سیستم‌های مستقل خورشیدی یا Stand-Alone Solar PV Systems یکی از مهم‌ترین راهکارهای تأمین انرژی الکتریکی در مناطقی هستند که به شبکه سراسری برق دسترسی ندارند یا اتصال به شبکه از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه نیست. این سیستم‌ها با استفاده از پنل‌های خورشیدی، انرژی تابشی خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل کرده و با بهره‌گیری از باتری، امکان تأمین توان در ساعات شب یا زمان کاهش تابش خورشید را فراهم می‌کنند. شبیه‌سازی چنین سامانه‌ای در محیط Matlab و Simulink این امکان را فراهم می‌کند که رفتار اجزای مختلف سیستم، الگوریتم‌های کنترلی، مدیریت انرژی و عملکرد باتری تحت شرایط گوناگون مورد بررسی قرار گیرد.

معرفی ساختار سیستم مستقل خورشیدی DC

در این شبیه‌سازی، یک سیستم مستقل برق DC طراحی شده است که از پنل‌های خورشیدی، بانک باتری، مبدل‌های DC-DC دوطرفه، کنترل‌کننده‌های هوشمند و سیستم مدیریت باتری تشکیل شده است. بار الکتریکی به باس DC با ولتاژ ثابت متصل شده و توان مورد نیاز خود را مستقیماً از این باس دریافت می‌کند.

در شرایطی که تابش خورشید مناسب باشد، پنل‌های خورشیدی علاوه بر تغذیه بار، باتری را نیز شارژ می‌کنند. در مقابل، زمانی که توان تولیدی پنل‌ها کاهش یابد یا در طول شب، انرژی ذخیره‌شده در باتری برای تأمین بار مورد استفاده قرار می‌گیرد. این فرآیند باعث افزایش قابلیت اطمینان سیستم و تأمین پیوسته انرژی می‌شود.

اهداف اصلی شبیه‌سازی سیستم

هدف این شبیه‌سازی تنها تولید انرژی توسط پنل خورشیدی نیست، بلکه کل فرآیند طراحی و انتخاب تجهیزات نیز مورد بررسی قرار می‌گیرد. مهم‌ترین اهداف شامل تعیین ظرفیت مناسب باتری براساس پروفایل مصرف، انتخاب آرایش صحیح پنل‌های خورشیدی، طراحی کنترل‌کننده PI و بررسی عملکرد سیستم در شرایط مختلف بهره‌برداری است.

با استفاده از این شبیه‌سازی می‌توان قبل از پیاده‌سازی عملی، اندازه مناسب تجهیزات را انتخاب کرده و از عملکرد صحیح سیستم در سناریوهای مختلف اطمینان حاصل کرد.

طراحی و انتخاب ظرفیت باتری

یکی از مهم‌ترین بخش‌های طراحی سیستم مستقل خورشیدی، انتخاب ظرفیت مناسب باتری است. ظرفیت کم باعث کاهش زمان پشتیبانی و ظرفیت بیش از حد نیز هزینه پروژه را افزایش می‌دهد. در این شبیه‌سازی ظرفیت باتری براساس میزان مصرف روزانه، مدت زمان استقلال سیستم و زمان شارژ مجدد محاسبه می‌شود.

نتایج طراحی نشان می‌دهد ظرفیت محاسبه‌شده باتری برابر با حدود 542.91 آمپرساعت بوده و ولتاژ نامی آن 78 ولت است. همچنین برای تشکیل بانک باتری به 39 سلول نیاز بوده و ولتاژ باتری در عمق دشارژ 80 درصد برابر با 70.2 ولت در نظر گرفته شده است. جریان متوسط دشارژ نیز حدود 4.28 آمپر محاسبه شده که نشان‌دهنده عملکرد پایدار سیستم ذخیره‌سازی انرژی است.

طراحی نیروگاه خورشیدی

در این شبیه‌سازی مشخصات پنل خورشیدی توسط اطلاعات سازنده تعیین شده و سپس تعداد مناسب پنل‌ها برای دستیابی به توان مورد نیاز محاسبه می‌شود. این فرآیند شامل تعیین تعداد پنل‌های سری در هر رشته و تعداد رشته‌های موازی است.

براساس محاسبات انجام‌شده، توان مورد نیاز نیروگاه خورشیدی حدود 9.36 کیلووات برآورد شده است. حداقل تعداد پنل در هر رشته برابر با 8 پنل بوده و حداکثر تعداد مجاز نیز 10 پنل تعیین شده تا محدودیت ولتاژ باس DC رعایت شود.

در طراحی نهایی، هر رشته شامل 8 پنل بوده و 5 رشته به صورت موازی به یکدیگر متصل شده‌اند که در مجموع توان واقعی نیروگاه خورشیدی حدود 9.01 کیلووات را فراهم می‌کند.

انتخاب کنترل‌کننده PI

برای کنترل عملکرد سیستم از کنترل‌کننده PI با تابع انتقال استاندارد استفاده شده است. این کنترل‌کننده شامل بهره تناسبی و ثابت زمانی بخش پیش‌فاز بوده و وظیفه تنظیم ولتاژ باس DC و کنترل عملکرد سیستم مدیریت باتری را برعهده دارد.

تنظیم صحیح ضرایب کنترل‌کننده اهمیت بسیار زیادی دارد زیرا پاسخ دینامیکی سیستم، سرعت بازیابی ولتاژ و پایداری عملکرد کل سامانه به این پارامترها وابسته است.

روش‌های ردیابی نقطه بیشینه توان (MPPT)

برای استخراج حداکثر توان از پنل‌های خورشیدی از الگوریتم MPPT استفاده می‌شود. در این شبیه‌سازی دو روش مختلف پیاده‌سازی شده است.

• روش Perturb and Observe (P&O)
• روش Incremental Conductance

کاربر می‌تواند با تغییر مقدار متغیر مربوطه، هر یک از این دو روش را انتخاب کرده و عملکرد آن‌ها را با یکدیگر مقایسه کند. هر دو الگوریتم وظیفه دارند نقطه بیشینه توان پنل خورشیدی را در شرایط مختلف تابش و دما دنبال کرده و بیشترین انرژی ممکن را استخراج کنند.

مبدل افزاینده Boost DC-DC

برای انتقال توان پنل خورشیدی به باس DC از مبدل Boost استفاده شده است. این مبدل نقش مهمی در تنظیم توان خروجی پنل ایفا می‌کند.

زمانی که باتری هنوز به طور کامل شارژ نشده باشد، سیستم در حالت MPPT فعالیت کرده و بیشترین توان ممکن از پنل‌ها دریافت می‌شود. اما زمانی که باتری کاملاً شارژ شده و توان تولیدی از نیاز بار بیشتر باشد، کنترل سیستم از حالت MPPT خارج شده و وارد کنترل ولتاژ ثابت باس DC می‌شود.

سیستم مدیریت باتری (BMS)

یکی از مهم‌ترین بخش‌های این شبیه‌سازی، سیستم مدیریت باتری است. در این قسمت از یک مبدل دوطرفه DC-DC استفاده شده که امکان شارژ و دشارژ باتری را فراهم می‌کند.

در حالت شارژ، مبدل به صورت Buck عمل کرده و انرژی پنل خورشیدی را به باتری منتقل می‌کند. در حالت دشارژ نیز مبدل به صورت Boost فعالیت کرده و انرژی ذخیره‌شده را برای تأمین بار در اختیار باس DC قرار می‌دهد.

به منظور افزایش طول عمر باتری، محدودیت‌هایی برای جریان و توان شارژ و دشارژ اعمال شده است. طبق نتایج طراحی، جریان مرجع شارژ حدود 45.24 آمپر، حداکثر جریان شارژ 128.29 آمپر و حداکثر جریان دشارژ 64.14 آمپر تعیین شده است.

همچنین بیشترین توان شارژ باتری حدود 10.01 کیلووات و بیشترین توان دشارژ برابر با 5 کیلووات در نظر گرفته شده است تا باتری در محدوده ایمن کار کند.

مدل‌سازی پنل خورشیدی در Simscape

در این شبیه‌سازی از بلوک Solar Cell موجود در کتابخانه Simscape Electrical استفاده شده است. از آنجا که مدل‌سازی تعداد زیادی پنل باعث افزایش زمان شبیه‌سازی می‌شود، با فرض یکسان بودن تابش و دمای تمام پنل‌ها، مدل معادل ساده‌تری ایجاد شده است که دقت مناسب را در کنار سرعت بالاتر شبیه‌سازی فراهم می‌کند.

پنل مانیتورینگ سیستم

برای مشاهده رفتار لحظه‌ای سیستم از داشبورد Simulink استفاده شده است. کاربر می‌تواند در حین اجرای شبیه‌سازی مقدار تابش خورشید و میزان بار مصرفی را تغییر دهد و تأثیر این تغییرات را بر عملکرد کل سیستم مشاهده کند.

این قابلیت امکان بررسی پاسخ سیستم در شرایط واقعی بهره‌برداری را فراهم کرده و فرآیند تحلیل عملکرد سیستم را بسیار ساده‌تر می‌کند.

کنترل حالت‌های عملکرد سیستم

کنترل مرکزی سیستم توسط Stateflow انجام می‌شود. تصمیم‌گیری براساس سه پارامتر اصلی شامل ولتاژ باس DC، میزان تابش خورشید و وضعیت شارژ باتری صورت می‌گیرد.

اگر ولتاژ باس DC از مقدار حداکثر بیشتر شود، به این معناست که تولید انرژی از مصرف بیشتر است. در مقابل، اگر ولتاژ از مقدار حداقل کمتر شود، سیستم با کمبود تولید انرژی مواجه شده و باید باتری وارد مدار شود.

حالت‌های مختلف عملکرد سیستم

در این شبیه‌سازی هفت حالت مختلف برای سیستم در نظر گرفته شده است که هر کدام شرایط خاصی از عملکرد سیستم را نمایش می‌دهند.

• حالت صفر: شروع شبیه‌سازی
• حالت یک: کنترل ولتاژ خروجی توسط پنل و جداسازی باتری کاملاً شارژ شده
• حالت دو: عملکرد MPPT همراه با شارژ باتری
• حالت سه: عملکرد MPPT همراه با دشارژ باتری
• حالت چهار: عملکرد شبانه و تغذیه بار توسط باتری
• حالت پنج: خاموشی کامل سیستم
• حالت شش: شارژ باتری در حالت MPPT همراه با قطع بار

این حالت‌ها امکان مدیریت هوشمند انرژی را فراهم کرده و باعث می‌شوند سیستم در تمامی شرایط با بیشترین بازده و کمترین آسیب به تجهیزات فعالیت کند.

نقش Matlab و Simulink در شبیه‌سازی سیستم

در این پروژه از Live Script متلب برای انجام محاسبات طراحی، از Simulink برای مدل‌سازی الگوریتم‌های کنترلی، از Simscape برای مدل‌سازی مدار قدرت و از Stateflow برای پیاده‌سازی منطق تصمیم‌گیری استفاده شده است. این ترکیب ابزارها امکان تحلیل همزمان بخش‌های الکتریکی، کنترلی و مدیریتی سیستم را فراهم می‌کند.

به کمک این محیط می‌توان عملکرد سیستم را در شرایط مختلف آب‌وهوایی، تغییرات بار، تغییر وضعیت شارژ باتری و سناریوهای مختلف بهره‌برداری بررسی کرد و پیش از اجرای عملی پروژه، تمامی پارامترهای طراحی را بهینه‌سازی نمود.

جمع‌بندی

شبیه‌سازی سیستم مستقل برق DC خورشیدی با پشتیبان باتری در Matlab یکی از کامل‌ترین نمونه‌های طراحی سیستم‌های فتوولتائیک مستقل محسوب می‌شود. در این شبیه‌سازی علاوه بر طراحی دقیق ظرفیت باتری و نیروگاه خورشیدی، کنترل‌کننده‌های PI، الگوریتم‌های MPPT، سیستم مدیریت باتری، مبدل‌های DC-DC و منطق کنترلی Stateflow نیز به صورت یکپارچه مدل‌سازی شده‌اند. نتیجه این طراحی، سیستمی هوشمند، پایدار و قابل اعتماد است که می‌تواند در شرایط مختلف محیطی، انرژی مورد نیاز بار را با راندمان بالا تأمین کرده و همزمان عمر مفید باتری و تجهیزات را افزایش دهد.