سیستم‌های فتوولتائیک متصل به شبکه یکی از مهم‌ترین کاربردهای انرژی‌های تجدیدپذیر در شبکه‌های قدرت مدرن محسوب می‌شوند. برای بررسی عملکرد این سیستم‌ها، استفاده از مدل‌های شبیه سازی دقیق در محیط Matlab و Simulink امکان تحلیل رفتار دینامیکی، کنترل توان، عملکرد مبدل‌ها و تعامل نیروگاه خورشیدی با شبکه برق را فراهم می‌کند.

در این شبیه سازی، یک آرایه خورشیدی با توان نامی 100 کیلووات به یک شبکه سه‌فاز 25 کیلوولت متصل شده است. اتصال این آرایه فتوولتائیک به شبکه از طریق یک مبدل DC-DC افزاینده (Boost Converter) و یک مبدل منبع ولتاژ سه‌فاز سه‌سطحی (Three-Level Voltage Source Converter) انجام می‌شود. هدف اصلی این مدل، بررسی عملکرد یک سیستم PV متصل به شبکه با استفاده از مدل میانگین مبدل‌های قدرت و ارزیابی عملکرد الگوریتم ردیابی نقطه بیشینه توان (MPPT) است.

معرفی ساختار سیستم فتوولتائیک متصل به شبکه

در این مدل، آرایه فتوولتائیک توان الکتریکی تولید شده را در سطح DC ارائه می‌دهد. خروجی DC این آرایه ابتدا وارد یک مبدل Boost می‌شود. وظیفه این مبدل افزایش سطح ولتاژ DC و همچنین اجرای الگوریتم MPPT برای استخراج بیشترین توان ممکن از پنل‌های خورشیدی است.

پس از افزایش ولتاژ DC، توان تولیدی توسط یک مبدل منبع ولتاژ سه‌فاز سه‌سطحی به جریان متناوب تبدیل شده و پس از عبور از یک ترانسفورماتور کوپلاژ سه‌فاز 100 کیلوولت‌آمپر با نسبت تبدیل 260 ولت به 25 کیلوولت، به شبکه قدرت تزریق می‌شود.

اجزای اصلی سیستم شبیه سازی شده شامل موارد زیر هستند:

• آرایه فتوولتائیک با توان خروجی حداکثر 100 کیلووات در تابش خورشیدی 1000 وات بر مترمربع
• مبدل DC-DC افزاینده برای کنترل نقطه کاری پنل خورشیدی
• مبدل سه‌فاز سه‌سطحی VSC برای اتصال به شبکه
• ترانسفورماتور سه‌فاز کوپلاژ 100 کیلوولت‌آمپر، 260 ولت به 25 کیلوولت
• شبکه قدرت سه‌فاز Utility Grid

مدل میانگین مبدل‌های قدرت در Matlab

یکی از ویژگی‌های مهم این شبیه سازی، استفاده از مدل میانگین برای مبدل‌های الکترونیک قدرت است. در مدل‌های جزئی و دقیق، کلیدهای قدرت مانند IGBT یا MOSFET به صورت واقعی مدل شده و اثرات کلیدزنی، هارمونیک‌ها و فرکانس سوئیچینگ در نظر گرفته می‌شوند. اگرچه این روش دقت بالایی دارد، اما به دلیل نیاز به گام زمانی بسیار کوچک، زمان شبیه سازی افزایش پیدا می‌کند.

در مدل میانگین، مبدل Boost و مبدل VSC به صورت منابع ولتاژ معادل مدل می‌شوند که مقدار متوسط ولتاژ خروجی را در یک سیکل کلیدزنی تولید می‌کنند. بنابراین اثرات هارمونیکی ناشی از کلیدزنی در این مدل وجود ندارد، اما دینامیک سیستم کنترل، رفتار توان و تعامل میان سیستم فتوولتائیک و شبکه حفظ می‌شود.

مزیت اصلی این روش، افزایش سرعت اجرای شبیه سازی است. در این مدل می‌توان از گام زمانی بزرگ‌تری استفاده کرد. به عنوان نمونه، مدل میانگین با گام زمانی حدود 50 میکروثانیه اجرا می‌شود، در حالی که مدل دقیق نیازمند گام زمانی حدود 1 میکروثانیه است. این تفاوت باعث می‌شود تحلیل سیستم‌های بزرگ و مطالعات کنترلی با سرعت بسیار بیشتری انجام شود.

پیاده‌سازی الگوریتم MPPT در سیستم خورشیدی

برای استخراج بیشترین توان از آرایه خورشیدی، الگوریتم ردیابی نقطه بیشینه توان یا MPPT استفاده شده است. در این مدل، الگوریتم MPPT بر اساس روش Perturb and Observe پیاده سازی شده است.

روش Perturb and Observe یکی از متداول‌ترین تکنیک‌های MPPT در سیستم‌های فتوولتائیک است. اساس عملکرد این روش، ایجاد یک تغییر کوچک در ولتاژ یا ضریب کاری مبدل و بررسی تغییرات توان خروجی است. اگر تغییر ایجاد شده باعث افزایش توان شود، الگوریتم در همان جهت ادامه حرکت می‌دهد و اگر توان کاهش یابد، جهت تغییر را معکوس می‌کند.

کنترل‌کننده MPPT در قالب یک بلوک MATLAB Function در محیط Simulink پیاده سازی شده است و با تغییر Duty Cycle مبدل Boost، ولتاژ کاری پنل خورشیدی را به نقطه‌ای هدایت می‌کند که بیشترین توان قابل استخراج باشد.

مشخصات آرایه فتوولتائیک 100 کیلوواتی

آرایه خورشیدی استفاده شده در این شبیه سازی شامل 66 رشته موازی است که هر رشته شامل 5 ماژول سری شده است. توان هر ماژول برابر با 305.2 وات بوده و مجموع توان نامی آرایه برابر است با:

66 × 5 × 305.2 = 100.7 kW

مشخصات الکتریکی هر ماژول خورشیدی به صورت زیر تعریف شده است:

• تعداد سلول‌های سری شده: 96 سلول
• ولتاژ مدار باز: 64.2 ولت
• جریان اتصال کوتاه: 5.96 آمپر
• ولتاژ نقطه بیشینه توان: 54.7 ولت
• جریان نقطه بیشینه توان: 5.58 آمپر

بلوک آرایه PV دارای دو ورودی اصلی برای تغییر شرایط محیطی است. ورودی اول شدت تابش خورشیدی بر حسب وات بر مترمربع و ورودی دوم دمای پنل بر حسب درجه سانتی‌گراد را مشخص می‌کند. این تغییرات توسط بلوک Signal Builder ایجاد شده و به مدل خورشیدی اعمال می‌شوند.

نتایج شبیه سازی سیستم فتوولتائیک متصل به شبکه

در شروع شبیه سازی، شرایط استاندارد آزمایشگاهی برای پنل خورشیدی در نظر گرفته شده است. دمای پنل برابر 25 درجه سانتی‌گراد و شدت تابش خورشیدی برابر 1000 وات بر مترمربع است.

در بازه زمانی صفر تا 0.3 ثانیه، الگوریتم MPPT فعال نیست و ضریب کاری مبدل Boost برابر 0.5 تنظیم شده است. در این شرایط، ولتاژ آرایه خورشیدی برابر 250 ولت خواهد بود و توان خروجی حدود 96 کیلووات به دست می‌آید. این مقدار کمی کمتر از توان نامی 100.7 کیلووات است زیرا نقطه کاری پنل دقیقا در نقطه بیشینه توان قرار ندارد.

در لحظه 0.3 ثانیه، کنترل‌کننده MPPT فعال شده و با تغییر Duty Cycle مبدل، ولتاژ پنل خورشیدی تنظیم می‌شود. پس از چند لحظه، سیستم به نقطه بیشینه توان منتقل شده و توان خروجی به مقدار 100.7 کیلووات می‌رسد. در این حالت مقدار Duty Cycle حدود 0.453 است.

در فاصله زمانی 0.3 تا 0.5 ثانیه، شرایط تابش ثابت باقی می‌ماند و کنترل‌کننده MPPT توان را در مقدار بیشینه حفظ می‌کند. ولتاژ پنل در حدود 273.5 ولت قرار می‌گیرد که مطابق رابطه زیر به دست می‌آید:

Vpv = Nseries × Vmp = 5 × 54.7 = 273.5 V

از 0.5 تا 1 ثانیه، شدت تابش خورشیدی از 1000 وات بر مترمربع به 250 وات بر مترمربع کاهش داده می‌شود. در این مرحله مشخص می‌شود که الگوریتم Perturb and Observe در شرایط تغییر سریع تابش، نمی‌تواند همیشه نقطه بیشینه توان را به صورت کامل دنبال کند.

پس از ثابت شدن تابش در مقدار 250 وات بر مترمربع، کنترل‌کننده دوباره نقطه کاری مناسب را پیدا کرده و توان خروجی حدود 24.4 کیلووات با ولتاژ 265 ولت حاصل می‌شود.

بررسی تأثیر دما بر عملکرد پنل خورشیدی

در بخش پایانی شبیه سازی، تابش خورشیدی دوباره به مقدار 1000 وات بر مترمربع بازگردانده شده و دمای پنل بین 50 درجه سانتی‌گراد و صفر درجه سانتی‌گراد تغییر می‌کند.

نتایج نشان می‌دهد که کاهش دمای پنل باعث افزایش توان خروجی آرایه خورشیدی می‌شود. بیشترین توان تولیدی در دمای صفر درجه سانتی‌گراد مشاهده شده و مقدار آن حدود 107.5 کیلووات است. این نتیجه مطابق رفتار فیزیکی سلول‌های خورشیدی است، زیرا کاهش دما باعث افزایش ولتاژ مدار و بهبود توان تولیدی می‌شود.

مقایسه مدل میانگین و مدل دقیق مبدل‌ها

در یک مدل دقیق، مبدل DC-DC و VSC با استفاده از کلیدهای قدرت واقعی شبیه سازی می‌شوند و امکان بررسی هارمونیک‌ها و رفتار سوئیچینگ وجود دارد. اما در مدل میانگین، هدف اصلی بررسی عملکرد کنترل‌کننده‌ها، انتقال توان و تعامل سیستم با شبکه است.

بنابراین مدل میانگین برای مطالعاتی مانند طراحی کنترل‌کننده، بررسی پایداری شبکه، تحلیل دینامیکی نیروگاه خورشیدی و مطالعات سیستم قدرت گزینه بسیار مناسبی محسوب می‌شود. در مقابل، برای تحلیل کیفیت توان، تلفات کلیدزنی و هارمونیک‌ها باید از مدل‌های دقیق استفاده کرد.

جمع‌بندی شبیه سازی

در این شبیه سازی، عملکرد یک نیروگاه خورشیدی 100 کیلوواتی متصل به شبکه 25 کیلوولت در محیط Matlab و Simulink بررسی شد. استفاده از مدل میانگین مبدل‌های قدرت امکان اجرای سریع شبیه سازی را فراهم کرده و در عین حال رفتار دینامیکی سیستم کنترل و شبکه را حفظ می‌کند.

نتایج نشان داد که الگوریتم MPPT مبتنی بر روش Perturb and Observe قادر است نقطه بیشینه توان آرایه خورشیدی را در شرایط پایدار به خوبی دنبال کند. همچنین تغییرات تابش خورشیدی و دما تأثیر مستقیم بر توان تولیدی سیستم فتوولتائیک دارند.

این مدل می‌تواند به عنوان یک ساختار مناسب برای مطالعه نیروگاه‌های خورشیدی متصل به شبکه، طراحی سیستم‌های کنترل توان و تحلیل عملکرد مبدل‌های الکترونیک قدرت در پروژه‌های مهندسی برق مورد استفاده قرار گیرد.