یک مبدل DC-DC فوق فزاینده حلقه بسته برای کاربردهای فوتوولتائیک

یک مبدل DC-DC فوق فزاینده حلقه بسته برای کاربردهای فوتوولتائیک – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه برق – الکترونیک

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

یک مبدل DC-DC فوق فزاینده حلقه بسته برای کاربردهای فوتوولتائیک

چکیده

این مقاله ارائه دهنده یک مبدل  dc–dc جای داده غیر مجزا فوق فزاینده با راندمان بالا همراه با یک مدار محدود کننده فعال میباشد. در این سیستم ارائه شده، مبدل های بوست القاگر – جفت جای داده شده اند. یک مبدل بوست جهت محدود سازی تنش های ولتاژی کلیه سوئیچ ها در مبدل های جای داده به کار گرفته میشود؛ تنش هایی که به واسطه اندوکتانس های نشتی بوجود آمده که در القاگرهای جفت شده کاربردی، در یک سطح ولتاز پایین، وجود دارند. این مقاله نوعی مبدل را پیشنهاد مینمایدکه قابلیت بکارگیری سوئیچ فعال شناورجهت مجزا سازی یا ایزوله سازی انرژی از پانل PV به هنگامی که ماژول OFF (بسته) است را خواهد داشت. این طراحی ویژه سبب محافظت از افراد نصاب و کارگران با توجه به خطرات برق گرفتگی میشود. بدون دوره های کاری حاد و نسبت های دور بیشمار یک القاگر جفت شده، این مبدل قابلیت حاصل آوردن نسبت تبدیل- ولتاژ فوق فزاینده را خواهد داشت. عملکرد کلی سیستم انرژی تجدید پذیر بر این مبنا تحت تاثیر کارایی مبدل های DC/DC فزاینده میباشد، که به عنوان بخش های کلیدی در زنجیره قدرت سیستمی به شمار می آیند. نتایج از طریق بسته نرم افزاری Matlab/Simulink حاصل شده اند.

کلمات کلیدی: ادوات کاهنده و فزاینده، ماژول AC، القاگر / سلف جفت شده، سلول PV

یک مبدل DC-DC فوق فزاینده حلقه بسته برای کاربردهای فوتوولتائیک

۱- مقدمه

اخیرا توجه ویژه ای معطوف به انرژی فوتوولتائیک (PV) شده است و در این راستا این انرژی به عنوان منبع انرژی نسل بعد که قابلیت حل مشکلات گرمایش جهانی و تهی شدگی انرژی، که خود ناشی از مصرف فزاینده انرژی میباشد، مورد شناسایی قرار گرفته است. انرژی PV از هزینه های غیر ضروری سوخت اجتناب نموده و علاوه بر این هیچگونه آلودگی هوا یا ضایعاتی نیز وجود نخواهد داشت. بعلاوه، هیچگونه نوسان مکانیکی یا اغتشاش (نویز) نیز در کار نخواهد بود، چرا که اجزای سیستم تولید نیرو – بر مبنای انرژی PV – از نیمه رساناها استفاده مینمایند. چرخه طول عمر سلول خورشیدی بیش از ۲۰ میباشد و بعلاوه این سیستم قابلیت کاهش هزینه های حفظ و نگهداری و مدیریت را نیز خواهد داشت. توان خروجی سلول خورشیدی  به راحتی برحسب شرایط پیرامونی نظیر شرایط تابشی یا پرتوافکنی خورشید و همچنین دما قابل تغییر می باشد، اما در عین حال کارایی آن اندک است. بنابر این برای تامین نیروی مورد نیاز سیستم تهویه مطبوع برقی (PCS) که به کارایی بالایی نیازمند است لازم است تا بار مصرفی از آرایه PV تامین شود. به طور کلی، یک PCS فوتوولتائیک تک فاز حاوی دو مرحله تبدیل میباشد (یعنی مرحله تبدیل dc/dc و مرحله تبدیل dc/ac). مبدل dc/dc به عنوان مرحله اولی در نظر گرفته شده و قابلیت اعمال فرایند رهگیری نقطه توان حداکثری (MPPT)را خواهد داشت و علاوه بر این تحت شرایط تابشی اندک قابلیت تضمین ولتاژ اتصال- dc را نیز خواهد داشت.

مصرف انرژی جهانی به نظر بصورت پیوسته ای در حال رشد میباشد. به منظور ارضای تقاضا نیروی الکتریکی در برابر ویژگی ها و سوابق مرتبط با تهی شدگی منابع متعارف / منابع فسیلی، منابع انرژی تجدید پذیر معروفیت خاصی یافته اند]۱، ۲[.

برحسب نظر محققین[۳، ۴] علیرغم طبیعت نوسانی و وابستگی آب و هوایی، ظرفیت منابع تجدید پذیر قابلیت ارضای کلیه تقاضاهای جهانی در ارتباط با انرژی راخواهد داشت. سرمایه گذاری های بین المللی انجام تحقیقات و توسعه بر روی کاهش هزینه تولید انرژی تجدید پذیر بصورت متمرکز میباشند. بر این مبنا لازم است تا قدردان چنین فعالیت هایی بود چرا که مشارکت این نوع از انرژی های تجدید پذیر به صورت پیوسته در بودجه کلی مصرف انرژی رو به افزایش میباشد (شکل ۱)، ] ۲[

محدوده ظرفیت قدرت یک پانل تکی PV در حدود ۱۰۰ الی ۳۰۰ وات می باشد، و محدوده ولتاژ نقطه توان حداکثری (MPP) از ۱۵ ولت الی ۴۰ ولت است، که به عنوان ولتاژ ورودی ماژول ac محسوب میشود.  در حالتی که ولتاژ ورودی کمتر داشته باشیم، دسترسی به راندمان بالابرای ماژول ac مشکل خواهد بود [۳].  با این وجود، بکارگیری یک مبدل dc–dc فوق فزاینده در جلوی یک اینورتر سبب ارتکای کارایی  تبدیل- توان شده و موجب فراهم آمدن یک لینک dc ثابت به اینورتور میگردد. به هنگام نصب سیستم تولید PV  در طی روز، به دلایل ایمنی، ماژول ac میبایست دارای ولتاژ خروجی صفر باشد ]۴]، [۵[.  شکل ۲ نشان دهنده انرژی خورشیدی از طریق پانل PV و میکرو اینورتور به ترمینال خروجی، به هنگامی که سوئیچ ها بسته هستند، میباشد. میکرو اینورتور شامل مبدل بوست dc–dc، اینورتور dc–ac با مدار کنترل نشان داده شده در شکل ۲ میباشد. مبدل dc–dc نیازمند تبدیل فزاینده مقدار زیادی از ولتاژ پایین پانل به سطح ولتاژ کاربردی می باشد. تحقیقات قبلی در زمینه مبدل های مختلف برای کاربردهای فوق فزاینده شامل تحیل القاگر- سوئیچ شده و انواع خازن – سوئیچ شده ]۶، ۷[، نوع خازن سوئیچ شده ترنسفورماتور ]۸، ۹[، نوع ولتاژ خازن- دیود و نوع بوست همراه با یک القاگر زوجی ]۱۰، ۱۱[، این مبدل ها از طریق افزایش نسبت دور القاگر جفتی سبب حاصل آوردن میزان بهره ولتاژ بالاتری در مقایسه با مبدل بوست متعارف میشوند.

کارایی و بهره ولتاژ مبدل بوست dc–dc به وسیله تاثیر پارازیتی سوئیچ های قدرت یا مشکلات مربوط به ریکاوری معکوس دیودها محدود میگردد. بعلاوه، مقاومت سری هم ارز (ESR) خازن و مقاومت های پارازیتی سلف یا القاگر همچنین بر روی کارایی کلی تاثیر گذار میباشد. از طریق ترکیب اسنابر فعال، مدار رزونانس کمکی، یکسو کننده های همزمان، یا مدارهای تشدید کننده مبتنی بر خازن سوئیچ شده و موارد دیگر، این تکنیک ها سبب فعال شدن سوئیچینگ ولتاژ صفر(ZVS) یا سوئیچینگ جریان صفر (ZCS) شده و موجب ارتقای کارایی مبدل میگردند]۱۲[. با این وجود، به هنگامی که انرژی نشت – سلف از سلف زوجی را بتوان بازیافت، تنش ولتاژ بر روی سوئیچ فعال کاهش می یابد.

مبدل پیشنهادی، که در شکل ۳ نشان داده شده است، متشکل از یک سلف زوجی T₁ با سوئیچ فعال شناور S₁ میباشد. سیم پیچ اولیه N₁ سلف زوجی T₁ مشابه با سلف ورودی مبدل بوست متعارف میباشد و خازن C₁ و دیود D₁ قابلیت دریافت انرژی نشت سلف از N₁ را خواهند داشت. سیم پیچ ثانویه N₂ سلف زوجی T1  متصل به جفت دیگر خازن های C₂ و دیود D₂ بوده که به صورت سری با N₁ میباشند تا قابلیت بزرگ نمودن متعاقب ولتاژ بوست ایجاد شود. دیود یکسو کننده D₃ به خازن خروجی C₃ متصل میشود. مبدل پیشنهادی دارای ویژ گی های متعددی است: ۱) اتصال دو جفت سلف ها، خازن و دیود سبب ایجاد ضریب تبدیل – ولتاژ فزاینده بزرگی میشود. ۲) انرژی سلف – نشتی سلف زوجی را میتوان بازیافت نمود، بنابراین قابلیت افزایش کارایی و محدود سازی تنش ولتاژ در امتداد سوئیچ فعال وجود دارد. ۳) سوئیچ فعال شناور به طور موثری قابلیت منفک سازی انرژی پانل PV در طی شرایط غیر عملیاتی را خواهد داشت، که خود سبب ارتقای ایمنی میشود. اصول عملیاتی و تحلیل حالت ثابت مبدل پیشنهادی در بخش های ذیل ارائه میگردند.  

یک مبدل DC-DC فوق فزاینده حلقه بسته برای کاربردهای فوتوولتائیک

۲- اصول عملیاتی مبدل پیشنهادی

مدل مدار ساده شده مبدل پیشنهادی در شکل ۴ نشان داده شده است. سلف زوج T₁ به عنوان سلف مغناطیس کننده L_m، سلف های نشتی اولیه و ثانویه L_K1 و L_K2، و یک ترنسفورماتور ایده آل مشخص شده اند. به منظور ساده سازی آنالیز این مدار مبدل پیشنهادی:

۱) کلیه مولفه ها یکسان هستند، به جز اندوکتانس نشتی سلف جفتی T₁، که می بایست آن را مدنظر   قرار داد. مقاومت حالت روشن R_DS(ON) و کاپاسیته یا ظرفیت پارازیتی سوئیچ اصلی S1 نادیده گرفته میشود، چرا که به صورت افت ولتاژ مستقیم دیودهای D₁~D₃ هستند.

۲) خازن های C₁~C₃ آنقدر بزرگ هستند که ولتاژهای کنار آنها به صورت ثابت فرض میشوند.

۳) ESR خازن های C₁~C₃ و مقاومت پارازیتی سلف جفتی T₁ نادیده انگاشته میشود.

۴) نسبت دور n سیم پیچ T₁ سلف جفتی مساوی با N₂/N₁ میباشد.

اصل عملیاتی مود رسانایی پیوسته (CCM) به تفصیل ارائه میشود. شکل موج جریان مولفه های اصلی نیز در شکل ۵ ارائه شده است. در این جا با پنج مد عملیاتی در یک دوره سوئیچینگ روبرو میباشیم. مدهای عملیاتی به شرح ذیل توصیف میشوند.

مد I [t₀, t₁]: در این بازه گذرا، سلف مغناطیسی کننده L_m  به صورت پیوسته اقدام به بار دار نمودن خازن C₂  از طریق T₁ مینماید آن هم به هنگامی که S₁ روشن است. مسیر جریان این مورد در شکل ۶ نشان داده شده است. سوئیچ S₁ و دیود D₂ رسانا هستند. بواسطه عبور ولتاژ سورس V_im از سلف مغناطیسی کننده L_m و سلف نشتی اولیه L_k1، جریان i_Lm کاهش می یابد. با این حال سلف مغناطیسی کننده L_m همچنان قابلیت انتقال انرژی از طریق سلف جفتی T₁ به منظور شارژ نمودن خازن سوئیچ شده C₂ را خواهد داشت، اما انرژی کاهش می یابد. جریان باردار i_D2 و i_C2 نیز کاهش می یابد. جریان سلف نشتی ثانویه i_LK2 به میزان مساوی با i_Lm / n کاهش می یابد. به هنگامی که i_LK1 افزایشی مساوی i_Lm کاهشی در t = t₁ گردد، این مود به پایان میپذیرد.

یک مبدل DC-DC فوق فزاینده حلقه بسته برای کاربردهای فوتوولتائیک

۳- تحلیل حالت یکنواخت مبدل های پیشنهادی

الف. عملیات CCM

به منظور ساده سازی تحلیل حالت یکنواخت، تنها مود ۲ و ۴ برای عملیات CCM مدنظر بوده و اندوکتانس های نشتی بر روی طرف های ثانویه و اولیه انگاشته میشوند.  معادلات ذیل را میتوان از شکل ۷ نوشت:

۴- سیستم فوتوولتائیک

یک سیستم فوتوولتائیک (PV) به طور مستقیم اقدام به تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی مینماید. ابزار اصلی سیستم فوتوولتائیک سلول PV می باشد. این سلول ها را میتوان به صورت گروه کنار هم قرار داد تا قابلیت تشکیل آرایه ها را داشته باشند. ولتاژ و جریان در دسترس در ترمینال های یک ابزار PV قابلیت تغذیه مستقیم بارهای کوچک نظیر سیستم های نوردهی یا روشنایی و موتور های DC یا اتصال به یک شبکه از طریق کاربرد ابزارهای تبدیل انرژی مناسب را خواهند داشت.

۵- مدل سازی مطلب و نتایج شبیه سازی بصورت گرافیکی

یک مبدل DC-DC فوق فزاینده حلقه بسته برای کاربردهای فوتوولتائیک

۶- نتیجه گیری

این مقاله در ارتباط با عملیات لوپ یا حلقه باز و بسته می باشد. انرژی سلف نشتی القاگر جفتی بازیافت میشود، متعاقبا تنش ولتاژ در امتداد سوئیچ فعال S1 محدود گردیده که به معنای قابلیت انتخاب مقاومت کم حالت – روشن (ON) یا (RDS(ON میباشد. بنابراین، ارتقا در خصوص کارایی مبدل پیشنهادی حاصل میشود. عملکرد سیگنال سوئیچینگ به خوبی به وسیله سوئیچ شناور در طی عملیات سیستم اعمال میگردد. از طرف دیگر، انرژی مسکونی به صورت کارآمدی در طی شرایط عملیاتی قطع میگردد، آن هم بدون دوره کاری حاد و نسبت دور شدید، و بنابراین مبدل پیشنهادی قابلیت حاصل آوردن بهره ولتاژ فوق افزوده تا سیزده برابر سطح ولتاژ ورودی را خواهد داشت. این مدار همچنین برای عملیات حلقه بسته مورد آزمایش قرار گرفته است و نتایج خوبی از آن حاصل شده است. نتایج تجربی معرف آن هستند که کارایی حداکثری ۳/۹۵% در حالت نیم بار به دست می آید و گوناگونی اندک کارایی با برداشت انرژی بیشتر از ماژول PV در طی زمان عدم دسترسی به نور خورشید نیز بیشتر خواهد شد.

یک مبدل DC-DC فوق فزاینده حلقه بسته برای کاربردهای فوتوولتائیک