اینورترهای منبع ولتاژ فتوولتائیک شبکه

اینورترهای منبع ولتاژ فتوولتائیک شبکه – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه مهندسی صنایع

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

چگونگی سفارش مقاله

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.

اینورترهای منبع ولتاژ برای سیستم های فتوولتائیک متصل به شبکه

چکیده

این مقاله یک مفهوم نوین در ارتباط با یک اینورتر برای آرایه های فتوولتائیک متصل به شبکه / گرید را تشریح می نماید. بر این مبنا، مشخص شده است که کاربرد یک اینورتر منبع ولتاژ سه سطحی بدون ترانسفورماتور به عنوان یک راه منطقی و ورودی به گرید / شبکه در محدوده توان پایین (< 5kW) به شمار می آید. در این مبحث ساختار سیستم قدرت فتوولتائیک ارائه شده است. هر یک از مؤلفه های مرتبط با این سیستم با جزئیات مربوطه مورد بحث قرار خواهد گرفت. ضروریات مرتبط با اینورترهای فتوولتائیک و رویه های طراحی خاص نیز ارائه خواهند شد. نتایج شبیه سازی نشان دهنده تناسب راه حل پیشنهادی برای یک سیستم فتوولتائیک متصل به شبکه / گرید، که هم اکنون در حال توسعه است، می باشد.

کلمات کلیدی: اینورتر، متصل به گرید / شبکه، ابزاره ها

۱- مقدمه

در کاربردهای فتوولتائیک، رابط گرید بین منبع (آرایه خورشیدی) و بار (شبکه تأمین برق) اینورتر می باشد. به منظور به حداکثر رسانی کارایی سیستمی اینورتر می بایست از نقطه نظر طراحی و کنترل بهینه گردد. برای یک سیستم قدرت فتوولتائیک kW5/2 یک اینورتر منبع ولتاژ تک فاز مدنظر می باشد که صرفاً نیازمند تعداد حداقلی از اجزای مرتبط خواهد بود.

غالب اینورترهای تجاری برای کاربردهای فتوولتائیک شامل یک ترانسفورماتور و چندین بخش تبدیل قدرت می باشند ([۱]، [۲]). به منظور کاهش میزان پیچیدگی، حذف ترانسفورماتور و کاربرد صرف یک بخش منفک تبدیل قدرت پیشنهاد می شود. بنابراین اندازه سیستم کاهش یافته و هزینه ها نیز تقلیل می یابد.

 ۲- اینورتر فتوولتائیک

شکل ۱ نشان دهنده ساختار اصلی سیستم فتوولتائیک می باشد که متشکل از آرایه خورشیدی، اینورتر بدون ترانسفورماتور، فیلتر ـ ac و شبکه تأمین برق (خط) می باشد. عدم استفاده از ترانسفورماتور سبب بروز ویژگی های اصلی می گردد: ۱٫ در اینجا با نوعی اتصال گالوانیزه بین آرایه خورشیدی و گرید یا شبکه رو به رو هستیم. چنین اتصالی قابلیت پیوند جریان از طریق خازن پارازیتی بین آرایه خورشیدی و زمین می شود ([۳])، البته در صورتی که نقطه وسطی آرایه خورشیدی به زمین متصل نباشد. بنابراین ولتاژ بین آرایه و زمین ممکن است دارای نوسان سنگینی گردیده و فراتر از سطوح قابل پذیرش گردد (فراتر از V1000، [۴]).

برای این ولتاژ ـ dc بالا، استفاده از نیم پل سه سطحی به نظر به عنوان یک رویکرد مناسب برای اینورتر بدون ترانسفورماتور می باشد، چرا که در اینورتر سه سطح، هر IGBT صرفاً می بایست اقدام به بلوکه سازی نیم ولتاژ در مقایسه با اینورتر دو سطحی متعارف نمایند. شکل ۲  نشان دهنده ساختار سیستم مورد بررسی است. آرایه خورشیدی به دو رشته تقسیم شده است. نقطه ـ وسطی به زمین متصل می باشد، به گونه ای که تأثیر توصیفی خازن بین آرایه خورشیدی و زمین حذف خواهد شد. سطوح نسبتاً بالای این ولتاژ آرایه به عنوان مشکلی برای بخش قدرت با استفاده از IGBTs با یک ظرفیت بلوکه سازی V1200 به شمار نمی آید. به علاوه ولتاژ آرایه مجاز ماژول های بکار گرفته شده (حداکثر V1000) نیز فراتر نخواهد رفت. برای سیستم مورد بررسی یک آرایه خورشیدی متشکل از ۲۵ سری ماژول های W55 متصل می باشد. برای یک سیستم دمای پایین به طور مثال J=-25°C ولتاژ لوپ باز یک ماژولی تقریباً برابر با V28 مدنظر خواهد بود. بنابراین در بدترین حالت (دماهای پایین) ولتاژ آرایه حداکثری (تقریباً V700) غالباً زیر مقدار مجاز خواهد بود.

اینورترهای منبع ولتاژ فتوولتائیک شبکه

۳- کنترل

شکل ۲ نشان دهنده اجزای اصلی بلوک کنترل ـ لوپ می باشد که در یک پردازشگر سیگنال دیجیتالی (نرم افزار) اجرا شده است.

۳ـ۱٫ کنترل جریان ـ AC

برای جریان خروجی اینورتر I₀ یک کنترل هیسترزیس یا پسماند مغناطیسی با یک پهنای هیسترزیس متغیر بکار گرفته می شود. جهت تأمین یک جریان برق I_L1 با اعوجاج پایین اتصال به گرید از طریق فیلتر ـ ac اعمال خواهد شد، که متشکل از یک ترکیب L-C-L- می باشد. از طریق کنترل تحمیلی کلیه متغیرهای حالت، تشریح شده در مرجع [۳]، فیلتر ـ ac به صورت فعال میرا می گردد. شکل ۳ نشان دهنده دیاگرام بلوکی کنترل جریان می باشد. خطای مقادیر همزمان متغیرهای حالت (ولتاژ خازن فیلتر u_C و جریان خط i_L1) و نقاط مشخص شده محاسباتی (u_C,sp، i_L1,sp) همگی مشخص گردیده اند. ضرایب بازخورد حالت r_C، r_L از طریق انتخاب قطب ها تعیین می گردند [۳]. آستانه های راهگزینی  نیز به وسیله DSP ایجاد می شوند (شکل ۲) .

۳ـ۲٫ کنترل ولتاژ ـ DC

جهت حاصل آوردن عملیات یکنواخت، P_dc توان ـ dc موجود از طریق آرایه های خورشیدی تأمین گردیده و P_ac توان ـ ac که به گرید تغذیه می گردد می بایست به صورت بالانس مشخص شده باشد. توان ـ dc موجود منوط به شرایط محیطی (دما و عایق) و ولتاژ آرایه می باشد. شکل ۴ الف نشان دهنده ویژگی های ولتاژ قدرت یک آرایه خورشیدی است. این اینورتر می بایست به صورت همیشگی در MPP عمل نماید تا قابلیت به حداکثررسانی کارایی وجود داشته باشد. به منظور یافتن نقطه حداکثر قدرت برای کلیه شرایط یک روش پیگیری بکار گرفته می شود که بر مبنای این حقیقت می باشد که در یک سیستم تک فاز نوسانات فوری توان با توجه به دو برابر شدگی فرکانس خط (f_l=50Hz) در نظر خواهد بود. این نوسان در توان ـ ac همچنین منجر به یک تموج Hz100 در ولتاژ ـ dc و توان ـ dc می شود.

اینورترهای منبع ولتاژ فتوولتائیک شبکه

۴- بهینه سازی سیستم

همانگونه که در بالا ذکر شد، یک جریان خط سینوسی با اعوجاج پایین را می بایست بکار گرفت. در کاربرد متصل به گرید لازم است تا به این نکته توجه داشت که اختلال سیستمی می بایست بر مبنای استانداردهای بین المللی (EN 60555-2، DIN VDE 0875 T1) محدود باشد. مؤلفه های هارمونیک جریان خط منوط به انتخاب فرکانس سوئیچینگ و اجزای فیلتر ـ ac می باشد. به منظور به حداکثر رسانی کارایی سیستمی، یک راهکار بهینه سازی همانگونه که در مرجع [۵] توصیف شده است بکار گرفته شده است.

هدف یافتن اجزای فیلتر ـ ac و فرکانس سوئیچینگی است که در آن اجزای هارمونیک را می توان محدود نمود و به علاوه قابلیت به حداقل رسانی اتلاف های اینورتر نیز وجود خواهد داشت. به منظور ارزیابی اتلاف های اینورتر که متشکل از IGBT (اتلاف های سوئیچینگ و رسانایی) و اتلاف های فیلتری می باشد، فرمول تقریب بکار گرفته شده است. محاسبه اتلاف های اینورتر ـ pv در بردارنده آن خواهد بود که نیروی آرایه خورشیدی به صورت ثابت نباشد. چنین موردی منوط به دما و وضعیت ایزولاسیون می باشد و کاملاً برای نقاط عملیاتی گوناگون برای یک سال به صورت متغیر خواهد بود. بنابراین اتلاف های پدیدار شده نیز به صورت متغیر می باشند. جهت یافتن پارامترهای مناسب لازم است تا نسبت به توجه به تولید انرژی سالیانه در موقعیت اینورتر (آلمان) دقت شود.

شکل ۵ نشان دهنده کارایی محاسبه شده اینورتر برای فرکانس های سوئیچینگ مختلف (f_S=4…24kHz) و سلف های فیلتر (L₀=1…5mH) می باشد. کارایی حداکثری را می توان از طریق بکارگیری فرکانس سوئیچینگ f_S»۶kHz و المان های فیلتر L₀=4mH، L₁=3.1mH و C=23mF حاصل آورد. با توجه به این پارامترها از نقطه نظر تئوریکی بیش از ۳/۹۷% انرژی آرایه های خورشیدی را می توان به شبکه برق تغذیه نمود.

اینورترهای منبع ولتاژ فتوولتائیک شبکه

۵- نتایج

۵ـ۱٫ رهگیری نقطه قدرت حداکثری

به منظور نشان دادن رفتار دینامیکی سیستم فتوولتائیک با استفاده از MPPT تشریح شده یک تغییر سریع غیرواقعی دمایی شبیه سازی شده است. شکل ۶ نشان دهنده نتایج شبیه سازی عملیات سیستمی در یک ویژگی ایزوله ثابت E=1000W/m² و تغییر دمایی از J₁=25°C به J₂=15°C تحت مدت t=0.6s می باشد. بنابراین این مورد فرض می شود که آرایه های خورشیدی دارای شرایط محیطی یکسانی هستند. شکل ۶ ب نشان دهنده دو ویژگی ـ p ـ u یک آرایه خورشیدی sal است که برای دماهای انتخابی قبل از (J₁) و بعد از (J₂) تغییر معتبر می باشد. در شکل ۶ الف (بزرگنمایی شکل ۶ ب) علامت های ضربدر نشان دهنده تغییر میانگین قدرت P_dc1,m تأمین شده به وسیله sal در هر نقطه عملیاتی می باشد. این شبیه سازی در ناحیه سه آغاز شده است. MPPT سبب کاهش نقطه مشخص ولتاژ آرایه U_dc1,sp به میزان DU =1V شده است. در این موقعیت چنین نقطه ای، یعنی U_dc1,sp، کمتر از مقدار میانگین U_dc1,m می باشد. کنترل کننده ولتاژ ـ dc سبب افزایش این نقطه تنظیم P_dc,sp توان ـ ac می شود. چنین موردی منجر به دشارژ متوالی خازن لینک ـ dc و تا زمانی می شود که سیستم به ناحیه دو (t@0.4s) برسد. در ناحیه دو این نقطه تنظیمی دارای مقدار U_dc1,sp=U_dc1,m می گردد. تحت شرایط یکنواخت، ولتاژ در MPP به صورت دقیق نمی باشد، چرا که در واقعیت خطاهای اندازه گیری رخ خواهند داد.

۵ـ۲٫ کنترل جریان

شکل ۷ نشان دهنده نتایج شبیه سازی اینورتر با استفاده از کنترل جریان ـ ac تشریح شده می باشد. در این شبیه سازی یک ولتاژ خط سینوسی ایده آل u_L مدنظر می باشد. میزان توان نیز به P=2,5kW=P _N در cosj=1 برای اجزای فیلتری تنظیم شده و فرکانس سوئیچینگ نیز بر حسب پارامترهای بهینه انتخاب شد. از طریق کنترل هیسترزیس جریان خروجی اینورتر I₀ یک جریان خط سینوسی I_L1 را می توان به داخل شبکه تغذیه نمود. ولتاژ خازن فیلتر u_C تقریباً به صورت سینوسی می باشد. این اینورتر با اجزای فیلتر بهینه به خوبی قابل کاربرد است. در اولین مرحله تحلیل آزمایشی لینک ـ dc به وسیله دو رکتیفایر یا یکسو کننده خط حاصل شد. این اینورتر به یک شبکه V230، Hz50 متصل می باشد. شکل ۸ نشان دهنده نتایج آزمایشی برای یک مؤلفه ورودی شبکه P=2.5kW در cosj=1 می باشد. ولتاژ لینک ـ dc (مقدار میانگین، شاخص m) نیز به U_dc1,m=U_dc2,m=435V تنظیم شد. این مقدار مترادف با ولتاژ MPP یک آرایه خورشیدی می باشد که تحت نقطه توان اسمی عمل می نماید.

اینورترهای منبع ولتاژ فتوولتائیک شبکه

۶- نتیجه گیری

مفهوم اینورتر بدون ترانسفورماتور برای سیستم های فتوولتائیک متصل به گرید یا شبکه در این مبحث ارائه شده است. با استفاده از یک پل سه سطحی با  قابلیت حذف خازن پارازیتی یا انگلی بین آرایه خورشیدی و زمین وجود داشته و بر این مبنا می توان سطوح قابل تحمل ولتاژ بلوکینگ IGBTs را حاصل آورد. یک کنترل مناسب در این زمینه ارائه شده است. یک راهکار بهینه سازی شده منجر به یک ترکیب بهینه ای از فرکانس سوئیچینگ و اجزای فیلتری به منظور به حداقل رسانی اتلاف های اینورتر گردیده است.