سیستم های فوتوولتایی

چکیده

در این مقاله، سیستم هایی مورد بررسی قرار گرفته اند که حاوی سیستم انرژی هیبریدی فوتوولتایی- بادی به همراه باتری های پشتیبان می باشند. عملکرد سیستم هیبریدی پیشنهاد شده، با استفاده از بارهای DC مختلف، مورد بررسی قرار گرفته است. باتری به یک بایاس DC وصل شد. این کار از طریق یک کنورتور DC-DC دوجهته انجام شده است تا بدین صورت، بار باتری، شارژ و دشارژ شدن باتری و ولتاژ اتصال باتری، حفظ شود. این سیستم هیبریدی شامل بخش های فوتوولتایی خورشیدی (3.6kW)، توربین های بادی (20kW) و بانک باتری (12V, 24Ah) می باشد. این باتری به عنوان یک منبع پشتیبان تلقی می شوند. سیستم هیبریدی با استفاده از بارهای باقیمانده ی مختلف، شبیه سازی شده است. مفهوم هیبریدیزاسیون با استفاده از نرم افزار PSIM ورژن 9.3.4 مورد بررسی قرار گرفته است.

مقدمه

انرژی الکتریکی نقش مهمی در توسعه ی پایدار جوامع و اقتصاد آنها، ایفا می کند. استفاده گسترده از سوخت های فسیلی موجب شده است تا جهان به سمت استفاده از انرژی های سبز و تمیز، حرکت کنند. یک چنین منابع انرژی تجدیدپذیری در طی چند دهه ی گذشته، مورد بررسی قرار گرفته اند. منابع انرژی تجدید پذیر، بازیگران اصلی در مکان هایی هستند که شبکه ی توزیع برق یافت نمی شود، منابع تولید برق توزیعی وجود ندارد و یا نمی توان از میکروشبکه ها در آن مناطق، استفاده کرد. سیستم های مستقل برای مهیا نمودن برق در این مناطق، مناسب می باشند. در میان این منابع جایگزین، سلول های فوتوولتایی و برق بادی بهترین جایگزین ها در میان منابع تجدیدپذیر می باشند. هزینه های نصب بالا، ضریب تبدیل پایین تر از جمله محدودیت های این سیستم ها، تلقی می شود اما پیشرفت های ایجاد شده در زمینه ی مبدل های برق الکتریکی، موجب شده است تا مشکل بهره ی تبدیل، از بین رود. یکی از مثال های این مورد، استفاده از روش های ردیابی نقطه ای توان ماکزیمم در کاربردهای فوتوولتایی و بادی می باشد مثلا استفاده از مبدل های دو جهته ی ، تقویتی و buck می باشد.
چند نوع از روش های ردیابی نقطه ی توان ماکزیمم در کاربردهای بادی و فوولتایی، استفاده می شوند. برخی از این روش ها، برای تغییر ناگهانی در سرعت باد و افت شدید نور خورشید، مناسب می باشند. مهم ترین روش پیشنهاد شده در این کار، ترکیب کردن (هیبریدیزاسیون) دو منبع ذکر شده می باشد. نتایج مربوط به تغییر سرعت باد و کاهش میزان اشعه های خورشیدی، در این شبکه ها، مورد بررسی قرار گرفته است. محققین الگوریتم MPPT با مزیت ها و محدودیت های قابل مقایسه، پیشنهاد کرده اند. مهم ترین هدف این الگوریتم ها، بررسی دقیق تر و سریع تر کارایی و کاهش در نواسانات ایجاد شده در نقاط توان ماکزیمم می باشد. روش مستقل (Standalone approach) مربوط به توربین بادی در برخی مقالات مورد بررسی قرار گرفته است. محققین این منبع، ژنراتورهای سرعت متغیر با قابلیت ایجاد توان ماکزیمم را برای سنجش ژنراتورهای سنگترونی مغناطیس دائم و ژنراتورهای القایی با تغذیه ی دوگانه مورد مقایسه قرار دادند. آنها از یک سنجش توان گسترده ی باتری استفاده کرده اند که منبع توان مناطق دوردست (RAPS) نامیده می شود. آنها همچنین یک روش الگوریتم کوئوردیناسیون برای سیستم های هیبریدی متشکل از توان بادی و باتری، پیشنهاد کردند. این محققین همچنین دو منبع را به همراه بانک باتری ترکیب کردند تا بدین صورت، توان پیوسته ای را برای این سیستم، ایجاد کنند. برخی محققین همچنین یک مفهوم مشابه را با تبدیل های مختلف و ترکیبی از انواع و ظرفیت های بار مختلف، ارائه کرده اند. محققین دیگری از یک روش هیبریدیزاسیون با توان بادی 3.5kW و توان فوتوولتایی 3.1kW به همراه باتری، پیشنهاد کردند. آنها همچنین از یک روش بار کمپرس برای حفظ ولتاژ اتصال DC در سطحی مطلوب، استفاده کردند. آنها یک روش کنترل توان کمپرس بدون استفاده از بار کمپرسی استفاده کردند که در آن از فلوچارت جریان برای کنترل توان کمپرس، استفاده شده است. در PMSG بر پایه ی توربین بادی به همراه MPPT و شبکه ی PWM دوگانه ای مورد بحث قرار گرفته است که در آن، از استراتژی کنترل، استفاده شده است. یک سیستم توان فوتوولتایی- بادی هیبریدی برای کاربردهای مقیاس کوچک، نیز در یک مقاله مورد بررسی قرار گرفته است. بار روشنایی در حدود 2.6 کیلووات به طور منظم به داخل این سیستم تزریق شد و این بارها، مورد بررسی قرار گرفت. بررسی های مهمی بر روی بخش های فوتوولتایی- بادی هیبریدی، در مقاله ای دیگر، مورد بررسی قرار گرفته است. آنها همچنین از یک نرم افزار در روش های هیبریدیزاسیون استفاده کردند. این نویسندگان سیستم های خورشیدی مستقل مختلفی را برای برق رسانی به بخش های روستایی و حالت بدون شبکه را برای انواع بار مختلف، ظرفیت های مختلف و خروجی های مختلف، مورد بررسی قرار دادند.
در این مطالعه، تنها بارهای DC در نظر گرفته شده اند. مقادیر مربوط به بارهای AC به صورت مقاومت معادل DC بیان شده اند. یک سیستم از توان DC الکتریکی خالص که حاوی توان بادی 14kW می باشد با یک بخش 3.6kW ترکیب شده است و شرایط استاندارد بررسی (STC) برای آنها، در نظر گرفته شده است. باتری ها (6 nos., 12V, 24Ah) به صورت سری به هم متصل شدند تا بدین صورت، بانک باتری، ایجاد شود. نقطه ی توان ماکزیمم این اطمینان را ایجاد می کند که منابع تجدید پذیر مانند توان بادی و فوتوولتایی، بتوانند توان مناسب، فراهم آورند. بنابراین، این سیستم می تواند توان ماکزیممی را در تمام شرایط ایجاد کند.

توصیف سیستم و دیاگرام سیستم

شکل 1 نشاندهنده ی ساختار سیستم هیبریدی می باشد. این بخش شامل یک ژنراتور بادی 20 کیلووات به همراه یک ژنراتور سنگترونی مغناطیس دائمی است. خروجی ژنراتور از طریق یک رکتیفایر کنترل نشده، به برق DC تبدیل می شود و سپس به داخل یک مبدل بوستی کنترل کننده ی DC-DC تزریق می شود. این کار از طریق الگوریتم MPPT ارائه شده در یکی از مقالات، انجام می شود. مزیت اصلی مربوط به PMSG، در مرجعی دیگر، مورد بررسی و تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. ژنراتورهای بادی بر پایه ی PMSG برای نیازمندی های برق متوسط و کوچک، طراحی شده اند. به هر حال، ژنراتورهای PMSG بادی تا ظرفیت 3MW موجود می باشند. مقادیر مربوط به القاگر و خازن در فرکانش سوئیچ برابر با 20kHz، محاسبه شده است. به طور مشابه در بخش فوتوولتایی، مدول به مبدل DC-DC وصل می شود. این کار از طریق الگوریتم MPPT انجام می شود. سپس هر دو منبع به هم متصل می شوند. نرخ مدول فوتوولتایی، برابر با 60W می باشد. سپس شبیه سازی ها با استفاده از روش MPPT انجام شد. کدهای مورد استفاده نیز در بلوک DLL مربوط به PSIM و با استفاده از نرم افزاز ماکروسافت، ویژوآل استودیو، انجام شده است. مبدل بوستی با محاسبه ی القاگری و ظرفیت، عمل می کند. پالس های سوئیچینگ برای وسایل الکترونیکی برقی، بعد از مقایسه ی میان جریان مرجع بدست آمده از الگوریتم و جریان واقعی اندازه گیری شده در سیستم، ایجاد شده است. یک مبدل دوجهتی ساده به باتری های لیتیومی متصل شده است. استراتژی کنترل مربوط به باتری، به عنوان کنترل جریان داخلی مورد استفاده قرار گرفته است. در این بخش، از روش کنترل ولتاژ خارجی، بهره برده شده است. حالت بار باتری، برابر با 0.85 در نظر گرفته شده است.
مدول فوتوولتایی مورد استفاده در شبیه سازی ها، بر اساس Solarex MSX-60 بدست آمده است. آرایه ی سلول های فوتوولتایی، با استفاده از ترکیب سری و موازی این مدول ها، انجام شده است. توربین بادی از نوع 20kW و ساخت hummer بوده است. محاسبه ی مبدل بوستی برای هر دو سیستم انجام شده است. به طور مشابه، محاسبه برای مبدل های دو جهتی انجام شده است.
ولتاژ اتصال DC می تواند بهبود یافته و با استفاده از بانک باتری (به عنوان منبع ذخیره سازی)، پایدار شود. بخش باتری به عنوان بخش پشتیبان، تلقی می شوند. همانگونه که قبلا گفته شد، باتری های لیتیمی 6 nos، در مطالعات شبیه سازی، استفاده شده است. باتری های یون لیتیمی دارای دانسیته ی انرژی بالاتری هستند و سلول های این باتری ها، جریان بالاتری فراهم می آورند. یک چنین تکنولوژی هایی، هنوز به تکامل نرسیده اند و برخی محدودیت ها، در زمینه ی محافظت از مداها یا المان ها، وجود دارد. یک روش کنترلی برای سیستم ذخیره سازی انرژی (باتری ها)، شامل دو کنترلر PI است که در شبیه سازی ها، به منظور کنترل باتری و تنظیم ولتاژ اتصال DC استفاده شده است. حلقه ی خارجی ولتاژ DC را کنترل می کند و موجب ایجاد جریان مرجع برای باتری موجود در حلقه ی داخلی، می شود. حالت بار (SOC) مربوط به بانک باتری، به طور پیوسته ارزیابی می شود تا بدین صورت، ایمنی سیستم، حفظ گردد. تقاضای عملی، موجب تنظیم SOC میان حدهای پیش فرض می شود. این حدود در این حالت برابر با 1 (برای حد بالا) و 0.4 (برای حد پایین) در نظر گرفته شده است.

شبیه سازی و نتایج مربوطه

شبیه سازی در دو بخش انجام شده است: 1. شبیه سازی منابع بادی و فوتوولتایی. 2) هیبریدیزاسیون منابع بادی و خورشیدی. نتایج بدست آمده در هنگام ثابت بودن سرعت باد و متغیر بودن این سرعت، بررسی شده است. ابتدا توربین بادی با استفاده از بار مکانیکی ثابت، مورد بررسی قرار گرفته است و گراف های مختلفی برای توان خروجی با استفاده از سرعت های باد مختلف، ترسیم شده است. سپس توربین بادی به صورت مستقیم به PMSG وصل شده است. این کار از طریق بلوک کوپلینک مکانیکی انجام شده است. بارهای اعمالی در جدول 1، آورده شده است. این بارها به همراه مقاومت DC معادل بیان شده است. در این حالت، یک مقاومت 11.55 اهمی، برای مطالعات شبیه سازی، در نظر گرفته شده است. برای شبیه سازی، دو مورد، در نظر گرفته شده است. شبیه سازی با استفاده از در نظر گرفتن حالت سرعت ثابت باد و با در نظر گرفتن تابش خورشیدی ثابت و یا سرعت باد و تابش متغیر، در نظر گرفته شده است. شکل 2 و 4 نشاندهنده ی نتایج شبیه سازی مربوط به هر دو مورد می باشد که با استفاده از تغییر شرایط اتمسفری، در نظر گرفته شده است. در هر دو مورد، توان تحویل داده شده به بخش، مشابه بوده است یعنی هیچ سوئیچ باری، رخ نداده است.
مورد I: با سرعت باد ثابت 11.5 متر بر ثانیه برای سیستم بادی و تابش و دمای ثابت در شرایط STC برای سلول های فوتوولتایی
این مورد با سرعت ثابت و تابش نور خورشید ثابت در شرایط STC انجام شده است. توان DC به اشتراک گذاشته میان سیستم تبدیل انرژی بادی برابر 15 kW و برای سیستم فوتوولتایی، برابر با 3 kW بوده است. مقاومت بار DC معادل در این حالت در جدول 1 آورده شده است.
مورد II: سرعت باد متغیر به همراه تابش متغیر و دمای متغیر برای سیستم فوتوولتایی در شرایط STC
این مورد با استفاده از سرعت متغیر در توربین بادی و میزان تابش متغیر در بخش فوتوولتایی، شبیه سازی شده است. داده های مربوطه در جدول 2 آورده شده است. توان DC که بوسیله ی سیستم بادی و فوتوولتایی، بدست می آید، به ترتیب، برابر 15kW و 3kW است. مقاومت بار DC معادل برای این حالت، ثابت در نظر گرفته شده است و برابر با 11.5 اهم، در نظر گرفته شده است.
شکل 2 و 3 نشاندهنده ی نتایج مربوط به مورد I ومی باشد. در شکل 2a، تقاضای مربوط به توان کل نشان داده شده است که بوسیله ی توان بادی و فوتوولتایی و توان ترکیبی، بدست می آید. در مورد شکل 2b، سیستم بادی و فوتوولتایی، با سطح ولتاژ یکسانی کار کردند و ولتاژ مربوط به بار، هنوز ثابت است. این مسئله با استفاده از تنظیم کنترلر PI انجام شده است. شکل 2c مربوط به بازده بررسی نقطه ی توان ماکزیمم است که بر اساس الگوریتم ردیابی و جریان بار بدست آمده از بار DC معادل، بدست می آید (جدول 1). شکل 2a نشاندهنده ی میزان تقاضای توان کل مربوط به سهم بادی (14kW) و توان خورشیدی (3.4 kW) می باشد. شکل 2b نشان دهنده ی ولتاژ مربوط به بار می باشد که قابت بوده است و معادل با مقدار 450V DC است. این مقدار به عنوان مقدار مرجع در استراتژی کنترل باتری، استفاده شده است. حلقه ی کنترل خارجی برابر با 450V DC. بوده است و این مقدار با ولتاژ اندازه گیری شده از انتهای باس DC، مقایسه شده است.
MPPT به سیستم تبدیل انرژی بادی اعمال شده است و این مسئله نشان داده شده است که بازده در حدود 99 % است، در حالی که این بازده برای سیستم فوتوولتایی، برابر با 96.68 % بوده است.
شکل 4 و 5 نشاندهنده ی نتایج مربوط به ترکیب کردن این دو سیستم، بعد از تنظیم سرعت باد و تابش خورشیدی، می باشد. این شبیه سازی ها برای 20 ثانیه اجرا شده است و نتایج مربوط به این مورد، در جدول II نشان داده شده است. در زمان t=3 ثانیه، سرعت باد از 11.5 متر بر ثانیه تغییر می کند و به سرعت 11 متر بر ثانیه می رسد، در این حالت، تابش خورشید نیز از 1000 به 800 وات بر متر مربع، کاهش می یابد. وقتی سرعت باد و همچنین میزان تابش، کاهش می یابد، توان به اشتراک گذاشته شده بین دو منبع، کاهش می یابد. باتری همانگونه که در شکل 5 نشان داده شده است، شروع به دشارژ شدن، می کند. زمان شبیه سازی کاهش یافته است تا بدین صورت، بر روی نتایج، اثر نامطلوب، ایجاد نشود. شکل 6 نشاندهنده ی اهمیت مبدل DC-DC می باشد.

نتیجه گیری

مفهوم هیبریدیزاسیون سلول های فوتوولتایی، باد و باتری، به طور موفقیت آمیز شبیه سازی گردید و این سیستم، توانست تقاضای بار موجود را پاسخ دهد. بازده مربوط به الگوریتم MPPT برای هیبریدیزاسیون بالا، نشان داده شد. ولتاژ اتصال DC حفظ شد و با استفاده از مبدل بوست DC-DC و مبدل دو جهتی DC-DC، تنظیم گردید. با توجه به شبیه سازی ها، این مشاهده می شود که بخش فوتوولتایی، می تواند 20 % و بخش بادی، در حدود 80 % از میزان بار را پاسخ بگویند (برای مورد I). این در حالی است که در مورد II، بخش بادی و فوتوولتایی، 15.5 kW از توان، یعنی 90.96 % از آن را ایجاد کرده و تنها 10 % از این توان، بوسیله ی بانک باتری، تأمین می شود. کارایی سیستم هیبریدی موجب می شود تا قابلیت اطمینان به سیستم و پیوستگی تأمین برق، را افزایش دهد. بنابراین، این سیستم می تواند به عنوان یک سیستم دوستدار محیط زیست و اقتصادی، باشد و هزینه های نگهداری آن نیز کم است. این سیستم در مکان هایی که شبکه ی توزیع برق، وجود ندارد، کارایی دارد.

منبع مقاله :
Hybrid Wind Photovoltaic Standalone System/ Mr. Siddharth Joshi