در سال‌های اخیر، استفاده از انرژی خورشیدی به عنوان یکی از مهم‌ترین منابع انرژی تجدیدپذیر رشد قابل توجهی داشته است. سیستم‌های فتوولتائیک (PV) به دلیل عدم وابستگی به سوخت‌های فسیلی و قابلیت نصب در مقیاس‌های مختلف، به طور گسترده در تولید برق مورد استفاده قرار می‌گیرند. با این حال، یکی از چالش‌های اصلی در بهره‌برداری از این سیستم‌ها، تغییرات مداوم تابش خورشیدی و دما است که باعث تغییر نقطه توان بیشینه (Maximum Power Point) می‌شود. برای حل این مشکل از الگوریتم‌های ردیابی نقطه بیشینه توان (MPPT) در کنار مبدل‌های DC-DC مانند مبدل بوست استفاده می‌شود.

در این شبیه‌سازی، یک سیستم خورشیدی مجهز به مبدل بوست طراحی شده است که هدف آن استخراج حداکثر توان از پنل‌های خورشیدی و تنظیم ولتاژ باس DC در شرایط مختلف محیطی است. این مدل علاوه بر بررسی ساختار آرایش پنل‌ها، شامل پیاده‌سازی الگوریتم‌های MPPT، کنترل ولتاژ و طراحی کنترل‌کننده PI نیز می‌باشد.

طراحی آرایش پنل‌های خورشیدی در سیستم PV

یکی از مراحل مهم در طراحی سیستم فتوولتائیک، تعیین تعداد پنل‌های خورشیدی در هر رشته و تعداد رشته‌های موازی است. این انتخاب باید به گونه‌ای انجام شود که توان خروجی مورد نیاز سیستم تأمین گردد، بدون اینکه ولتاژ از محدوده مجاز تجاوز کند.

در این شبیه‌سازی، توان نامی سیستم برابر با ۲ کیلووات در نظر گرفته شده است. بر اساس مشخصات پنل و محدودیت‌های ولتاژ DC، تعداد پنل‌های هر رشته بین ۸ تا ۱۰ عدد تعیین شده است. در نهایت، آرایش بهینه شامل ۹ پنل در هر رشته و یک رشته موازی انتخاب شده است. توان واقعی سیستم در این حالت حدود ۲.۰۳ کیلووات محاسبه شده که نشان‌دهنده انطباق مناسب طراحی با نیاز بار است.

این مرحله از طراحی اهمیت بالایی دارد زیرا انتخاب نادرست تعداد پنل‌ها می‌تواند باعث کاهش راندمان یا حتی آسیب به تجهیزات الکترونیکی سیستم شود.

مدل‌سازی سیستم خورشیدی در Matlab و Simscape

در محیط Matlab و به ویژه Simscape Electrical، مدل‌سازی سلول خورشیدی با استفاده از بلوک Solar Cell انجام می‌شود. این بلوک امکان شبیه‌سازی رفتار واقعی پنل خورشیدی تحت شرایط مختلف تابش و دما را فراهم می‌کند.

در سیستم مورد بررسی، برای کاهش پیچیدگی محاسباتی، فرض شده است که تابش و دما در تمام پنل‌ها یکنواخت است. این فرض باعث می‌شود به جای مدل‌سازی تک‌تک سلول‌ها، از منابع کنترلی جریان و ولتاژ استفاده شود که سرعت شبیه‌سازی را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد.

زیرسیستم نیروگاه خورشیدی شامل رشته‌های سری از پنل‌ها و اتصال موازی آن‌ها است که به یک باس DC متصل می‌شوند. این باس DC وظیفه تغذیه مبدل بوست و در نهایت بار DC را بر عهده دارد.

الگوریتم‌های ردیابی نقطه بیشینه توان (MPPT)

یکی از مهم‌ترین بخش‌های این شبیه‌سازی، پیاده‌سازی الگوریتم MPPT است. هدف این الگوریتم‌ها یافتن نقطه‌ای است که در آن توان خروجی پنل خورشیدی بیشینه می‌شود. در این مدل، دو روش رایج برای MPPT در نظر گرفته شده است:

روش اغتشاش و مشاهده (Perturbation and Observation)

در این روش، سیستم به صورت دوره‌ای ولتاژ یا جریان را تغییر داده و اثر آن بر توان خروجی بررسی می‌شود. اگر توان افزایش یابد، تغییر در همان جهت ادامه پیدا می‌کند و در غیر این صورت جهت تغییر معکوس می‌شود. این روش ساده است اما ممکن است در شرایط تغییرات سریع تابش دچار نوسان شود.

روش رسانایی افزایشی (Incremental Conductance)

در این روش، از مشتق توان نسبت به ولتاژ استفاده می‌شود. زمانی که این مشتق برابر صفر باشد، سیستم در نقطه بیشینه توان قرار دارد. این روش نسبت به روش P&O دقت بالاتری دارد و در شرایط تغییرات سریع محیطی عملکرد بهتری ارائه می‌دهد.

در شبیه‌سازی، از ساختار Variant Subsystem استفاده شده است تا بتوان بین این دو الگوریتم به صورت انتخابی جابه‌جا شد. مقدار متغیر MPPT تعیین‌کننده نوع الگوریتم فعال در سیستم است.

مبدل DC-DC بوست در سیستم خورشیدی

مبدل بوست یکی از اجزای کلیدی در سیستم‌های فتوولتائیک است که وظیفه افزایش ولتاژ DC خروجی پنل‌ها را بر عهده دارد. این مبدل با تغییر نسبت سیکل کاری (Duty Cycle) امکان تنظیم توان انتقالی به بار را فراهم می‌کند.

در این شبیه‌سازی، مبدل بوست در دو حالت کاری متفاوت عمل می‌کند: حالت MPPT و حالت کنترل ولتاژ. در حالت MPPT، هدف استخراج حداکثر توان از پنل‌ها است، در حالی که در حالت کنترل ولتاژ، هدف حفظ ولتاژ ثابت در باس DC است.

زمانی که توان تولیدی پنل‌ها بیشتر از توان مورد نیاز بار باشد، سیستم وارد حالت کنترل ولتاژ می‌شود تا از افزایش بیش از حد ولتاژ جلوگیری شود. این ویژگی باعث افزایش پایداری سیستم در شرایط بار سبک می‌شود.

طراحی کنترل‌کننده PI در سیستم

برای کنترل دقیق ولتاژ خروجی و بهبود پاسخ دینامیکی سیستم، از کنترل‌کننده PI استفاده شده است. تابع انتقال این کنترل‌کننده به صورت زیر تعریف می‌شود:

k_v(sT_v + 1) / (sT_v)

در این ساختار، پارامتر K_v بهره تناسبی و T_v ثابت زمانی بخش پیش‌فاز است. انتخاب مناسب این پارامترها تأثیر مستقیمی بر پایداری و سرعت پاسخ سیستم دارد. بهره زیاد می‌تواند باعث نوسان شود و بهره کم باعث کندی پاسخ سیستم خواهد شد.

در فرآیند شبیه‌سازی، تنظیم این پارامترها به صورت تجربی و بر اساس رفتار گذرای سیستم انجام می‌شود تا بهترین تعادل بین سرعت و پایداری حاصل گردد.

عملکرد سیستم در شرایط مختلف کاری

سیستم فتوولتائیک شبیه‌سازی شده قادر است در دو حالت اصلی عملکرد داشته باشد. در حالت اول، زمانی که تابش خورشیدی در حد کافی است، سیستم در حالت MPPT قرار می‌گیرد و حداکثر توان از پنل‌ها استخراج می‌شود. در این حالت، مبدل بوست و الگوریتم MPPT به صورت هماهنگ عمل می‌کنند.

در حالت دوم، زمانی که توان تولیدی از نیاز بار بیشتر باشد، سیستم وارد حالت کنترل ولتاژ می‌شود. در این وضعیت، هدف حفظ پایداری ولتاژ DC است و از افزایش بیش از حد انرژی در باس DC جلوگیری می‌شود.

نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که سیستم توانایی تطبیق با تغییرات شرایط محیطی را دارد و می‌تواند بدون افت قابل توجه در راندمان، عملکرد پایداری ارائه دهد.

جمع‌بندی

در این شبیه‌سازی، یک سیستم فتوولتائیک مجهز به مبدل بوست و الگوریتم MPPT طراحی و بررسی شد. نتایج نشان داد که استفاده از الگوریتم‌های MPPT مانند P&O و Incremental Conductance نقش مهمی در افزایش بهره‌وری سیستم دارند. همچنین، استفاده از مبدل بوست و کنترل‌کننده PI باعث بهبود تنظیم ولتاژ و افزایش پایداری سیستم در شرایط مختلف شد.

به طور کلی، این مدل می‌تواند به عنوان یک پایه مناسب برای طراحی و توسعه سیستم‌های خورشیدی پیشرفته‌تر مورد استفاده قرار گیرد و در محیط Matlab به خوبی قابل پیاده‌سازی و تحلیل است.