یک روش کنترلی جدید برای اتصال مبدل های فتوولتائیک به شبکه سراسری

Size: px

Start display at page:

Download "یک روش کنترلی جدید برای اتصال مبدل های فتوولتائیک به شبکه سراسری"

尻米
5 years ago
Views:

1 ٢ ٣ يک روش کنترلي جديد براي اتصال مبدلهاي فتوولتاي يک به شبکه سراسري ۱ ۲ ۲ ۱ و ۲ مهدی سليمی سيدمحمدتقی بطحايی عليرضا صالحی مسعود درويش اسکندری چكيده ١ جهاد دانشگاهی واحد خواجه نصير شاخه تحقيقات FACTS دانشگاه صنعتی خواجه نصيرالدين طوسي دانشکده برق در اين مقاله يك روش کنترلي جديد براي اتصال مبدلهاي فتوولتاي يک به شبکه سراسری اراي ه گرديده است, بطوريکه اين روش علاوه بر کنترل تزريق توان توليدي توسط ا رايههاي خورشيدي به شبکه قابليت جبرانسازي توان راکتيو و هارمونيکهاي جريان بار را نيز دارد. اين سيستم بصورت ٢CO موازي بين شبکه و بار متصل ميشود. اين روش کنترلي امکان ا ن را دارد که در صورت قطع شدن شبکه توان مصرفي بار (اعم از توان اکتيو و توان راکتيو ( تا مين شود. يکي از مهمترين قابليتهاي روش اراي ه شده اين است که اگر توان توليدی توسط ا رايههای خورشيدی کمتر از قدرت اينورترها باشد, میتوان از مابقی ظرفيت برای جبرانسازی توان راکتيو و نيز فيلتر نمودن هارمونيکهای جريان بار استفاده کرد تا جريان کشيده شده از شبکه کاملا سينوسي شده و ضريب توان مساوي يک گردد. در ادامه براي بررسي صحت عملکرد اين روش سيستمهای فتوولتاي يک متصل به شبکه براساس اين روش کنترلي شبيهسازي شدهاند. واژههاي کليدي: سيستمهاي فتوولتاي يک متصل به شبکه جبرانسازي توان راکتيو جبرانسازي هارمونيکهاي جريان تي وري توان راکتيو لحظهاي theory) (instantaneous reactive ower

2 و] ١ مقدمه ا رايههای فتوولتاي يک انرژي خورشيدي را به صورت مستقيم به انرژي الکتريکي تبديل ميکنند و در مقايسه با سيستمهاي سنتي توليد انرژي باعث ا لودگي محيط زيست نميگردند. به همين دليل سيستمهاي فتوولتاي يک را منابع توليد انرژي "سبز" يا "تميز" نيز مينامند. همزمان با افزايش مشکلات ناشي از ا لودگي محيط زيست و همچنين کاهش ذخاير انرژيهاي فسيلي استفاده از سيستمهاي فتوولتاي يک در سالهاي اخير به شدت افزايش يافته است [۱]. از نظر تاريخي سيستمهاي فتوولتاي يک به خاطر هزينههاي بالايي که داشتند عموم ا براي تا مين توان الکتريکي مورد نياز ماهوارهها استفاده ميشدند. اما با رشد فزا ينده صنعت نيمه هادي در سالهاي اخير و کاهش هزينههاي توليد ادوات نيمه هادي امروزه ا رايههای خورشيدی کاربردهاي گستردهاي پيدا نمودهاند که يکي از ا نها سيستمهاي فتوولتاي يک متصل به شبکه است. اين سيستمها براي تزريق توان توليدي توسط ا رايههاي خورشيدي به شبکه استفاده ميشوند و روشهاي متعددي براي کنترل ا نها اراي ه گرديده است [۵] [۲]. در اين مقاله روش کنترلي جديدي براي اتصال سيستمهاي فتوولتاي يک به شبکه اراي ه گرديده است و شکل (۲) ساختار کلي چنين سيستمهايي را نشان میدهد. در اين شکل اگر سيستم فتوولتاي يک وجود نداشته باشد بديهي است که کل توان اکتيو و راکتيو مصرفي بار توسط شبکه تا مين خواهد شد. اگر سيستم فتوولتاي يک فقط توان اکتيو به شبکه تزريق کند ([۲ [۴]) توان اکتيو کشيده شده از شبکه توسط بار کاهش خواهد يافت ولي توان راکتيو کشيده از شبکه ثابت ميماند. در اين صورت ضريب توان شبکه کاهش خواهد يافت که مطلوب نيست. براي رفع اين مشکل روش کنترلي استفاده شده بايد قابليت توليد توان راکتيو را نيز داشته باشد ([۳] و [۵]). اگر سيستم فتوولتاي يک دقيق ا توان راکتيو مورد نياز بار را توليد کند در اين صورت ضريب توان شبکه واحد خواهد شد. لازم به ذکر است که معمو لا براي ا نکه ا رايه خورشيدي تحت شرايط مختلف بيشترين توان ممکن را توليد کند از يک مبدل DC/DC براي اتصال ا رايه خورشيدي به اينورتر استفاده ميشود. اين مبدل موضوع مورد بحث اين مقاله نبوده و در مراجع [۸] [۶] به خوبي توضيح داده شده است. استفاده از بارهاي غيرخطي, سبب ايجاد هارمونيکهاي جريان در شبکه سراسري ميشود. وجود چنين هارمونيکهايي باعث توليد تلفات اضافي در خطوط انتقال و کاهش ضريب توان ميگردد. همچنين ممکن است خازنهايي که بصورت موازي به شبکه وصل شدهاند سبب ايجاد تشديد با اين هارمونيکها شوند. در[ ۹ ] بيان شده است که هارمونيکها سبب ايجاد اختلال در کارکرد وساي ل حساس سيستمهاي مخابراتي و... نيز ميشوند. اخير ا نشان داده شده است که ميتوان از اينورترهاي متصل به شبکه به صورت فيلتر فعال نيز filter) (active استفاده کرد [۱۱] [۱۰]. در اين مقاله روش کنترلي جديدي براي اتصال سيستمهاي فتوولتاي يک به شبکه اراي ه شده است. در اين روش سيستم فتوولتاي يک علاوه بر تزريق توان توليدي توسط ا رايههاي خورشيدي به شبکه و همچنين جبران توان راکتيو مورد نياز بار هارمونيکهاي جريان بار را نيز جبران ميکند. جبران هارمونيکهاي بار توسط اين روش کنترلی سبب ميشود که جريان شبکه کام لا سينوسي گردد و هارمونيکهاي بار وارد شبکه نشود. در اين روش کنترلي اگر توان توليدي ٤

٥ شبکه توسط ا رايههاي خورشيدي کمتر از قدرت اينورترها باشد از مابقی ظرفيت ميتوان برای جبرانسازی توان راکتيو و يا فيلتر نمودن هارمونيکها استفاده کرد.

3 ٥ شبکه توسط ا رايههاي خورشيدي کمتر از قدرت اينورترها باشد از مابقی ظرفيت ميتوان برای جبرانسازی توان راکتيو و يا فيلتر نمودن هارمونيکها استفاده کرد. يکي ديگر از ويژگيهاي روش اراي ه شده اين است که در صورت قطع شبکه سراسري سيستم فتوولتاي يک تواناي ي تا مين توان مورد نياز بار را دارد. اين سيستم در اين حالت به صورت منبع تغذيه بدون وقفه (U.P.S.) کار خواهد کرد. شكل ١ سيستم فتوولتاي يك متصل به شبكه سلف اينور = سيستم ا رايه بارمحلی شكل ٢ ساختار كلي سيستمهاي فتوولتاي يك متصل به شبكه

4 ٢ اصول عملکرد در شکل (۳) سيستم فتوولتاي يک متصل به شبکه با جزي يات بيشتري نشان داده شده است. در اين سيستم ا رايه هاي خورشيدي توسط يک اينورتر منبع ولتاژي :VSI) (Voltage Source Inverter به شبکه وصل شده اند. براي اتصال VSI به شبکه از يک اندوکتانس هم سري استفاده شده است. اين اندوکتانس سري امکان کنترل توان خروجي اينورتر را فراهم مي کند. با توجه به اينکه رفتار کلي ا رايههاي خورشيدي بصورت يک منبع جريان است [۱۲] براي اينکه بتوان ا نها را همراه VSI استفاده کنيم از يک خازن dc در ورودي اينورتر استفاده شده است. ٦ شكل ٣ جزي يات اتصال سيستمهاي فتوولتاي يك به شبكه از ديدگاه شبکه و براساس چگونگي روش کنترل VSI ممکن است بصورت يک منبع ac بار مقاومتي سلف و يا خازن که همگي داراي توان ظاهري يکساني هستند تلقي شود. در شرايط عادي سيستم فتوولتاي يک علاوه بر تزريق توان توليدي توسط ا رايههاي خورشيدي به شبکه هارمونيکهاي جريان بار و همچنين توان راکتيو مصرفي توسط بار را نيز توليد ميکند. در اين صورت جريان کشيده شده و يا تزريق شده به شبکه کام لا سينوسي بوده و همچنين با ولتاژ شبکه هم فاز خواهد بود. (ضريب توان شبکه تقريب ا مساوي يک ميشود.) توپولوژي استفاده شده در اين مقاله يک مبدل منبع ولتاژي (VSI) است زيرا با توجه به کنترلرهای استفاده شده ولتاژ ورودي اينورتر (ولتاژ خازن) تقريبا ثابت است. يکي از روشهاي کنترل VSIها کنترل جريان خروجي ا نها است. استفاده از روش کنترل جريان براي اتصال سيستم هاي فتوولتاي يک به شبکه مناسبتر است زيرا: از ا نجايي که شبکه يک منبع ولتاژ تقريبا ثابت است ميتوان براي کنترل توان مبادله شده بين VSI و شبکه فقط جريان عبوري از VSI به شبکه يا بالعکس را کنترل کرد.

5 ٣ ١ ٢ ٧ اگر از روش کنترل ولتاژ براي اتصال سيستم فتوولتاي يک به شبکه استفاده شود کوچکترين خطايي در فاز ولتاژ خروجي اينورتر موجب عبور جريان زيادي از سيستم ميشود. در حاليکه سيستمهاي مبتني برروش کنترل جريان داراي چنين مشکلاتي نيستند. [۱۳] در اين مقاله از روش هيسترزيس براي کنترل جريان اينورتر استفاده شده است. [۱۴]. در روش اراي ه شده در اين مقاله, کنترلر سيستم فتوولتاي يک براساس توان توليدي ا رايه خورشيدي و همچنين جريانهاي هارمونيکي و توان راکتيو مصرفي بار جريان مرجع اينورتر را مشخص ميکند و ا ن را در اختيار کنترلر هيسترزيس قرار ميدهد. کنترلر هيسترزيس فرمانهاي کليدزني اينوتر را طوري صادر ميکند که جريان خروجي اينورتر مساوي جريان مرجع گردد. چگونگي کارکرد سيستمهاي فتوولتاي يک متصل به شبکه کام لا وابسته به استراتژي کنترل انتخاب شده براي مبدل VSI است. در حالت کلي استراتژي کنترل اين سيستمها بايد تواناييهاي زير را داشته باشد: توليد شکل موج جريان مرجع هرسه فاز تثبيت ولتاژ خازن dc ورودي استراتژي کنترل: در اين مقاله براي مشخص کردن جريانهاي مرجع اينورتر از تي وري توان راکتيو لحظهاي که توسط Akagi بر کنترل فيلترهاي فعال اراي ه گرديده است استفاده ميشود [۱۵]. در اين سيستم جريانه يا مرجع جريانهايي هستند که اگر توسط اينورتر توليد شوند توان توليدي توسط ا رايههاي خورشيدي به شبکه تزريق شده و جريانهاي هارمونيکي و توان راکتيو بار توسط اينورتر جبران ميشود. تي وري توان راکتيو لحظهاي براساس انتقال متغيرهاي ولتاژ و جريان به مختصات بنا نهاده شده است. مقادير لحظهاي متغيرهاي ولتاژ و جريان در مختصات را ميتوان توسط معادله زير محاسبه کرد: V V = V V a [ A]. V, = [ A] b c ia i (۱) ib i i c که در معادلات فوق [A] ماتريس انتقال است: [ ] 2 2 A = (۲) v c وv b, v a va بوده و ولتاژهاي + vb + vc توابع تبديل فوق در صورتي صادق هستند که = 0 سينوسي و بالانس باشند. توان اکتيو و راکتيو لحظهاي در مختصات را ميتوان توسط معادلات زير حساب کرد: ( t) = v ( t) i ( t) + v ( t) i ( t) (۳) q( t) = v ( t) i ( t) + v ( t) i ( t) (۴ )

6 (۶) جريانهاي i و i را بر حسب مقادير توانهاي لحظهاي بصورت زير ميتوان نوشت : i 1 v v = (۵) 2 2 i v + v v v q مقادير و q که توسط معادلات (۳) و (۴) بيان شده است را ميتوان به صورت حاصل جمع مو لفه dc و مو لفه ac ا نها در نظر گرفت: = + q = q + q (۷) که در معادلات فوق: : مو لفه dc توان لحظهاي است و به مو لفه اصلي جريان اکتيو مربوط ميشود. : مو لف ac توان لحظهاي است و مربوط به ا ن دسته از جريانهاي هارمونيکي است که توسط جزء اکتيو توان لحظهاي توليد ميشوند. : q مو لفه dc توان لحظهاي q است و به توان راکتيوي که توسط مو لفههاي اصلي ولتاژ و جريان توليد ميشود مربوط است. : q مو لفه ac توان لحظهاي q است و مربوط به ا ن دسته از جريانهاي هارمونيکي است که توسط جزء راکتيو توان لحظهاي توليد ميشود. براي ا نکه سيستم فتوولتاي يک بتواند توان راکتيو و جريانهاي هارمونيکي توليد شده توسط بارهاي غيرخطي را توليد کند جريان مرجع ا ن بايد شامل مقادير q q باشد. مزيت استفاده از تي وري فوق اين است که در ا ن توانهاي اکتيو و راکتيو متناظر با مو لفه اصلي ولتاژ جريان به صورت dc هستند و در صورت نياز ميتوان به راحتي هر کدام را حذف کرد. در سيستمهاي فتوولتاي يک متصل به شبکه استراتژي کنترلي VSI بايد علاوه بر جبران توان راکتيو و هارمونيکهاي جريان مربوط به بار توان اکتيو توليدي توسط ا رايههاي خورشيدي را نيز به شبکه تزريق کند. در صورت صرفنظر کردن از تلفات اينورتر تفاوت بين توان توليدي توسط ا رايههاي خورشيدي و توان اکتيو تزريقي به شبکه در خازن dc ذخيره ميشود: t 1 2 ( Vci v Pactive ) dλ = CVc (۸) 2 که در معادله فوق V c ولتاژ لحظهاي خازن ورودي اينورتر i v جريان لحظهاي کشيده شده از ا رايه P active توان لحظهاي تزريق شده به شبکه از طريق اينورتر است. اگر توان توليدي توسط خورشيدي و ا رايه خورشيدي به شبکه تزريق نگردد با توجه به اينکه ا رايههاي خورشيدي داراي ماهيت منبع جرياني هستند ولتاژ خازن به صورت خطي زياد خواهد شد. بايد کنترلر ميزان توان اکتيو تزريقي به شبکه را طوري کنترل کند که ولتاژ خازن همواره ثابت بماند. و ٨

7 (۹) شكل ٤ استراتژي كنترلي سيستمهاي فتوولتاي يك متصل به شبكه ٩ بنابراين ميزان توان اکتيو تزريقي از سلولهاي خورشيدي به شبکه را ميتوان بصورت زير نوشت: K I P active ( Vc Vc ) + K I ( Vc Vc ) = K dt V c K I K I K (۱۰) K و ضرايب تناسبي و انتگرالي V c ولتاژ مرجع خازن ولتاژ لحظه اي خازن که در معادله فوق مربوط به کنترلر PI هستند. انتخاب اين ضرايب براساس مصالحه اي بين عملکرد حالت داي مي و ديناميکي سيستم صورت مي گيرد. اگر K و بزرگ در نظر گرفته شوند خطاي حالت ماندگار پاسخ کاهش خواهد يافت. از طرفي ديگر اگر و کوچک باشند عملکرد ديناميکي سيستم در برابر تغييرات ميزان تابش نور خورشيد و درجه حرارت محيط بهتر خواهد بود. با توجه به معادله (۵) جريانهاي مرجع سيستم فتوولتاي يک در مختصات که توانايي توليد توان راکتيو و جريانهاي هارمونيکي بار و تزريق توان توليدي توسط ا رايههاي خورشيدي به شبکه را دارد به صورت زير قابل بيان است: i i = V V 2 V V V V q L L + P V ولتاژ بار در مختصات و i و i جريانهاي مرجع سيستم فتوولتاي يک در در معادله فوق V و dc خروجي مربوط به کنترلر ولتاژ خازن P active و توان لحظهاي بار در مختصات q L PL و مختصات ورودي است. جريانهاي مرجع را ميتوان در مختصات abc به صورت زير نوشت: + q active L

8 ١ ۴ ) ) ) ) ) i a i b= i c i i (۱۱) ١٠ i گردد: توان توليدي توسط ا رايههاي خورشيدي به c ib و i a اگر جريان خروجي اينورتر مساوي شبکه طوري تزريق ميگردد که ولتاژ خازن dc ورودي همواره ثابت بماند. جريانهاي هارمونيکي و توان راکتيو بار توسط اينورتر تا مين ميشود بطوريکه ضريب توان شبکه تقريب ا معادل يک شده و جريان هارمونيکي وارد شبکه نميشود. اگر توان توليدي توسط ا رايههاي خورشيدي کم باشد کنترلر مربوط به ولتاژ خازن ميتواند مقداري توان اکتيو از شبکه جذب کند تا در اثر تلفات اينورتر ولتاژ خازن افت نکند و سيستم فتوولتاي يک در اين حالت قادر است که توان راکتيو و جريانهاي هارمونيکي بار تا مين کند. نتايج حاصل از شبيهسازي: در اين بخش به منظور بررسي صحت روش اراي ه شده سيستم فتوولتاي يک متصل به شبکه براساس استراتژي کنترلي اشاره شده در بخش ۳ با استفاده از نرم افزار MATLAB شبيهسازي شده است. پارامترهاي استفاده شده در شبيهسازي عبارتند از: ولتاژ فاز به نول شبکه: ۲۲۰ ولت ولتاژ مرجع خازن dc ورودي: ۸۰۰ ولت ظرفيت خازن وروري 1mF و سلف اتصال به شبکه: ۵۰۰ ميکروهانري. در روش کنترل جريان اينورتر به روش هيسترزيس اگر پهناي باند هيسترزيس ثابت باشد فرکانس کليدزني در هر سيکل متغير خواهد بود. براي رفع اين مشکل در اين مقاله پهناي هيسترزيس طوري تنظيم ميشود که فرکانس کليدزني همواره حدود 10KHz ثابت بماند. ابتدا از يک بار RL به عنوان مصرفکننده توان راکتيو استفاده شده است. نتايج حاصل از شبيهسازي براساس مدل اراي ه شده در شکل (۵) نشان داده شدهاند. در شکل (۵ الف فرض شده است که توان توليدي توسط ا رايههاي خورشيدي کم است و سيستم متصل به شبکه فقط توان راکتيو بار را توليد ميکند. در اين حالت توان اکتيو مصرفي بار از شبکه کشيده ميشود. در شکل (۵ ب فرض شده است که توان توليدي توسط ا رايه خورشيدي بيش از توان مورد نياز بار است. در اين حالت ملاحظه ميشود که سيستم فتوولتاي يک علاوه بر تغذيه توان اکتيو و توان راکتيو مورد نياز بار توان اکتيو به شبکه هم تزريق ميکند. براي بررسي چگونگي جبران هارمونيکهاي بار توسط اين سيستم از يک يکسو کننده ديودي سه فاز تمام پل به عنوان بارغير خطي استفاده شده است. نتايج حاصل از شبيهسازي نشان ميدهد که عليرغم هارمونيکي بودن جريان بار و همچنين مصرف توان راکتيو توسط ا ن جريان کشيده شده از شبکه در شکل (۶ الف و همچنين جريان تزريق شده به شبکه در شکل (۶ ب تقريبا سينوسي و هم فاز با ولتاژ خط است. در شکل (۶ الف ملاحظه ميشود که سيستم فتوولتاي يک فقط جريانهاي هارمونيکي و توان راکتيو بار را جبران ميکند. اين سيستم در اين حالت بصورت فيلتر فعال Filter) (Active عمل ميکند. يکي از مزاياي روش کنترل ا ورده شده در اين مقاله اين است که اگر در حين کار سيستم ولتاژ شبکه قطع شود اين

9 سيستم ميتواند بصورت مجزا از شبکه توان مورد نياز بار را تا مين کند. در اين حالت سيستم فتوولتاي يک بصورت U.P.S. کار ميکند. شكل ٥) الف يك توان راكتيو مصرفي بار را تا مين ميكند ١١ شكل ٥) ب سيستم فتوولتاي يك علاوه بر تا مين راكتيو مصرفي براي توان اكتيو به شبكه هم تزريق ميكند

10 شكل ٦) الف سيستم فتوولتاي يك علاوه بر تا مين راكتيو مصرفي بار هامونيكهاي جريان بار را نيز توليد ميكند ١٢ شكل ٦) ب سيستم فتوولتاي يك علاوه بر جبرانسازي بار توان اكتيو هم به شبكه تزريق ميكند

11 ۵ ٦ ١٣ نتيجهگيري: در اين مقاله استراتژي کنترلي جديدي براي سيستمهاي فتوولتاي يک متصل به شبکه اراي ه شده است. نتايج حاصل از شبيهسازي نشان ميدهد که اين سيستم میتواند صرفنظر از ميزان توان توليدي توسط ا رايههاي فتوولتاي يک همواره توان راکتيو و جريانهاي هارموينکي بار را تا سقف قدرت اينورترها جبران کند. همچنين در صورت قطع شبکه اينورترها بدون هيچ وقفهای بار را تغذيه خواهند کرد. قدرداني و تشکر: مو لفين از همکاريهاي مسي ولان محترم جهاد دانشگاهي واحد خواجه نصيرالدينطوسي براي انجام اين تحقيقات کمال تشکر را دارند. ٧ منابع 1- H. Watanabe, T. Shimizu. And G. Kimura A novel utility interactive hotovoltaic inverter with generation control circuit IEEE, M. Andersen and T.B. Alvsten 200W low cost module integrated wittily interface for modular hotovoltaic energy systems, IEEE, S. Kim, G.Yoo and J. song A Bi functional utility connected hotovoltaic systems with ower factor correction and U.P.S. facility, IEEE, M.F. Rahman and L. Zhong A new, transformer less hotovoltaic array to utility grid interconnection IEEE, L.J. Borle, M.S. Dumont and C.V. Nayer, Develoment and testing of a ower conditioning system in Western Australia, IEEE tranoction on industry alications 33, 1-7, Z. Sallameh and D. Taylor, ste-u maximum ower oint Tracking for hotovoltaic Arrays, solar Energy, vol. 44, No.1, P.57, W. Teulings, J.C. Marinard, A. cael and D.O Sullivan A New maximum ower oint Tracking system, IEEE, H. Sugimoto and H. Dong, A New scheme for maximum hotovoltaic ower tracking control IEEE, V.E. Wagner, Effect of harmonics on equiments, IEEE Trans. Power Delivery, vol8, , Ar 1993

Microsoft PowerPoint خط تاثير [Compatibility Mode]

Microsoft PowerPoint خط تاثير [Compatibility Mode] خط تاثير بار واحد متحرک خط تاثير يک مقدار نيرويی (نيرو های داخلی يا عکس العملهای تکيه گاهی) عبار ت است از عرض معادله منحنی (خط تاثير) که در هر نقطه با ضرب شدن ا ن در مقدار بارمتمرکزدرجهت بار واحد کميت