11-F-REN-1840 كرمان ايران چكيده - مقدمه: ١ Maximum Power Point Tracking ٢ Incremental Conductance. 3 Model Predictive Control

Transcript

1 -F-REN-8 رديابي نقطه بيشينه توان( MPP ) در سيستمهاي فتوولتاي يك با استفاده از كنترلر پيش بين (MPC) جابر غضنفري مليحه مغفوري فرسنگي سعيد رضا صيد نژاد مسلم قاسمي دانشگاه شهيد باهنر كرمان دانشگاه شهيد باهنر كرمان دانشگاه شهيد باهنر كرمان دانشگاه شهيد باهنر كرمان كرمان ايران كرمان ايران كرمان ايران كرمان ايران واژههاي كليدي: سيستمهاي فتوولتاي يك رديابي نقطه بيشينه توان (MPP) كنترل پيش بين (MPC).Solar cell چكيده با توجه به هزينه بالاي سيستمهاي فتوولتاي يك بهره گيري از حداكثر راندمان اين منابع قدرت يك ضرورت اساسي و غير قابل انكار بشمار مي آيد. سلولهاي خورشيدي به ندرت در نقطه ماكزيمم توان كار مي كنند زيرا توان خروجي سلول به شدت تحت تاثير دو عامل تابش و دماي محيط تغيير مي كند. بنابراين در افزايش راندمان اين سيستمها رديابي نقطه حداكثر توان (MPP) نقش مهم و كليدي را ايفا مي كند. روشهاي رديابي نقطه ماكزيمم توان معرفي شده تا به اكنون از نقطه نظر دقت و سرعت رديابي تحت الشعاع بوده اند و در عمل نتوانسته اند هر دو عامل ذكر شده را بهبود بخشند. از آنجمله مي توان به روشهاي كسري از جريان اتصال كوتاه و ولتاژ مدار باز بالا رونده قله آشفتن و مشاهده رسانايي افزايشي روش سلول پايلوت منطق فازي شبكه هاي عصبي و اشاره كرد. در اين ميان روش رسانايي افزايشي (INC) از سرعت و دقت نسبتا خوبي برخوردار بوده اما به خوبي نمي تواند بين دو عامل ذكر شده مصالحه ايجاد كند. در اين مقاله علاوه بر بهبود بخشيدن الگوريتم رسانايي افزايشي جهت رديابي و استخراج جريان نظير نقطه توان ماكزيمم به معرفي يك روش جديد مبتني بر كنترل پيش بين (MPC) پرداخته. لازم به ذكر است كه روش اراي ه شده به صورت Real-ime بوده و نتايج حاصل از شبيه سازي دقت و سرعت اين روش را تصديق خواهد كرد. - مقدمه: علاوه بر هزينه بالا غير خطي بودن مشخصه خروجي آرايه هاي فتوولتاي يك وابستگي آنها به شدت تابش و دماي محيط باعث شده اند كه استفاده از اين سيستمها بدون به كارگيري روشهاي كنترلي مناسب و مبدلهاي الكترونيك قدرت مقرون به صرفه نباشند. جهت استفاده از حداكثر توان آرايه هاي خورشيدي سيستم بايستي درنقطه ماكزيمم توان به تعادل برسد. با استناد Model Predictive Control ١ Maximum Power Point racking ٢ Incremental Conductance

2 ) رديابي نقطه بيشينه توان( MPP ) در سيستمهاي فتوولتاي يك با استفاده از كنترلر پيش بين (MPC) به اين مطلب كه منحني مشخصه سلول فتوولتاي يك به ميزان تشعشع دريافتي از خورشيد و دماي سلول بستگي دارد نقطه ماكزيمم توان آرايه نيز دستخوش تغييرات خواهد بود و همچنين نقطه كاركرد بيشتر بارها در تمامي سطوح تشعشع و دما از نقطه ماكزيمم توان آرايه در هنگام كار دور مي باشد لذا همين امر مانع استفاده از حداكثر توان خروجي آرايه مي شود. پيرو اين موضوع رسيدن به يك تطابق بهينه توان در تمامي تشعشع ها و دماها كار دشواري است مگر اينكه در طراحي از يك دستگاه تطابق دهنده بهينه توان استفاده شود. براي بهبود بخشيدن به كاركرد اين سيستمها طراحان از كنورترهاي DC- DC استفاده مي كنند. اين وسيله به طور پيوسته مي تواند ورودي بار را با ماكزيمم توان توليدي پانل تطبيق دهد با تطبيق دادن بار و پانل هاي خورشيدي بوسيله كنترلرهاي دنبال كننده توان ماكزيمم (MPP) مي توان كارايي سيستم را تحت تاثير قرار داده و سبب افزايش راندمان سيستم شد. سيستمهاي فتوولتاي يك معمولا با يك مبدل DC-DC [] باتري و اينورتر به شبكه برق متصل مي شوند.شكل () در ولتاژ آرايه خورشيدي برنامه ريزي شده است. PV Array I PV DC-DC Boost converter D Battery Array DC-AC Inverter V PV C V O Network Control System S MPP i* Predictive control شكل( ): اجزائ سيستم فتوولتاي يك و نحوه اتصال آن به شبكه توزيع روشهاي متعددي براي ردگيري نقطه توان ماكزيمم پيشنهاد شده اند از آن جمله مي توان به روشهاي زير اشاره كرد. كسري از جريان اتصال كوتاه و ولتاژ مدار باز اين روش به دليل اندازه گيري جريان اتصال كوتاه و ولتاژ مدار باز نياز به جدا نمودن آرايه از سيستم دارد لذا مقداري از توان به هدر مي رود(سكومن و همكاران 98 ) بالا رونده قله (HIC) [] اين روش بر اساس تغيير در دوره كار كانورتر توان كار مي كند. آشفتن و مشاهده (P&O) [] اين روش بر اساس تغيير در دو روش P&O و HIC نوسانهاي حالت پايا به دليل آشفتن هاي متناوب همواره وجود دارد. INC) رسانايي افزايشي [,5 ]مبناي كاركرد اين روش تغييرات صفر توان آرايه برحسب ولتاژ در نقطه ماكزيمم توان است. در اين روش دقت و سرعت رديابي نقطه ماكزيمم توان تحت تغييرات سريع محيطي نسبتا بهتر شده است. هر چند اين روش از پيچيدگي اجراء بيشتري نسبت به روش P&O برخوردار است ولي با پروسسورهاي ديجيتالي پيشرفته به راحتي قابل پياده سازي است. شبكه هاي عصبي [6,7] منطق فازي [ 7,8 ] Hill Climbing Perturbation & Observation

3 روشهاي عصبي و منطق فازي بر مشخصات غير خطي آرايه خورشيدي تكيه كرده اند و جايگاه نسبتا خوبي را جهت رديابي نقطه ماكزيمم بدست آورده اند. در اين مقاله روش اراي ه شده بر مبناي كنترل پيش بين (MPC) [9-] پايه ريزي شده و نتايج حاصل از شبيه سازي آن در Matlab نشان دهنده سرعت و دقت اين روش است. - مشخصه جريان-ولتاژ آرايه هاي فتوولتاي يك شكل( ) نشان دهنده مدار معادل دو دايودي يك سلول خورشيدي است. [] آرايه هاي خورشيدي از تركيب سري و موازي اين سلولها تشكيل مي شوند R s I PV I ph I s I s R p V PV شكل( ): مدار معادل دو دايودي يك سلول خورشيدي در مدل اراي ه شده شكل( ) I, I جريان اشباع ديودها s s I Ph جريان اتصال كوتاه و s p R, R مقاومت موازي و سري سلول مي باشند. معادله مشخصه I-V سلول خورشيدي اراي ه شده به صورت زير قابل بيان است. V Rs I I Iph Is{exp( ) } nv V RsI V RsI Is{exp( ) } ( ) nv R t t t p () در اين رابطه q V K / ولتاژ حرارتي كه در دماي * - درجه كلوين برابر 6mv است و در آن.8=k ثابت بولتزمن بر حسب ژول بر كلوين و يك الكترون بر حسب كولن مي باشد. ديودها هستند كه مقداري بين تا دارند. همانطور كه گفته شد مشخصه I-V سلول خورشيدي تحت تاثير دو عامل تابش و دما تغيير مي كند اين وابستگي به دما و تابش با روابط زير مدل شده اند. [] S I ( S) I ( ) ph ph Sref I ( ) I { ( )} ph c ph Ip c m c Rs c Rp Rs( c) Rs( ), Rp( c) Rp( ) I ( ) I ( ) exp{ E ( ) / nv} c Ci c si c si G i t i Isi i,,. () و C n i () در معادلات( ) S ميزان تابش خورشيد بر حسب وات بر متر مربع دماي سلول بر حسب كلوين 5C S W / m شرايط استاندارد كاري سلول ref C خورشيدي هستند و است..ev باند انرژي كه بزرگتر از E G,,,, ضرايب بدون بعد حرارتي Ip Is Is Rs Rp مربوط به جريانها و مقاومتهاي سلول هستند كه براي هر سلول اين مقادير مشخص و ثابت اند. معمولا اطلاعاتي را كه توليد كنندگان آرايه هاي خورشيدي در اختيار مصرف كنندگان قرار مي دهند عبارتند از: جريان اتصال كوتاه I scn, نامي ) ( ولتاژ و جريان در نقطه ماكزيمم توان ( V oc, n ) V ( I, ولتاژ مدار باز نامي ) MPP MPP خروجي تجربي max و ماكزيمم توان ) P (. كه اين اطلاعات در شرايط استاندارد اخذ مي شوند. براي افزايش جريان و ولتاژ خروجي آرايه هاي خورشيدي و به تبع آن دريافت توان بيشتر سلولها را به ترتيب به صورت موازي و سري به يكديگر متصل مي كنند. در اين مقاله از تركيب 5 سلول خورشيدي به صورت موازي استفاده شده است كه مشخصات آرايه ايجاد شده در جدول( ) اراي ه شده است. * -6 q=.6 بار,n ضرايب ايده آلي n

4 S= W/m جدول( ): مشخصات آرايه فتوولتاي يك استفاده شده جهت شبيه سازي I(A) Pm=66.7W, Vm=8.8V Pm=6.68W, Vm=7.85V Pm=6.5W, Vm=7.V C 5C 7C V(v) جريان اتصال كوتاه آرايه ولتاژ مدار باز آرايه جريان نظير نقطه ماكزيمم توان ولتاژ نظير نقطه ماكزيمم توان ماكزيمم توان ضريب(توان) حرارتي جريان اشباع ٣ A V A V w -- ( Isi ) (شبيه سازيها در متلب و از سلول خورشيدي موجود در اين محيط استفاده شده است). - رديابي نقطه ماكزيمم توان (MPP) با روش رسانايي افزايشي بهبود يافته (INC) همانطور كه مي دانيم منحني جريان- ولتاژ آرايه ها و به تبع آن نقطه بيشنه توان به شدت تابش و دما وابستگي زيادي دارد. بنابر اين وظيفه كنترلر در رديابي نقطه ماكزيمم توان انتقال نقطه كار آرايه به سمت زانوي منحني جريان-ولتاژ يا همان نقطه ماكزيمم منحني توان بر حسب ولتاژ است. شكل( ) در سيستم هاي فتوولتاي يك خروجي اين كنترلر به يك مبدل DC-DC (بوست) جهت تنظيم سطح ولتاژ اعمال مي شود. از آنجايي كه گرفتن سيگنال پسخور از شدت تابش و دماي آرايه كار ساده اي نيست بنابراين بايد از روشهايي استفاده شود كه بدون گرفتن پسخور از دما و تابش كنترلر بتواند همواره خروجي مناسب جهت رديابي نقطه بيشينه توان را براي مبدل فراهم كند. I(A) W/m 75 W/m 5 W/m Pm=65.86W, Vm=8.7V Pm=8.95W, Vm=8.V Pm=.W, Vm=8.V =5C 8 6 V(v) * * * شكل( ): نمودار جريان و توان آرايه خورشيدي برحسب ولتاژ در تابش هاي متفاوت شكل( ): مشخصه جريان-ولتاژ آرايه خورشيدي در دماهاي متفاوت از روشهاي گفته شده در اين مقاله روش رسانايي افزايشي به دليل داشتن سرعت مناسب در تغييرات سريع جوي مورد استفاده قرار گرفته است. اين روش (INC) بر اساس نسبت تغييرات ولتاژ به جريان پايه ريزي شده با توجه به اين كه تغييرات توان نسبت به ولتاژ در نقطه ماكزيمم توان صفر است ) ( dp / dv بنابر اين مي توان نوشت: dp / dv d( iv)/ dv i v di / dv () زماني كه رابطه v / i dv / di برقرار گردد نسبت تغييرات توان بر حسب تغييرات ولتاژ صفر خواهد شد و نقطه بيشينه توان بدست خواهد آمد. شكل( 5 ) روند الگوريتم رسانايي بهبود يافته را نشان مي دهد. كه در فلوچارت شكل( 5 ) K زمان نمونه برداري در لحظه t و -k زمان نمونه برداري در t لحظه قبل است. *i جريان مرجع ورودي كنترلر پيش بين( MPC ) است كه اين جريان از تغيير در جريان لحظه اي ((k) i) حاصل مي شود نه از تغيير در جريان مرجع لحظه قبل(( i*(k- ) اين تغيير به سيستم اين توانايي را مي دهد كه با استپ هاي بزرگتر ) inc i) نقطه بيشينه توان( MPP ) را با سرعت بيشتري رديابي كند.

5 di vpv vo dt dvpv i i dt C C dvo i vo dt C RC PV در حالت سوي يچ باز: (=S) () (5) (6) و در حالت سوي يچ بسته: (=S) di v PV dt dvpv i i dt C C dvo vo dt RC PV (7) (8) (9) 5 شكل( 5 ): فلوچارت الگوريتم رسانايي افزايشي بهبود يافته - مبدل DC-DC بوست طراحي و پياده سازي كنترلر پيش بين( MPC ) ساختار مبدل بوست نشان داده شده در شكل( ) به دو حالت سوي يچ باز و بسته مطابق شكل (6) نشان داده شده است. شكل (a.6 b.6) به ترتيب مدار معادل مبدل بوست در حالت سوي يچ باز (=s) و سوي يچ بسته (=s) را نشان مي دهند. معادلات مدار معادل اين دو حالت به صورت روابط 9- آورده شده است. شكل( 6 ): مدار معادل مبدل بوست در دو حالت بسته =s b )سوي يچ سوي يچ باز =s گسسته سازي معادلات زمان پيوسته روابط -9 با زمان نمونه برداري به صورت روابط زير قابل بيان است. s i( k) i( k) vpv( k) vo () vpv ( k) i ( k) vpv ( k) ipv ( k) () C C vo( k) i( k) ( ) vo( k) C RC () i( k) i( k) vpv( k) () vpv ( k) i ( k) vpv ( k) ipv ( k) () C C vo( k) ( ) vo( k) RC (5) معادلات زمان گسسته مبدل بوست را مي توان به صورت ماتريسي زير خلاصه كرد. s i( k) i( k) vpv ( k ). vpv ( k) C vo( k ) vo( k) s ( ) C RC ipv ( k) C (6) (a

6 v ( ) ( ) ( ) ( ) (8) PV kn i kn vpv kn ipv kn C C vo( kn) s i( kn) ( ) vo( kn) (9) C RC طبق معادله( 6 ) در زمان نمونه برداري بعدي (+k) متغير هاي كنترلي ) o i) v, pv v, مي توانند پيش بيني شوند. تابع هزينه تعريف شده J رابطه (7) براي دو حالت سوي يچ باز و بسته تعيين مي كند كه در گام بعدي سوي يچ باز باشد يا بسته. J w. v ( k) v* w. i ( k) i* s, A O s B s (7) فلوچارت مربوط به الگوريتم MPC در شكل( 7 ) اين روند را توضيح مي دهد. اگر افق كنترل را انتخاب كنيم در اين صورت تابع هزينه به فرم زير اصلاح مي شود.. ( ) *. ( ) * s, A O s B s s, J w v k v w i k i J () در رابطه بالا J s, تابع هزينه مربوط به يك گام جلوتر و جريان و ولتاژ رابطه( ) مربوط به دو گام جلوتر (+k) است. شكل( 8 ) حالتي را نشان مي دهد كه افق كنترل انتخاب شود. شكل( 8 ): ترتيب زماني بين كنترلرهاي MPC) و ( MPP 6 شكل( 7 ): فلوچارت الگوريتم كنترل پيش بين جهت كنترل سوي يچ مبدل تابع هزينه J تابعي از جريان و ولتاژ مرجع بدست آمده از الگوريتم INC و متغيرهاي كنترلي بدست آمده از االگوريتم MPC است. W B W, A ضرايب جريمه مربوط به خطاي ولتاژ و جريانند كه به ترتيب داراي بعد [V/], [A/] هستند. در روش MPC مي توان افق كنترل را به n افزايش داد. در اين صورت معادلات زمان گسسته (-5) به شكل روابط (9- خروجي آرايه هاي خورشيدي با توجه به شرايط آب و هوايي تغيير مي كند بر اين اساس از جمله مشخصاتي كه بر بازدهي پنلها تاثير مستقيم مي گذارد ميزان تابش دريافتي آرايه از خورشيد در طول روز است.شكل( 9 ) تغييرات تابش خورشيد در طول يك روز بهاري از طلوع تا غروب خورشيد را نشان مي دهد. شكل( 9 ): تغييرات شدت تابش در طول يك روز بهاري 7) باز نويسي مي شوند. i( kn) i( kn) vpv( kn) s vo( kn) (7)

7 نتايج حاصل از شبيه سازي در محيط متلب همانطور كه در شكل( 9 ) مشاهده شد ميزان تغييرات لحظه اي تابش خورشيد زياد است بنابر اين كنترلر طراحي شده جهت رديابي نقطه ماكزيمم توان بايد نسبت به تغييرات سريع تابش از سرعت و دقت بالايي برخوردار باشد. در تصديق سرعت و دقت روش اراي ه شده نسبت به تغييرات شدت تابش ) (w/m تابع پالسي كه تغييرات ناگهاني تابش را از 7 به و از به 9 نشان ميدهد به سيستم فتوولتاي يك اعمال مي كنيم. شكل () شكل( ): رديابي ماكزيمم توان دريافتي بار تحت تغييرات تابش 5 V(v) Irradiance(w/m ) شكل( ): تغييرات ناگهاني شدت تابش در محيط شبيه سازي جهت بررسي روش كنترل پيش بين شكل( ): تغييردر ولتاژ بار جهت دريافت توان ماكزيمم تحت تغييرات سريع تابش I(A) شكلهاي (-) نتايج شبيه سازي شده تغيرات توان ولتاژ و جريان جهت دريافت ماكزيمم توان از آرايه را در صورت اعمال تابع شدت تابش شكل( ) به سيستم نشان مي دهند شكل( ): رديابي ماكزيمم توان آرايه تحت تغييرات سريع تابش شكل( ): تغيير در جريان آرايه جهت انتقال توان ماكزيمم تحت تغييرات سريع تابش همچنين در اكثر موارد عواملي همچون دما در اندازه مقاومت بار تاثير گذارند. تغيير در مقاومت بار باعث جابجايي نقطه كار سيستم و به تبع آن سبب كاهش توان دريافتي بار از آرايه خورشيدي مي شود. كنترل طراحي شده بايد توانايي رديابي نقطه ماكزيمم توان را در اثر تغييرات بار داشته باشد. با اتصال بار متغير با زمان شكل( 5 ) به سيستم فتوولتاي يك توانايي كنترلر پيش بين (MPC) را در رديابي محك مي زنيم. 7

8 5 V(v) R(ohm) شكل( 5 ): تغيير بار متصل به آرايه فتوولتاي يك جهت بررسي عملكرد سيستم شكل( 6 ): رديابي ماكزيمم توان آرايه تحت تغييرات بار متصل به سيستم شكل( 9 ): تغيير در ولتاژ بار جهت دريافت توان ماكزيمم تحت تغييرات بار متصل به سيستم شكلهاي (6-9) نتايج شبيه سازي شده تغيرات توان ولتاژ و جريان جه ت دريافت م اكزيمم توان از آرايه فتوولتاي يك در صورت تغيير در مقدار مقاومت بار متصل به سيستم از 5Ω به Ω و سپس به 5Ω را نشان مي دهند. پارامترهاي شبيه سازي مبدل بوست و كنترلر پيش بين در متلب كه منجر به نتايج بالا شد در جدول () اراي ه شده اند. جدول( ): اندازه پارامترهاي شبيه سازي مبدل بوست و كنترلر پيشبين μf C 5.5. μf mh μs A V C W A W B i inc v inc I(A) شكل( 7 ): تغيير در جريان آرايه جهت انتقال توان ماكزيمم تحت تغييرات بار متصل به سيستم شكل( 8 ): رديابي ماكزيمم توان دريافتي بار تحت تغييرات بار شكل( ): شماتيك شبيه سازي شده سيستم فتوولتاي يك و كنترلر پيشبن در محيط متلب 8

9 Electron ;5(): arbes C, Aït Cheikh S, Obeidi, Zerguerras A. Genetic algorithms optimized fuzzy logic control for the maximum power point tracking in photovoltaic system. Renewable Energy 9;:9e. 9. Panagiotis E.Kakosimos, Antinios G. Kladas., Implementation of photovoltaic array MPP through fixed step predictive control technicque, Renewable Energy 6, 58-5, 7 March.. Khalid M, Savkin A. A model predictive control approach to the problem of wind power smoothing with controlled battery storage. Renewable Energy ;5:5e6.. eng -P, Nieh H-M, Chen J-J, u Y-C. Research and development of maximum power transfer tracking system for solar cell unit by matching impedance. Renewable Energy ;5:85e5.. Gow, J.A. and C.D. Manning., Development of a Photovoltaic Array Model for Use in Power- Electronics Simulation Studies, IEE Proceedings of Electric Power Applications, Vol. 6, No., pp. 9, March نتيجه گيري از آرايه هاي خورشيدي به عنوان منابع جريان جهت اتصال به شبكه توزيع استفاده مي شود. ضروري است كه در استفاده از اين سيستمها از حداكثر راندمان آرايه بهره گيري شود. در اين مقاله سيستم كنترل پيش بين (MPC) جهت رديابي نقطه ماكزيمم توان آرايه (MPP) استتفاده شده كه نتايج حاصل از شبيه سازي در نرم افزار متلب سرعت و دقت بالاي اين روش را در رديابي نقطه ماكزيمم توان به ازاي تغييرات سريع جوي و همچنين تغيير در اندازه بار متصل به سيستم تصديق مي كند.بر اساس نتايج حاصل از شبيه سازي اراي ه شده با اعمال اين تغييرات سيستم با زمان نشست اندكي به پايداري مي رسد. مراجع. Enrique JM, Duran E, Cardona MS, Andujar JM. heoretical assessment of the maximum power point tracking efficiency of photovoltaic facilities with different converter topologies. Sol Energy 7;8: 8.. Al-Atrash H, Batarseh I, Rustom K, Statistical modeling of DSP-based Hill-climbing MPP algorithms in noisy environments, In: Proc. of Applied Power Electronics Conference and Exposition, IEEE, vol., Austin, exas, USA; 5.p. 77e7.. X. iu,.a.c. opes, An improved perturbation and observation maximum power point tracking algorithm for PV arrays, in: Power Electronics Specialists Conference, PESC,, IEEE 5th Annual vol.,, pp. 5.. Houssamo I, ocment F, Sechilariu M. Maximum power tracking for photo-voltaic power system: development and experimental comparison of two algorithms. Renewable Energy ;5:8e7. 5. Masoum M, Dehbonei H, Fuchs E. heoretical and experimental analyses of photovoltaic systems with voltage and current-based maximum power-point tracking. IEEE ransactions On Energy Conversion ;7:5e. 6. Hiyama, Kouzuma S, Imakubo, Ortmeyer H. Evaluation of neural network based real time maximum power tracking controller for PV system. IEEE rans Energy Convers 995;(): Veerachary M, Senjyu, Uezato K. Neuralnetwork-based maximum-power-point tracking of coupled-inductor interleaved boost-converter-supplied PV system using fuzzy controller. IEEE rans Ind