اینورتر توان خورشیدی یکی از مهم‌ترین اجزای سامانه‌های فتوولتائیک محسوب می‌شود که وظیفه تبدیل انرژی الکتریکی تولید شده توسط پنل‌های خورشیدی از جریان مستقیم (DC) به جریان متناوب (AC) را بر عهده دارد. از آنجا که اکثر تجهیزات الکتریکی و همچنین شبکه توزیع برق با جریان متناوب کار می‌کنند، عملکرد صحیح و بازده بالای اینورتر نقش بسیار مهمی در افزایش راندمان کلی سیستم خورشیدی ایفا می‌کند. در این شبیه‌سازی، نحوه تعیین بازده یک اینورتر خورشیدی تک‌مرحله‌ای مورد بررسی قرار می‌گیرد و روش‌های مختلف محاسبه راندمان و تلفات توان اجزای داخلی آن تشریح می‌شود.

معرفی اینورتر خورشیدی تک‌مرحله‌ای

در یک سیستم فتوولتائیک، انرژی تابشی خورشید ابتدا توسط پنل‌های خورشیدی به انرژی الکتریکی DC تبدیل می‌شود. این انرژی برای استفاده در تجهیزات متداول یا تزریق به شبکه برق باید به جریان AC تبدیل شود. این وظیفه بر عهده اینورتر قرار دارد. در این شبیه‌سازی از یک اینورتر تک‌مرحله‌ای استفاده شده است که مستقیماً ولتاژ DC تولید شده توسط پنل را به ولتاژ AC تبدیل می‌کند. این ساختار نسبت به بسیاری از معماری‌های چندمرحله‌ای دارای پیچیدگی کمتر، حجم کمتر و راندمان بالاتری است و در بسیاری از سامانه‌های خورشیدی کوچک و متوسط کاربرد فراوانی دارد.

هدف شبیه‌سازی

هدف اصلی این شبیه‌سازی تعیین بازده واقعی اینورتر خورشیدی در شرایط کاری مشخص است. برای این منظور عملکرد اینورتر طی یک سیکل کامل جریان متناوب مورد بررسی قرار می‌گیرد. با محاسبه توان ورودی DC، توان خروجی AC و همچنین تلفات ایجاد شده در قطعات نیمه‌هادی، می‌توان میزان راندمان سیستم را با دقت مناسبی ارزیابی کرد.

در این مدل، شرایط کاری به گونه‌ای انتخاب شده است که اینورتر در نقطه عملکرد بهینه پنل خورشیدی فعالیت کند. این موضوع باعث می‌شود نتایج حاصل از شبیه‌سازی بیانگر عملکرد واقعی سیستم در شرایط استاندارد تابش خورشیدی باشد.

شرایط عملکرد سیستم

برای انجام این شبیه‌سازی از مشخصات بهینه استخراج شده از مدل مشخصات پنل خورشیدی استفاده شده است. شدت تابش خورشیدی برابر با 1000 وات بر متر مربع در نظر گرفته شده که معادل شرایط استاندارد آزمون پنل‌های خورشیدی است. همچنین دمای پنل برابر با 20 درجه سانتی‌گراد فرض شده است.

در این شرایط، مقدار بهینه ولتاژ DC ورودی برابر با 342 ولت و مقدار جریان مؤثر خروجی AC برابر با 20.05 آمپر تعیین شده است. این مقادیر نشان‌دهنده نقطه عملکرد بیشینه توان پنل خورشیدی هستند که بیشترین انرژی ممکن را در اختیار اینورتر قرار می‌دهد.

روش شبیه‌سازی در Matlab و Simscape

مدل ارائه شده با استفاده از محیط Simscape در نرم‌افزار Matlab توسعه یافته است. Simscape امکان مدل‌سازی دقیق اجزای الکترونیک قدرت، تجهیزات الکتریکی و سامانه‌های انرژی را فراهم می‌کند. در این محیط می‌توان تمامی قطعات اینورتر شامل کلیدهای نیمه‌هادی، دیودها، سلف‌ها، منابع تغذیه و بار را با رفتار فیزیکی واقعی مدل‌سازی کرد.

در طول اجرای شبیه‌سازی، تمامی متغیرهای الکتریکی شامل ولتاژ، جریان، توان و انرژی توسط قابلیت Simscape Logging ثبت می‌شوند. این قابلیت امکان تحلیل دقیق عملکرد تک‌تک اجزای مدار را بدون نیاز به ایجاد بلوک‌های اندازه‌گیری اضافی فراهم می‌کند.

محاسبه بازده اینورتر

در این شبیه‌سازی راندمان اینورتر به دو روش مستقل محاسبه می‌شود تا صحت نتایج مورد بررسی قرار گیرد.

روش اول: مقایسه توان ورودی و خروجی

در این روش توان متوسط ورودی DC و توان متوسط خروجی AC طی یک سیکل کامل جریان متناوب اندازه‌گیری می‌شوند. سپس نسبت توان خروجی به توان ورودی به عنوان راندمان اینورتر محاسبه می‌شود. این روش ساده‌ترین و متداول‌ترین روش تعیین بازده سیستم‌های تبدیل انرژی است.

روش دوم: محاسبه تلفات اجزا

در روش دوم، تمامی تلفات ایجاد شده در اجزای داخلی اینورتر به صورت جداگانه محاسبه می‌شوند. این اطلاعات از داده‌های ثبت شده توسط Simscape Logging استخراج شده و با استفاده از ابزار محاسبه تلفات ee_getPowerLossSummary پردازش می‌شوند. مجموع تلفات تمامی قطعات از توان ورودی کسر شده و راندمان سیستم به دست می‌آید.

استفاده از دو روش مستقل باعث افزایش اطمینان نسبت به صحت نتایج حاصل از شبیه‌سازی می‌شود.

دلیل اختلاف جزئی بین دو روش

نتایج حاصل از دو روش کاملاً یکسان نیستند و اختلاف بسیار کوچکی میان آن‌ها مشاهده می‌شود. علت این اختلاف به روش عددی مورد استفاده برای انتگرال‌گیری بازمی‌گردد. در اسکریپت محاسباتی از روش انتگرال‌گیری ذوزنقه‌ای استفاده شده است، در حالی که حل‌کننده متغیرگام Simulink از الگوریتم‌های عددی دقیق‌تری بهره می‌برد. بنابراین اختلاف مشاهده شده بسیار ناچیز بوده و نشان‌دهنده خطای مدل نیست.

نتایج حاصل از شبیه‌سازی

نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که اینورتر خورشیدی عملکرد بسیار مناسبی دارد و قادر است بخش عمده انرژی دریافتی از پنل خورشیدی را به انرژی AC قابل استفاده تبدیل کند.

راندمان محاسبه شده اینورتر برابر است با:

Efficiency = 96.7355%

این مقدار نشان می‌دهد که بیش از 96 درصد توان ورودی با موفقیت به خروجی منتقل شده و تنها درصد کمی از انرژی به صورت تلفات حرارتی در قطعات مختلف از بین می‌رود.

تحلیل تلفات توان در اجزای مختلف

یکی از مهم‌ترین مزایای استفاده از Simscape Logging امکان بررسی دقیق میزان تلفات هر قطعه است. این اطلاعات به طراح اجازه می‌دهد قطعاتی که بیشترین اتلاف انرژی را ایجاد می‌کنند شناسایی کرده و برای کاهش تلفات تصمیمات مناسبی اتخاذ نماید.

بر اساس نتایج این شبیه‌سازی، بیشترین میزان اتلاف توان مربوط به ترانزیستورهای MOSFET است. این موضوع طبیعی است زیرا این قطعات مسئول کلیدزنی جریان‌های بالا با فرکانس زیاد هستند و تلفات هدایتی و کلیدزنی قابل توجهی ایجاد می‌کنند.

• MOS2 : 17.76 وات
• MOS4 : 16.77 وات
• MOS1 : 15.35 وات
• MOS3 : 14.14 وات
• Diode4 : 3.22 وات
• Diode2 : 2.83 وات
• Diode3 : 2.13 وات
• Diode1 : 1.72 وات
• CL : 0.40 وات

همان‌گونه که مشاهده می‌شود، چهار ترانزیستور MOSFET بیشترین سهم را در تلفات کل سیستم دارند. پس از آن دیودهای مدار قرار گرفته‌اند که سهم بسیار کمتری در اتلاف انرژی دارند. کمترین میزان تلفات نیز مربوط به عنصر CL است که تنها حدود 0.4 وات انرژی تلف می‌کند.

بررسی عملکرد MOSFETها

MOSFETها عناصر اصلی کلیدزنی اینورتر هستند و عملکرد آن‌ها تأثیر مستقیمی بر کیفیت ولتاژ خروجی، راندمان سیستم و میزان تولید حرارت دارد. در نمودارهای ثبت شده توسط Simscape جریان خروجی اینورتر و همچنین توان تلف شده در دو عدد از MOSFETها نمایش داده می‌شود. این اطلاعات امکان تحلیل رفتار دینامیکی کلیدها در طول سیکل کاری را فراهم کرده و برای طراحی سیستم‌های خنک‌کننده و انتخاب مناسب قطعات اهمیت فراوانی دارد.

مزایای استفاده از Simscape Logging

ثبت خودکار تمامی متغیرهای فیزیکی یکی از قابلیت‌های ارزشمند Simscape محسوب می‌شود. این قابلیت علاوه بر کاهش زمان تحلیل، امکان استخراج مستقیم توان، انرژی، ولتاژ، جریان و سایر پارامترهای عملکردی را فراهم می‌کند. همچنین مهندس طراح می‌تواند بدون افزودن سنسورهای اضافی، عملکرد هر قطعه را به صورت جداگانه بررسی کرده و منابع اصلی ایجاد تلفات را شناسایی نماید.

کاربردهای این شبیه‌سازی

این شبیه‌سازی می‌تواند در طراحی اینورترهای خورشیدی متصل به شبکه، سیستم‌های مستقل از شبکه، سامانه‌های ذخیره‌سازی انرژی، طراحی تجهیزات الکترونیک قدرت، انتخاب مناسب کلیدهای نیمه‌هادی، تحلیل حرارتی مدارهای قدرت و همچنین آموزش مباحث مرتبط با انرژی‌های تجدیدپذیر مورد استفاده قرار گیرد. علاوه بر این، امکان مقایسه انواع مختلف توپولوژی‌های اینورتر و بررسی تأثیر شرایط محیطی بر راندمان سیستم نیز از طریق توسعه این مدل امکان‌پذیر خواهد بود.

جمع‌بندی

این شبیه‌سازی نحوه تحلیل عملکرد یک اینورتر خورشیدی تک‌مرحله‌ای را در محیط Matlab و Simscape نشان می‌دهد. با تعیین شرایط کاری بهینه شامل تابش 1000 وات بر متر مربع، دمای 20 درجه سانتی‌گراد، ولتاژ DC برابر با 342 ولت و جریان AC برابر با 20.05 آمپر، عملکرد اینورتر طی یک سیکل کامل مورد ارزیابی قرار گرفته است. راندمان سیستم با دو روش مستقل شامل مقایسه توان ورودی و خروجی و همچنین محاسبه مجموع تلفات اجزا تعیین شده و مقدار حدود 96.74 درصد به دست آمده است. همچنین تحلیل تلفات نشان می‌دهد که بیشترین سهم اتلاف انرژی مربوط به MOSFETهای مدار بوده و دیودها و سایر اجزا سهم کمتری در کاهش راندمان دارند. استفاده از Simscape Logging امکان تحلیل دقیق رفتار هر قطعه را فراهم کرده و این مدل را به ابزاری مناسب برای طراحی، بهینه‌سازی و ارزیابی اینورترهای خورشیدی تبدیل می‌کند.