (9) بازنویسی نمود: i در این رابطه u i y i (9) ورودي کنترل بیانگر امین خروجی کنترل و میباشد سیستم داراي چهار ورودي کنترل بوده ) بردار حالت یک δ و سه تا m) i و بنابراین باید چهار متغیر از میان 9 درایه بردار حالت انتخاب شود چون کنترل ولتاژ DC هدف اصلی است بنابراین ولتاژ سه خازن dci) V) به عنوان وروديهاي کنترلی انتخاب میشوند کنترل توان راکتیو مبدل نیز هدف دیگري است که منجر به انتخاب,q ورودي کنترلی چهارم میشود به عنوان RGrid ω Grid RGrid ω V Grid R mcosδ mcosδ m3 cosδ Grid, d ω Grid, d Grid, q R msinδ msinδ m3 sinδ Grid, q, d ω, d, q d V, q, d = ω V C, f d + V, q V, q pv V ω dc V dc C V dc mcosδ msinδ V dc pv V dc 3 C C dc 3 V C mcosδ msinδ pv 3 C C C 3 m3cosδ m3sinδ C3 C3 (8) 69

6 Downloaded from jiaeeecom at 6: on Tuesday October 3rd 8 R x6 v+ ωx3+ x4 u = x7 x 8 3 pv x pv3 pv pv pv x4 u = xu x3 3 u = u 3 pv 3 pv u = u 3 4 pv3 4 pv (3) براي رعایت شکل استاندارد معادلات بردار ورودي کنترل به صورت رابطه () بازنویسی میشود: u cot( δ ) u msin( δ ) U = () u = 3 m sin( δ ) u4 m3 sin( δ ) بردار متغیرهاي خروجی کنترل توسط رابطه () نشان داده h ( x) x4, q h ( x) x V Y = = = 7 dc h3 ( x) x8 Vdc h4 ( x) x9 Vdc3 شده است : با استفاده از روابط () () معادلات فضاي حالت به () صورت روابط () نوشته میشود روابط (3) بردار ورودي U را که با تعریف متغیرهاي ورودي جدید v i از روابط () و با استفاده از قانون خطیسازي فیدبک محاسبه میشود نشان میدهد [7 6] لازم به ذکر است که مدل واقعی آرایه فتوولتاییک در اینجا استفاده شده و جریان اندازهگیريشده آن به صورت یک منبع جریان موازي با خازن DC مدل میشود با این کار میتوان از وارد شدن ارتباط غیرخطی ولتاژ و جریان آرایه فتوولتاییک که توسط روابط () و () توصیف میشود به معادلات حالت سیستم و پیچیدهتر شدن معادلات جلوگیري کرد در بلوك دیاگرام کنترلکننده پیشنهادي که در شکل (4) نشان داده شده است مقدار واقعی ولتاژهاي DC و جریان محور q با مقادیر مرجعشان مقایسه میشوند خطاهاي حاصل از تعدادي از مقایسه کنترلکننده تناسبی که براي بهبود رفتار دینامیکی استفاده شدهاند عبور داده میشوند خروجی این کنترلکنندهها به همراه فیدبکهاي سیستم به کنترلکننده غیرخطی توصیف شده توسط روابط (9) تا (3) داده میشود در نهایت شاخصهاي مدولاسیون و زاویه فاز مورد نیاز براي اینورترهاي چندسطحی حاصل میشود شکل (4): کنترلکننده غیرخطی مستقیم پیشنهادي R V + + R ωx x x5 x R x x3 + ωx 4 + x5 x R x 7 x 8 x 9 Grid x ωx x5 Grid Grid Grid 7 8 u u 3 ωx 3 x 4 + x 6 x x 7 x8 4 x x 3 + ωx x = 6 5 C C + u + x x x 4 6 ωx 5 C C x 3 x 4 u + pv C C x 3 x 4 u + C C C C C pv pv 3 3 x x x 9 u x 9 u + u x 3 x 4 u + C3 C () Journal of ranian Association of Electrical and Electronics Engineers - Vol5- No Spring 8 7 مجله انجمن مهندسی برق و الکترونیک ایران- سال پانزدهم- شماره اول- بهار 397

7 Downloaded from jiaeeecom at 6: on Tuesday October 3rd 8 مجله انجمن مهندسی برق و الکترونیک ایران- سال پانزدهم- شماره اول- بهار 397 Journal of ranian Association of Electrical and Electronics Engineers Vol5 No Spring8 با جایگذاري روابط (3) در () معادله (4) حاصل می گردد که ارتباط بردار V را با پارامترهاي کنترلی بیان میکند این بردار میتواند به عنوان بردار خطاي کنترلی فرض شود که توسط کنترلکننده غیرخطی مستقیم به صورت مجانبی به صفر میل داده میشود x 4, q v v x V = = 7 dc v 3 x 8 Vdc v4 x9 V dc3 (4) 5- نتایج شبیهسازي سیستم مورد مطالعه در مقاله حاضر که در شکل (3) نشان داده شده و توسط نرمافزار MATAB شبیهسازي میشود از 9 آرایه فتوولتاییک که به سمت DC اینورتر 7 سطحی سه فاز پل H متصل شدهاند تشکیل شده است در مورد انتخاب تعداد سطوح اینورتر چندسطحی باید دقت نمود که افزایش تعداد سطوح با وجود مزایایی که به دنبال دارد ولی منجر به افزایش تعداد کلیدها میشود یکی از مزایاي سیستم پیشنهادي ایفاي نقش مبدل DC-DC توسط اینورتر چندسطحی میباشد هر طبقه از اینورتر ولتاژ ترمینال DC خود را به گونهاي تنظیم میکند که ولتاژ آرایه فتوولتاییک برابر با N se V MPP شود که N se تعداد سلولهاي سري در آرایه و V MPP ولتاژ بهینه میباشد مقدار پارامترهاي سیستم و پارامترهاي آرایه فتوولتاییک مورد استفاده که از مدل [7] SPR--BK میباشد در جدول () آورده شده است هر آرایه وات توان در شرایط استاندارد وات بر مترمربع و 5 درجه سانتیگراد تولید کرده و براي ساختن واحد واتی عدد آرایه در کنار یکدیگر قرارداده میشود جدول (): مقدار پارامترهاي سیستم مورد مطالعه شبکه ولتاژ ولت 5 هرتز آرایه فتوولتاییک اینورتر چندسطحی کنترلکننده غیرخطی تعداد ماژولهاي موازي تعداد ماژولهاي سري ولتاژ مدار باز ماژول 47/8 ولت جریان اتصال کوتاه ماژول توان نامی ماژول تغییر در سطح تابش و نیز دماي محیط میتواند توان در دسترس آرایه فتوولتاییک را تغییر دهد براي جلوگیري از تعداد زیاد شکلهاي تکراري تغییرات سطح تابش در دماي ثابت 5 درجه سانتیگراد در نظر گرفته میشود اگر سیستم پیشنهادي بتواند در شرایط تابش متغیر رفتار قابل قبولی نشان دهد آنگاه به ازاي تغییرات دما نیز رفتار رضایتبخشی خواهد داشت آرایههاي فتوولتاییک مربوط به هر سطر در معرض تغییرات تابش مشابهی قرار دارند چون هر آرایه فتوولتاییک مربوط به بخشی از مزرعه خورشیدي میباشد بنابراین فرض تغییرات متفاوت تابش براي هر سطر به دلیل عواملی نظیر اثر سایه قابل پذیرش خواهد بود insolation profile, W/m PV array PV array شکل (5): تغییرات سطح تابش براي آرایههاي فتوولتاییک و هرچند که تغییرات شدید و ناگهانی نشانداده شده در شکل (5) غیرمحتمل است ولی میتواند توانایی کنترلکننده پیشنهادي را در بدترین شرایط به نمایش بگذارد براي کاهش تعداد شکلها تغییرات آرایههاي فتوولتاییک شماره و 3 یکسان فرض شده است شکلهاي شماره (6) و (7) توان در دسترس مورد انتظار (Expected) و توان استحصال شده (Harvested) از آرایههاي فتوولتاییک شماره و 3 را در شرایط تابش شکل (5) نشان میدهد power of PV array, kw 6 8 Harvested Expected شکل (6): توان مورد انتظار و توان استحصال شده از آرایه فتوولتاییک شماره 5/4 آمپر وات 5 mf C = C = C3 5 λ = λ = λ 3 = λ4 /5 امپدانس سمت شبکه mh 5/5 mω /3 امپدانس سمت اینورتر mh / mω 88 μf مقدار خازن فیلتر C

8 Downloaded from jiaeeecom at 6: on Tuesday October 3rd 8 Journal of ranian Association of Electrical and Electronics Engineers - Vol5- No Spring 8 از این شکلها دیده میشود که کنترلکننده نقطه کار متناظر با حداکثر توان را با دقت خوبی دنبال کرده است اگر در این شرایط فقط نقطه کار بهینه یکی از آرایهها به عنوان مرجع کنترلکننده در نظر گرفته شده بود از بقیه آرایهها در نقطه کار غیر بهینهاي بهرهبرداري شده و در نتیجه توان کل استحصال شده از مزرعه خورشیدي کاهش مییافت وجود چندین ترمینال در اینورتر چندسطحی پیشنهادي و کنترل مستقل هر ترمینال امکان تقسیم مزرعه خورشیدي به نواحی جداگانه و در نتیجه استحصال توان بالاتر را فراهم میآورد power of PV array, kw Harvested Expected شکل (7): توان مورد انتظار و توان استحصال شده از آرایه فتوولتاییک شماره و 3 ولتاژ مرجع (Reference) آرایههاي فتوولتاییک براي دستیابی به توان حداکثر به همراه ولتاژهاي واقعی (Actual) که از شبیهسازي به دست آمده در شکلهاي (8) و (9) نشان داده شده است دیده میشود که کنترلکننده پیشنهادي به سرعت و بدون هیچگونه بالازدگی توانسته است ولتاژ آرایههاي فتوولتاییک را در مقدار ولتاژ بهینه تنظیم کند بنابراین نیازي به استفاده از مبدل DC-DC براي دنبال کردن نقطه کار بهینه وجود ندارد روشن است که با تنظیم ولتاژ ترمینال هر آرایه فتوولتاییک در مقدار بهینه توان حداکثر حاصل میشود voltage of PV array, V Actual Reference شکل (8): ولتاژ ترمینال بهینه و ولتاژ واقعی آرایه فتوولتاییک براي نشان دادن برتري کنترلکننده پیشنهادي کنترلکننده غیرخطی غیرمستقیم معرفی شده در [8] در سیستم مورد مطالعه استفاده میشود این کنترلکننده فقط دو متغیر کنترلی دارد که یکی به کنترل توان راکتیو از طریق کنترل جریان محور q و دیگري به تنظیم ولتاژ DC اختصاص داده میشود چون سه ولتاژ DC بهینه مستقل و تنها یک متغیر کنترلی براي تنظیم این سه ولتاژ DC وجود دارد بنابراین از میانگین ولتاژهاي بهینه DC به عنوان مرجع ولتاژ کنترلکننده غیرخطی غیرمستقیم استفاده میگردد در اینجا فرض شده است که تغییرات سطح تابش براي آرایههاي فتوولتاییک همانند شکل (5) باشد voltage of PV array, V Actual Reference شکل (9): ولتاژ ترمینال بهینه و ولتاژ واقعی آرایه فتوولتاییک و 3 ولتاژ بهینه آرایه فتوولتاییک شماره به همراه ولتاژ واقعی در شکل () نشان داده شده است متوسط ولتاژ تفاوت قابل ملاحظهاي با ولتاژ بهینه این آرایه داشته و در نتیجه توان حداکثر از این آرایه استحصال نمیشود این موضوع در مورد آرایههاي فتوولتاییک شماره voltage of PV array, V و 3 نیز صادق میباشد Actual Reference شکل (): ولتاژ ترمینال بهینه و ولتاژ واقعی آرایه فتوولتاییک اشکال دیگر کنترلکننده غیرخطی غیرمستقیم پاسخ نوسانی میراشونده آن است که بعد از هر تغییر ناگهانی در مقدار مرجع ولتاژ 7 مجله انجمن مهندسی برق و الکترونیک ایران- سال پانزدهم- شماره اول- بهار 397

9 Downloaded from jiaeeecom at 6: on Tuesday October 3rd 8 Journal of ranian Association of Electrical and Electronics Engineers Vol5 No Spring8 مشاهده میشود دلیل این نوع پاسخ وجود کنترلکننده انتگرال تناسبی (P) در ساختار کنترلکننده غیرخطی غیرمستقیم است که حذف آن در کنترلکننده پیشنهادي منجر به پاسخ سریع دقیق و زیر میراي نشان داده شده در شکلهاي (8) و (9) شده است مقدار مرجع توان راکتیو به همراه توان راکتیو واقعی تبادل شده با شبکه در شکل () نشان داده شده است این شکل نشان میدهد که کنترلکننده پیشنهادي قابلیت کنترل توان راکتیو را حتی با وجود تغییرات شدید و ناگهانی دارد البته باید به این نکته اشاره کرد که واحد انتگرال تناسبی در مسیر کنترل جریان محور q در کنترلکننده غیر خطی غیرمستقیم نیز وجود ندارد به همین دلیل هر دو کنترلکننده مستقیم و غیرمستقیم پاسخ توان راکتیو مشابهی را دارند مجله انجمن مهندسی برق و الکترونیک ایران- سال پانزدهم- شماره اول- بهار 397 reactive power, kvar Actual Reference شکل (): توان راکتیو تبادل شده با شبکه 6- نتیجهگیري در این مقاله ساختاري جدید براي اتصال مزرعه خورشیدي به شبکه پیشنهاد گردید در این ساختار میتوان مزرعه خورشیدي را به چند ناحیه تقسیمبندي نموده و با اتصال هر ناحیه به یک طبقه از اینورتر چندسطحی پل H و کنترل مستقل آن ناحیه توان بیشتري را از مزرعه خورشیدي استحصال نمود در خروجی اینورتر چندسطحی از یک فیلتر C استفاده شده است که امکان کار در فرکانس کلیدزنی پایینتر را براي مبدل فراهم کرده هارمونیکهاي بیشتري را تضعیف نموده و پاسخ دینامیکی بهتري را به نمایش میگذارد براي دستیابی به پاسخ سریع و دقیق در ساختار پیشنهادي یک کنترلکننده غیرخطی مستقیم توسعه داده شد در ساختار پیشنهادي نیازي به استفاده از مبدل DC-DC غالبا که براي استحصال توان حداکثر استفاده میشود نیست علاوه بر این نتایج شبیهسازي نشان داد که با استفاده از کنترلکننده غیرخطی اراي ه شده هر بخش از مزرعه خورشیدي میتواند تغییرات نقطه کار بهینه را سریع و با کمترین خطا دنبال کند برتري روش کنترل توسعه داده شده بر روش کنترل غیرخطی غیرمستقیم نیز به کمک شبیهسازي نشان داده شد همچنین قابلیت سیستم پیشنهادي در کنترل دقیق و سریع توان راکتیو تبادل شده با شبکه توسط نتایج شبیهسازي تا یید گردید مراجع [] Jadid, S, Homaee, O, Zakariazadeh, A, "Voltage Control Approach in Smart Distribution Network with Renewable Distributed generation", Journal of ranian Association of Electrical and Electronics Engineers, vol, no, pp -, 3 [] Alizadeh Shabestary, SM, Saeedmanesh, M, Rahimi- Kian, A, Jalalabadi, E, "Real-Time Frequency and Voltage Control of an slanded Mode Microgrid", Journal of ranian Association of Electrical and Electronics Engineers, vol, no 3, pp 9-4, 6 [3] Subudhi, B, Pradhan, R, "A Comparative Study on Maximum Power Point Tracking Techniques for Photovoltaic Power Systems", EEE Transactions on Sustainable Energy, vol 4, no, pp 89-98, 3 [4] Tousi, SMR, Moradi, MH, Saadat Basir, N, Nemati, M, "A Function Based Maximum Power Point Tracking Method for Photovoltaic Systems", EEE Transactions on Power Electronics, vol 3, no 3, pp -8, 6 [5] Agbossou, K, Kolhe, M, Hamelin, J, Bose, TK, "Performance of Standalone Renewable Energy System Based on Energy Storage as Hydrogen", EEE Transactions on Energy Conversion, vol 9, no 3, pp , 4 [6] Carrasco, JM, Franquelo, G, Bialasiewicz, JT, et al, "Power Electronic Systems For The Grid ntegration of Renewable Energy Sources: A Survey", EEE Transactions on ndustrial Electronics, vol 53, no 4, pp -6, 6 [7] Xiao, W, Ozog, N, Dunford, WG, "Topology Study of Photovoltaic nterface for Maximum Power Point Tracking", EEE Transactions on ndustrial Electronics, vol 54, no 3, pp , 7 [8] Villanueva, E, Correa, P, Rodrigues, J, Pacas, M, "Control of A Single-Phase Cascaded H-Bridge Multilevel nverter for Grid-Connected Photovoltaic Systems", EEE Transactions on ndustrial Electronics, vol 56, no, pp , 9 [9] iserre, M, Blaabjerg, F, Hansen, S, "Design and Control of an C Filter-Based Three-Phase Active Rectifier", EEE Transactions on of ndustrial Application, vol 4, no 5, pp 8 9, 5 [] "EEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems", EEE Std 59-4 (Revision of EEE Std 59-99), pp -9, 4 [] Du, S, iu, J, in, J, He, Y, "A Novel DC Voltage Control Method for STATCOM Based on Hybrid Multilevel H-Bridge Converter", EEE Transactions on Power Electronics, vol 8, no, pp -, 3 [] Soto, D, Pena, R, "Nonlinear Control Strategies for Cascaded Multilevel STATCOMs", EEE Transactions on Power Delivery, vol 9, no 4, pp 99-97, 4 [3] Yazdani, A, Crow, M, Guo, J, "A Comparison of inear and Nonlinear STATCOM Control For Power Quality Enhancement", EEE Power and Energy Society General Meeting Conference, Pittsburgh, PA, USA, pp 6, -4 July 8 [4] Josh, K, Behalf, A, Jain, AK, Mohan, N, "A Comparative Study of Control Strategies for Fast Voltage Regulation With STATCOMs", 3th Annual Conference 73

10 Downloaded from jiaeeecom at 6: on Tuesday October 3rd 8 Photovoltaic Distributed Generation 3 Maximum Power Point Tracking 4 Single nput Single Output 5 Point of Common Coupling 6 Multiple nput Multiple Output 7 Sinusoidal Pulse Wih Modulation زیرنویسها of EEE ndustrial Electronics Society, Busan, South Korea, pp 87-9, -6 Nov 4 [5] Yuan, A, Song, Q, iu, W, Yu, Q, "Nonlinear Controller For Cascaded H-Bridge nverter-based STATCOM", EEE/PES Transmission & Distribution Conference & Exposition: Asia and Pacific, Dalian, China, pp -5, 8 Aug 5 [6] Farokhnia, N, Fathi, SH, Toodeji, H, "Direct Nonlinear Control for ndividual DC Voltage Balancing in Cascaded Multilevel DSTATCOM", nternational Conference on Electric Power and Energy Conversion Systems, Sharjah, UAE, pp -8, - Nov 9 [7] Sastry, S, Nonlinear Systems: Analysis, Stability, and Control, Springer Science & Business Media, 3 [8] Kirubakaran, A, Jain, S, Nema, RK, "A Review on Fuel Cell Technologies And Power Electronic nterface", Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol 3, no 9, pp 43-44, 9 [9] Khumfoi, S, Tolbert, M, "Multilevel Power Converters", in Rashid, MH, Power Electronics Handbook: Devices, Circuits And Applications, 3rd ed, Butterworth-Heinemann Press, Elsevier Publishing,, pp [] Malinowksi, M, Gopakumar, K, Rodrigues, J, Peresz, M, "A Survey on Cascaded Multilevel nverters", EEE Transactions on ndustrial Electronics, vol 57, no, pp 97 6, [] Rodrigues, J, Bernet, S, Wu, B, Pontt, JO, Kouro, S, "Multilevel Voltage Source Converter Topologies for ndustrial Medium Voltage Drives", EEE Transactions on ndustrial Electronics, vol 54, no 6, pp , 7 [] Dannehl, J, iserre, M, Fuchs, FW, "Filter-Based Active Damping of Voltage Source Converters With C Filters", EEE Transactions on ndustrial Electronics, vol 58, no 8, pp , [3] Jalili, K, Bernet, S, "Design of C Filters of Active- Front-End Two-evel Voltage Source Converters", EEE Transactions on ndustrial Electronics, vol 56, no 5, pp , 9 [4] Emadi, A, "Modeling of Power Electronic oads in AC Distribution Systems Using The Generalized State-Space Averaging Method", EEE Transactions on ndustrial Electronics, vol 5, no 5, pp 99-, 4 [5] Ghadimi, AA, Rastegar, H, Keyhani, A, "Development of Average Model for Control of a Full Bridge PWM DC- DC Converter", Journal of ranian Association of Electrical and Electronics Engineers, vol 4, no, pp 5-59, 7 [6] Matas, J, Garcia de Vicuna,, Miret, J, Guerrero JM, Castilla, M, "Feedback inearization of a Single-Phase Active Power Filter via Sliding Mode Control," EEE Transactions on Power Electronics, vol 3, no, pp 6-5, 8 [7]wwwrectifiercoza/Solar/sunpower/pdf/sp_blk_en_a4_ p_dspdf, Accessed: October 5 [8] Song, Q, iu, W, Yuan, Z, "Multilevel Optimal Modulation and Dynamic Control Strategies for STATCOMs Using Cascaded Multilevel nverters", EEE Transactions on Power Delivery, vol, no 3, pp , 7 Journal of ranian Association of Electrical and Electronics Engineers - Vol5- No Spring 8 مجله انجمن مهندسی برق و الکترونیک ایران- سال پانزدهم- شماره اول- بهار