انرژی خورشیدی به عنوان یکی از مهم‌ترین منابع انرژی تجدیدپذیر، نقش قابل توجهی در توسعه شبکه‌های برق مدرن ایفا می‌کند. اتصال سیستم‌های فتوولتائیک (Photovoltaic) به شبکه قدرت، نیازمند طراحی دقیق تجهیزات الکترونیک قدرت، کنترل‌کننده‌ها و الگوریتم‌های ردیابی نقطه بیشینه توان (MPPT) است. در این شبیه سازی، یک مدل دقیق از یک آرایه خورشیدی 100 کیلوواتی که از طریق مبدل DC-DC افزاینده و مبدل منبع ولتاژ سه‌فاز سه‌سطحی به شبکه 25 کیلوولت متصل شده است، بررسی می‌شود.

این مدل با استفاده از محیط Matlab و Simulink طراحی شده و تمامی اجزای اصلی یک نیروگاه خورشیدی متصل به شبکه شامل آرایه PV، مبدل بوست، مبدل VSC، سیستم کنترل MPPT، فیلتر هارمونیکی، ترانسفورماتور کوپلینگ و مدل شبکه قدرت را در نظر می‌گیرد. هدف اصلی این شبیه سازی، بررسی عملکرد سیستم در شرایط مختلف تابش خورشیدی و دما و همچنین ارزیابی توانایی کنترل‌کننده‌ها در استخراج بیشترین توان ممکن از پنل‌های خورشیدی است.

ساختار کلی سیستم فتوولتائیک متصل به شبکه

در این سیستم، آرایه خورشیدی با توان نامی 100 کیلووات انرژی الکتریکی تولید می‌کند. خروجی DC این آرایه ابتدا وارد یک مبدل DC-DC افزاینده می‌شود. وظیفه اصلی این مبدل، افزایش سطح ولتاژ خروجی پنل‌ها و تنظیم نقطه کاری آن‌ها برای دستیابی به بیشترین توان تولیدی است. پس از افزایش ولتاژ، انرژی DC وارد لینک DC شده و سپس توسط یک مبدل منبع ولتاژ سه‌فاز سه‌سطحی (Three-Level Three-Phase Voltage Source Converter) به جریان AC تبدیل می‌شود تا امکان تزریق توان به شبکه برق فراهم شود.

شبکه مورد استفاده در این مدل شامل یک فیدر توزیع 25 کیلوولت و یک سیستم انتقال معادل 120 کیلوولت است که شرایط واقعی اتصال نیروگاه خورشیدی به شبکه قدرت را شبیه سازی می‌کند. همچنین برای کاهش هارمونیک‌های ناشی از کلیدزنی مبدل VSC، یک بانک خازنی 10 کیلووار در خروجی مبدل قرار داده شده است.

مدل آرایه خورشیدی 100 کیلوواتی

آرایه فتوولتائیک استفاده شده در این شبیه سازی از 330 ماژول خورشیدی SunPower مدل SPR-305E-WHT-D تشکیل شده است. این آرایه شامل 66 رشته موازی است که در هر رشته 5 ماژول به صورت سری قرار گرفته‌اند. بنابراین توان کل آرایه برابر است با:

66 × 5 × 305.2 = 100.7 kW

مشخصات الکتریکی هر ماژول خورشیدی شامل 96 سلول سری، ولتاژ مدار باز 64.2 ولت، جریان اتصال کوتاه 5.96 آمپر، ولتاژ نقطه بیشینه توان 54.7 ولت و جریان نقطه بیشینه توان 5.58 آمپر است. این مشخصات در مدل PV Array در Matlab وارد شده و امکان استخراج منحنی‌های جریان-ولتاژ (I-V) و توان-ولتاژ (P-V) برای یک ماژول و کل آرایه فراهم شده است.

یکی از ویژگی‌های مهم بلوک PV Array در Matlab، امکان تغییر شرایط محیطی شامل میزان تابش خورشید و دمای سلول‌ها است. در این شبیه سازی، ورودی تابش خورشیدی بر حسب وات بر متر مربع و دمای پنل بر حسب درجه سانتی‌گراد توسط بلوک Signal Builder تغییر داده می‌شود تا رفتار واقعی آرایه در شرایط متغیر محیطی بررسی شود.

مبدل DC-DC Boost و الگوریتم MPPT

برای افزایش ولتاژ خروجی آرایه خورشیدی از یک مبدل DC-DC Boost استفاده شده است. ولتاژ طبیعی آرایه در نقطه بیشینه توان حدود 273 ولت DC است که توسط این مبدل به ولتاژ لینک DC برابر 500 ولت افزایش داده می‌شود.

کلیدزنی مبدل بوست با فرکانس 5 کیلوهرتز انجام می‌شود و سیکل کاری آن توسط الگوریتم MPPT کنترل می‌شود. در این مدل، روش Incremental Conductance به همراه کنترل‌کننده انتگرالی برای ردیابی نقطه بیشینه توان استفاده شده است. این روش با بررسی تغییرات جریان و ولتاژ پنل، نقطه کاری مناسب را تعیین کرده و سیکل کاری مبدل را به گونه‌ای تنظیم می‌کند که بیشترین توان از آرایه خورشیدی استخراج شود.

مزیت روش Incremental Conductance نسبت به برخی روش‌های ساده‌تر مانند Perturb and Observe، عملکرد بهتر در شرایط تغییر سریع تابش خورشیدی است. در این شبیه سازی نیز توانایی الگوریتم MPPT در دنبال کردن نقطه بیشینه توان هنگام کاهش و افزایش سریع تابش بررسی می‌شود.

مبدل سه‌سطحی VSC و سیستم کنترل اتصال به شبکه

مبدل VSC سه‌فاز سه‌سطحی با فرکانس کلیدزنی 1980 هرتز وظیفه تبدیل ولتاژ DC لینک 500 ولت به ولتاژ AC مناسب برای اتصال به شبکه را بر عهده دارد. این مبدل علاوه بر تبدیل انرژی، وظیفه کنترل توان اکتیو و راکتیو تزریقی به شبکه را نیز انجام می‌دهد.

سیستم کنترل VSC شامل دو حلقه اصلی است. حلقه خارجی وظیفه تنظیم ولتاژ لینک DC را بر عهده دارد و مقدار مرجع جریان اکتیو شبکه (Id) را تولید می‌کند. حلقه داخلی جریان‌های شبکه را کنترل کرده و مولفه‌های Id و Iq را تنظیم می‌کند. برای دستیابی به ضریب توان واحد، مقدار جریان راکتیو مرجع (Iq) برابر صفر قرار داده شده است.

خروجی کنترل‌کننده جریان شامل ولتاژهای Vd و Vq است که پس از تبدیل به سیستم سه‌فاز، سیگنال‌های مدولاسیون Uabc_ref را برای تولید پالس‌های PWM فراهم می‌کنند. زمان نمونه‌برداری کنترل‌کننده‌های ولتاژ و جریان و واحد هماهنگ‌کننده PLL برابر 100 میکروثانیه و زمان نمونه‌برداری پالس‌سازهای مبدل برابر 1 میکروثانیه انتخاب شده است تا دقت مناسبی در تولید موج PWM حاصل شود.

ترانسفورماتور و اتصال به شبکه قدرت

برای اتصال خروجی مبدل به شبکه فشار متوسط، از یک ترانسفورماتور سه‌فاز 100 کیلوولت‌آمپر با نسبت تبدیل 260 ولت به 25 کیلوولت استفاده شده است. این ترانسفورماتور سطح ولتاژ تولیدی مبدل را با سطح ولتاژ شبکه توزیع هماهنگ می‌کند.

مدل شبکه شامل شبکه توزیع 25 کیلوولت و یک شبکه انتقال معادل 120 کیلوولت است که امکان بررسی رفتار دینامیکی سیستم فتوولتائیک در شرایط نزدیک به شبکه واقعی را فراهم می‌کند.

نتایج شبیه سازی سیستم

در شروع شبیه سازی، شرایط استاندارد تست شامل دمای 25 درجه سانتی‌گراد و تابش 1000 وات بر متر مربع اعمال می‌شود. در بازه زمانی صفر تا 0.05 ثانیه، پالس‌های کنترلی مبدل Boost و VSC غیرفعال هستند. در این حالت ولتاژ آرایه خورشیدی برابر ولتاژ مدار باز بوده و مقدار آن حدود 321 ولت است.

پس از زمان 0.05 ثانیه، مبدل‌ها فعال شده و کنترل ولتاژ لینک DC روی مقدار 500 ولت آغاز می‌شود. در ابتدا سیکل کاری مبدل بوست برابر 0.5 در نظر گرفته شده و سیستم به حالت پایدار نزدیک می‌شود.

در زمان 0.25 ثانیه، سیستم به حالت پایدار رسیده و توان خروجی آرایه حدود 96 کیلووات است. همچنین ولتاژ و جریان فاز A در سمت شبکه هم‌فاز هستند که نشان‌دهنده عملکرد مناسب کنترل ضریب توان واحد است.

در زمان 0.4 ثانیه الگوریتم MPPT فعال می‌شود. کنترل‌کننده با تغییر سیکل کاری مبدل، ولتاژ آرایه خورشیدی را تنظیم کرده و توان خروجی را به مقدار بیشینه نزدیک می‌کند. در این شرایط توان تولیدی به حدود 100.4 کیلووات می‌رسد و سیکل کاری مبدل برابر 0.454 می‌شود.

در ادامه، تابش خورشیدی از 1000 وات بر متر مربع به 250 وات بر متر مربع کاهش داده می‌شود. کنترل‌کننده MPPT همچنان قادر است نقطه بیشینه توان را دنبال کند. در این شرایط توان خروجی آرایه به حدود 24.3 کیلووات کاهش می‌یابد، اما سیستم همچنان در نقطه کاری بهینه فعالیت می‌کند.

پس از بازگشت تابش خورشیدی به مقدار اولیه، دمای پنل‌ها از 25 درجه به 50 درجه سانتی‌گراد افزایش داده می‌شود. نتایج نشان می‌دهد افزایش دما باعث کاهش توان خروجی آرایه شده و توان تولیدی از حدود 100.7 کیلووات به حدود 93 کیلووات کاهش پیدا می‌کند.

اهمیت شبیه سازی سیستم‌های PV متصل به شبکه در Matlab

شبیه سازی سیستم‌های فتوولتائیک متصل به شبکه در Matlab امکان بررسی دقیق رفتار دینامیکی تجهیزات مختلف، طراحی کنترل‌کننده‌ها و ارزیابی عملکرد سیستم در شرایط واقعی را فراهم می‌کند. استفاده از مدل‌های دقیق مانند این نمونه، به مهندسان اجازه می‌دهد قبل از پیاده‌سازی عملی، عملکرد مبدل‌ها، الگوریتم‌های MPPT و تعامل نیروگاه خورشیدی با شبکه را تحلیل کنند.

این مدل همچنین یک ابزار آموزشی و تحقیقاتی مناسب برای بررسی مفاهیم مهمی مانند ردیابی نقطه بیشینه توان، کنترل جریان شبکه، هماهنگی PLL، کنترل مبدل‌های قدرت و تاثیر شرایط محیطی بر عملکرد پنل‌های خورشیدی محسوب می‌شود.

در مجموع، شبیه سازی آرایه فتوولتائیک 100 کیلوواتی متصل به شبکه در Matlab یک نمونه کامل از کاربرد Simulink و Simscape Electrical در طراحی و تحلیل نیروگاه‌های خورشیدی مدرن است و می‌تواند به عنوان پایه‌ای برای توسعه سیستم‌های بزرگ‌تر تولید انرژی تجدیدپذیر مورد استفاده قرار گیرد.