سیستم‌های فتوولتائیک خورشیدی مستقل (Stand-Alone PV Systems) یکی از مهم‌ترین راهکارهای تأمین انرژی در مناطق دورافتاده، خارج از شبکه برق سراسری و یا در شرایطی هستند که دسترسی پایدار به شبکه وجود ندارد. در این نوع سیستم‌ها، انرژی خورشیدی به عنوان منبع اصلی تولید برق مورد استفاده قرار می‌گیرد و یک سیستم ذخیره‌سازی انرژی مبتنی بر باتری وظیفه پشتیبانی از بار در شرایط کمبود تابش خورشید یا افزایش مصرف را بر عهده دارد.

در این شبیه‌سازی، یک سیستم کامل تولید توان AC تک‌فاز مستقل از شبکه طراحی شده است که شامل آرایه خورشیدی، مبدل‌های DC-DC، سیستم مدیریت باتری (BMS)، اینورتر، فیلتر LC و کنترل‌کننده‌های پیشرفته است. هدف اصلی این سیستم، تأمین یک ولتاژ AC پایدار برای بارهای متصل، همراه با مدیریت هوشمند توان تولیدی و ذخیره‌سازی انرژی می‌باشد.

طراحی کلی سیستم فتوولتائیک مستقل

در طراحی این سیستم، ابتدا نیاز بار الکتریکی به صورت پروفایل مصرف روزانه تعریف می‌شود. سپس با توجه به میزان انرژی خورشیدی در دسترس در منطقه مورد نظر و شرایط دمایی، ظرفیت مورد نیاز آرایه خورشیدی محاسبه می‌گردد. یکی از مهم‌ترین مراحل طراحی، تعیین تعداد پنل‌های خورشیدی و نحوه اتصال آن‌ها به صورت سری و موازی است.

در این شبیه‌سازی، ظرفیت کل آرایه خورشیدی حدود 9.36 کیلووات در نظر گرفته شده است. با توجه به مشخصات پنل‌ها، 8 پنل در هر رشته به صورت سری و 5 رشته به صورت موازی انتخاب شده‌اند که توان واقعی سیستم را به حدود 9.01 کیلووات می‌رساند. این اختلاف جزئی ناشی از محدودیت‌های ولتاژی و جریان مجاز در طراحی است.

مدل‌سازی باتری و سیستم ذخیره‌سازی انرژی

سیستم باتری نقش کلیدی در پایداری عملکرد سیستم دارد. باتری زمانی وارد مدار می‌شود که توان تولیدی پنل‌ها کمتر از توان مصرفی بار باشد یا در شب که تولید انرژی خورشیدی صفر است. در این طراحی، ظرفیت باتری حدود 542.91 آمپر-ساعت با ولتاژ نامی 78 ولت در نظر گرفته شده است.

همچنین برای جلوگیری از کاهش عمر باتری، محدودیت‌هایی برای جریان شارژ و دشارژ اعمال شده است. حداکثر جریان شارژ 128.29 آمپر و حداکثر جریان دشارژ 64.14 آمپر تعیین شده است. این محدودیت‌ها توسط سیستم مدیریت باتری (BMS) کنترل می‌شوند.

باتری از طریق یک مبدل DC-DC دوطرفه به سیستم متصل است که در حالت شارژ به صورت Buck و در حالت دشارژ به صورت Boost عمل می‌کند. این ساختار امکان کنترل دقیق جریان و توان تبادلی را فراهم می‌سازد.

سیستم کنترل و ردیابی نقطه حداکثر توان (MPPT)

یکی از مهم‌ترین بخش‌های این شبیه‌سازی، الگوریتم‌های MPPT است که وظیفه استخراج حداکثر توان ممکن از پنل‌های خورشیدی را دارند. در این مدل، دو روش متداول برای MPPT در نظر گرفته شده است:

روش اول، الگوریتم Perturb and Observe (P&O) است که با ایجاد تغییرات کوچک در ولتاژ و بررسی تغییر توان، نقطه بیشینه توان را پیدا می‌کند. روش دوم، الگوریتم Incremental Conductance است که با استفاده از مشتق توان نسبت به ولتاژ، نقطه MPP را با دقت بیشتری تعیین می‌کند.

انتخاب بین این دو روش از طریق یک سیستم سوئیچینگ (Variant Subsystem) انجام می‌شود که بسته به شرایط سیستم قابل تغییر است.

مبدل DC-DC و کنترل توان تولیدی

مبدل بوست (Boost Converter) نقش مهمی در تنظیم ولتاژ خروجی آرایه خورشیدی دارد. زمانی که باتری کاملاً شارژ نشده باشد، سیستم در حالت MPPT کار می‌کند و هدف اصلی استخراج حداکثر توان از پنل‌ها است. اما زمانی که باتری به حالت اشباع می‌رسد، سیستم وارد حالت کنترل ولتاژ DC باس می‌شود تا از افزایش بیش از حد ولتاژ جلوگیری شود.

این کنترل به کمک یک کنترل‌کننده PI با ساختار
Kv(sTv+1)/sTv
انجام می‌شود که برای تنظیم دینامیک سیستم و کاهش خطا در حالت ماندگار طراحی شده است.

سیستم مدیریت باتری (BMS)

سیستم مدیریت باتری یکی از حیاتی‌ترین بخش‌های این شبیه‌سازی است. BMS وظیفه دارد وضعیت شارژ (SoC)، جریان‌های مجاز و حالت‌های کاری باتری را کنترل کند. این سیستم از دو حلقه کنترلی تشکیل شده است: حلقه بیرونی کنترل ولتاژ و حلقه داخلی کنترل جریان.

در حالت شارژ، انرژی اضافی تولیدی توسط پنل‌ها به باتری منتقل می‌شود و در حالت دشارژ، باتری انرژی مورد نیاز بار را تأمین می‌کند. محدودیت‌های توان شارژ و دشارژ باعث افزایش طول عمر باتری و جلوگیری از آسیب‌های ناشی از جریان‌های شدید می‌شود.

تولید ولتاژ AC و اینورتر تک‌فاز

برای تأمین بارهای AC، از یک اینورتر تک‌فاز استفاده شده است که وظیفه تبدیل ولتاژ DC به AC پایدار را بر عهده دارد. این اینورتر با استفاده از یک کنترل‌کننده PI تنظیم می‌شود تا ولتاژ خروجی در مقدار مطلوب ثابت باقی بماند.

به منظور کاهش اعوجاج هارمونیکی و بهبود کیفیت توان، از فیلتر LC در خروجی اینورتر استفاده شده است. این فیلتر نقش مهمی در حذف نویزهای سوئیچینگ دارد و کیفیت توان خروجی را بهبود می‌بخشد.

حالت‌های عملکردی سیستم

این سیستم دارای چندین حالت عملکردی مختلف است که توسط کنترل‌کننده سطح بالا (Stateflow) مدیریت می‌شوند. این حالت‌ها بر اساس میزان تابش خورشید، وضعیت شارژ باتری و نیاز بار انتخاب می‌شوند. برخی از این حالت‌ها عبارت‌اند از:

• حالت شروع (Mode-0)
• عملکرد MPPT با باتری در حال شارژ (Mode-2)
• عملکرد MPPT با دشارژ باتری (Mode-3)
• حالت شب و تأمین بار فقط توسط باتری (Mode-4)
• حالت خاموشی کامل سیستم (Mode-5)

این ساختار چندحالته باعث افزایش انعطاف‌پذیری سیستم و بهینه‌سازی مصرف انرژی در شرایط مختلف محیطی می‌شود.

شبیه‌سازی در MATLAB و Simulink

در این پروژه، از MATLAB به عنوان ابزار محاسباتی اصلی برای طراحی پارامترها و از Simulink برای مدل‌سازی دینامیکی سیستم استفاده شده است. همچنین Simscape برای شبیه‌سازی دقیق اجزای الکتریکی و Stateflow برای طراحی منطق کنترلی سطح بالا به کار رفته است.

در محیط Simulink، یک داشبورد مانیتورینگ طراحی شده است که امکان مشاهده لحظه‌ای پارامترهایی مانند تابش خورشید، توان تولیدی، وضعیت باتری و ولتاژ DC باس را فراهم می‌کند. همچنین کاربر می‌تواند با تغییر ورودی‌ها، رفتار سیستم را در شرایط مختلف بررسی کند.

نتایج شبیه‌سازی

نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که سیستم توانایی حفظ پایداری ولتاژ AC در شرایط متغیر تابش خورشید و بارهای مختلف را دارد. همچنین استفاده از باتری باعث می‌شود نوسانات تولیدی پنل‌ها تأثیر مستقیمی بر بار نداشته باشد.

عملکرد الگوریتم MPPT در استخراج حداکثر توان از پنل‌ها نیز موفق بوده و در اکثر شرایط، سیستم در نقطه توان بیشینه کار می‌کند. سیستم مدیریت باتری نیز به خوبی توانسته است بین حالت شارژ و دشارژ تعادل برقرار کند.

در مجموع، این شبیه‌سازی نشان می‌دهد که ترکیب انرژی خورشیدی با ذخیره‌سازی باتری و کنترل پیشرفته می‌تواند یک راهکار پایدار و قابل اعتماد برای تأمین انرژی در سیستم‌های مستقل فراهم کند.