“`htmبا گسترش استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر، سیستم‌های فتوولتائیک خورشیدی متصل به شبکه به یکی از مهم‌ترین گزینه‌ها برای تولید انرژی الکتریکی در ساختمان‌های مسکونی، تجاری و صنعتی تبدیل شده‌اند. این سیستم‌ها علاوه بر کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی، امکان تزریق انرژی پاک به شبکه برق را نیز فراهم می‌کنند. در این شبیه‌سازی، یک سیستم فتوولتائیک خورشیدی تک‌فاز متصل به شبکه که برای نصب بر روی پشت‌بام ساختمان طراحی شده است، مورد بررسی قرار می‌گیرد. ساختار ارائه‌شده به گونه‌ای طراحی شده که بدون استفاده از مبدل DC-DC واسط، توان تولیدی پنل‌های خورشیدی را مستقیماً به شبکه منتقل می‌کند. این موضوع علاوه بر کاهش هزینه تجهیزات، موجب افزایش راندمان کلی سیستم و کاهش پیچیدگی ساختار کنترلی می‌شود.

در این شبیه‌سازی، اطلاعات موردنیاز برای پارامترگذاری مدل از دیتاشیت واقعی یک تولیدکننده پنل خورشیدی استخراج شده است. استفاده از داده‌های واقعی باعث می‌شود رفتار مدل بسیار نزدیک به عملکرد عملی سیستم باشد و نتایج حاصل از تحلیل‌ها برای طراحی و پیاده‌سازی پروژه‌های واقعی نیز قابل استفاده باشند. همچنین سیستم با ضریب توان واحد (Unity Power Factor) انرژی را به شبکه تزریق می‌کند که این ویژگی یکی از مهم‌ترین الزامات اتصال به شبکه در بسیاری از استانداردهای صنعت برق محسوب می‌شود.

هدف از شبیه‌سازی سیستم فتوولتائیک متصل به شبکه

هدف اصلی این شبیه‌سازی، بررسی نحوه طراحی یک نیروگاه خورشیدی کوچک متصل به شبکه و تعیین تعداد مناسب پنل‌های خورشیدی و آرایش اتصال آن‌ها برای دستیابی به توان موردنظر است. علاوه بر این، مدل امکان بررسی عملکرد سیستم در شرایط مختلف تابش خورشیدی، تغییرات دما، تغییرات ولتاژ شبکه و عملکرد الگوریتم‌های کنترلی مختلف را فراهم می‌کند.

از آنجایی که انتخاب تعداد پنل‌ها و نحوه اتصال آن‌ها تأثیر مستقیمی بر راندمان، ولتاژ خروجی، جریان تولیدی و عملکرد اینورتر دارد، این شبیه‌سازی ابزار مناسبی برای تحلیل و بهینه‌سازی طراحی سیستم محسوب می‌شود.

پارامترهای نیروگاه خورشیدی

بر اساس محاسبات انجام‌شده در مدل، پارامترهای نیروگاه خورشیدی بدون استفاده از مبدل بوست به صورت زیر تعیین شده‌اند:

• توان نامی موردنیاز سیستم برابر با 4.70 کیلووات است.
• حداقل تعداد پنل موردنیاز در هر رشته برابر با 17 پنل می‌باشد.
• حداکثر تعداد مجاز پنل در هر رشته بدون عبور از ولتاژ مجاز سیستم برابر با 27 پنل است.
• حداقل توان قابل دستیابی نیروگاه حدود 3.83 کیلووات خواهد بود.
• حداکثر توان هر رشته بدون عبور از ولتاژ مجاز برابر با 6.08 کیلووات است.
• در این طراحی تعداد واقعی پنل‌های هر رشته برابر با 21 عدد انتخاب شده است.
• تعداد رشته‌های موازی برابر با یک رشته در نظر گرفته شده است.
• توان واقعی نیروگاه خورشیدی برابر با 4.73 کیلووات خواهد بود.

این مقادیر نشان می‌دهند که انتخاب تعداد پنل‌ها به گونه‌ای انجام شده است که ضمن دستیابی به توان موردنیاز، محدودیت‌های ولتاژی سیستم نیز رعایت شوند.

مدل‌سازی زیرسیستم نیروگاه خورشیدی

در این شبیه‌سازی، زیرسیستم نیروگاه خورشیدی شامل مجموعه‌ای از رشته‌های موازی پنل‌های خورشیدی است. هر رشته از چندین پنل متصل به صورت سری تشکیل شده که مجموع آن‌ها ولتاژ موردنیاز سیستم را تأمین می‌کنند. مدل هر پنل خورشیدی با استفاده از بلوک Solar Cell موجود در کتابخانه Simscape Electrical پیاده‌سازی شده است که قابلیت نمایش رفتار واقعی سلول خورشیدی را در شرایط مختلف محیطی فراهم می‌کند.

تعداد پنل‌های سری بر اساس عواملی مانند ولتاژ شبکه، افت ولتاژ سلف خط، نوسانات ولتاژ شبکه، تغییرات ولتاژ مدار باز پنل در اثر تغییر دما و شدت تابش خورشیدی محاسبه می‌شود. همچنین تعداد رشته‌های موازی نیز بر اساس توان موردنیاز نیروگاه تعیین می‌شود.

از آنجا که مدل‌سازی تک‌تک پنل‌های خورشیدی باعث افزایش تعداد المان‌های شبیه‌سازی و در نتیجه افزایش زمان اجرای مدل می‌شود، در این شبیه‌سازی فرض شده است که تمام پنل‌ها شرایط تابش و دمای یکسانی دارند. بنابراین برای کاهش حجم محاسبات، از منابع جریان و ولتاژ کنترل‌شده استفاده شده است که عملکرد مجموعه بزرگی از پنل‌ها را با دقت مناسب شبیه‌سازی می‌کنند.

ردیابی نقطه حداکثر توان (MPPT)

یکی از مهم‌ترین بخش‌های هر سیستم فتوولتائیک، الگوریتم ردیابی نقطه حداکثر توان یا MPPT است. از آنجا که توان خروجی پنل‌های خورشیدی با تغییر شدت تابش و دما دائماً تغییر می‌کند، لازم است سیستم همواره در نقطه‌ای کار کند که بیشترین توان ممکن تولید شود.

در این شبیه‌سازی دو روش مختلف برای ردیابی نقطه حداکثر توان پیاده‌سازی شده است که امکان مقایسه عملکرد آن‌ها را فراهم می‌کند.

روش Perturbation and Observation

در این روش تغییرات کوچکی در ولتاژ یا جریان اعمال شده و سپس تغییر توان خروجی بررسی می‌شود. اگر توان افزایش پیدا کند، تغییرات در همان جهت ادامه پیدا می‌کنند و در غیر این صورت جهت تغییرات معکوس خواهد شد. این روش ساختار ساده‌ای دارد و در بسیاری از سیستم‌های عملی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

روش Incremental Conductance

در این روش با استفاده از رابطه بین تغییرات جریان و ولتاژ، محل دقیق نقطه حداکثر توان تعیین می‌شود. این الگوریتم نسبت به تغییرات سریع تابش خورشیدی عملکرد دقیق‌تر و سریع‌تری نسبت به روش قبلی ارائه می‌دهد و خطای کمتری در اطراف نقطه بیشینه توان دارد.

در مدل حاضر، تنها با تغییر مقدار متغیر MPPT می‌توان بین این دو روش جابه‌جا شد. مقدار صفر برای استفاده از روش Perturbation and Observation و مقدار یک برای استفاده از روش Incremental Conductance در نظر گرفته شده است.

تأثیر MPPT بر عملکرد سیستم

بلوک MPPT مستقیماً جریان تزریقی به شبکه را کنترل می‌کند. زمانی که لازم باشد ولتاژ رشته پنل‌های خورشیدی افزایش یابد، کنترل‌کننده میزان جریان تزریق‌شده به شبکه را کاهش می‌دهد تا جریان بیشتری وارد خازن باس DC شود. این فرآیند باعث می‌شود ولتاژ پنل‌ها در محدوده نقطه حداکثر توان باقی بماند و سیستم همواره بیشترین انرژی ممکن را استخراج کند.

به کمک این راهکار، نیروگاه خورشیدی حتی در شرایط متغیر محیطی نیز می‌تواند راندمان بسیار بالایی داشته باشد و افت توان تولیدی به حداقل برسد.

مدل‌های مختلف اینورتر

برای افزایش انعطاف‌پذیری شبیه‌سازی، سه مدل مختلف از اینورتر در اختیار کاربر قرار گرفته است که هرکدام برای نوع خاصی از تحلیل مناسب هستند.

• مدل Average برای تحلیل‌های کنترلی و خطی‌سازی سیستم
• مدل Continuous برای بررسی رفتار دقیق سیستم در حوزه زمان
• مدل Discrete برای پیاده‌سازی کنترل‌کننده‌های دیجیتال و شبیه‌سازی سیستم‌های نمونه‌برداری شده

وجود این سه مدل باعث می‌شود بتوان عملکرد سیستم را از دیدگاه‌های مختلف بررسی کرده و مناسب‌ترین ساختار را برای کاربردهای گوناگون انتخاب نمود.

تحلیل پاسخ فرکانسی و نمودار بود

یکی از قابلیت‌های ارزشمند این شبیه‌سازی، امکان خطی‌سازی سیستم و استخراج نمودار بود حلقه باز است. این تحلیل برای بررسی پایداری سیستم کنترل بسیار اهمیت دارد و امکان محاسبه حاشیه فاز و حاشیه بهره را فراهم می‌کند.

برای انجام این تحلیل ابتدا لازم است حلقه بیرونی MPPT و حلقه داخلی کنترل جریان از مدار خارج شوند. این کار با قرار دادن مقدار متغیر closeLoop برابر صفر انجام می‌شود. همچنین باید مدل Average اینورتر انتخاب گردد که با تنظیم متغیر powerCircuit روی مقدار صفر امکان‌پذیر است.

پس از انجام این تنظیمات، مدل قابلیت خطی‌سازی داشته و نمودار بود حلقه باز استخراج می‌شود. با بررسی این نمودار می‌توان میزان پایداری سیستم، سرعت پاسخ، حاشیه بهره و حاشیه فاز را ارزیابی نمود و در صورت نیاز پارامترهای کنترل‌کننده را بهینه‌سازی کرد.

مزایای این شبیه‌سازی

این شبیه‌سازی مجموعه‌ای کامل از ابزارهای طراحی، تحلیل و ارزیابی سیستم‌های خورشیدی متصل به شبکه را در اختیار پژوهشگران، دانشجویان و مهندسان قرار می‌دهد. استفاده از داده‌های واقعی پنل‌های خورشیدی، امکان انتخاب الگوریتم‌های مختلف MPPT، قابلیت استفاده از مدل‌های متنوع اینورتر، تحلیل پاسخ فرکانسی، طراحی بدون مبدل DC-DC و امکان بررسی رفتار سیستم در شرایط محیطی مختلف، این مدل را به یکی از نمونه‌های جامع برای آموزش و توسعه سیستم‌های فتوولتائیک تبدیل کرده است.

به کمک این شبیه‌سازی می‌توان قبل از اجرای پروژه واقعی، تمامی پارامترهای طراحی را ارزیابی کرده، تعداد مناسب پنل‌ها را تعیین نمود، عملکرد سیستم را در شرایط مختلف بررسی کرد و کنترل‌کننده‌های موردنیاز را بهینه‌سازی نمود. در نتیجه هزینه طراحی کاهش یافته، زمان توسعه پروژه کوتاه‌تر می‌شود و اطمینان از عملکرد صحیح نیروگاه خورشیدی به میزان قابل توجهی افزایش خواهد یافت.

“`