با افزایش استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر، اتصال نیروگاه‌های خورشیدی فتوولتائیک (PV) به شبکه‌های توزیع برق به یکی از موضوعات مهم در مهندسی قدرت تبدیل شده است. بررسی عملکرد این سیستم‌ها پیش از پیاده‌سازی عملی، نیازمند استفاده از ابزارهای شبیه‌سازی دقیق است تا رفتار تجهیزات الکترونیک قدرت، کنترل‌کننده‌ها و تأثیرات متقابل نیروگاه با شبکه بررسی شود. در این شبیه‌سازی، یک نیروگاه خورشیدی 2 مگاواتی که به یک سیستم توزیع 25 کیلوولت متصل شده است، مدل‌سازی و تحلیل می‌شود.

هدف اصلی این مدل، بررسی نحوه تولید توان توسط آرایه‌های خورشیدی، عملکرد مبدل‌های افزاینده DC-DC، الگوریتم ردیابی نقطه بیشینه توان (MPPT)، کنترل مبدل سه‌سطحی NPC و نحوه تبادل توان اکتیو و راکتیو بین نیروگاه خورشیدی و شبکه برق است. این شبیه‌سازی یک نمونه کاربردی از اتصال منابع تولید پراکنده به شبکه‌های توزیع را ارائه می‌دهد و می‌تواند برای مطالعه رفتار دینامیکی نیروگاه‌های فتوولتائیک مورد استفاده قرار گیرد.

ساختار نیروگاه خورشیدی 2 مگاواتی

مدل نیروگاه خورشیدی شامل دو آرایه فتوولتائیک مستقل است که هرکدام دارای توان تولیدی مشخصی هستند. آرایه اول قادر است در شرایط تابش خورشیدی 1000 وات بر مترمربع و دمای سلول 25 درجه سانتی‌گراد، توان 1.5 مگاوات تولید کند. آرایه دوم نیز در همین شرایط توانایی تولید 500 کیلووات توان الکتریکی را دارد. در مجموع، این دو آرایه توان نامی 2 مگاوات را برای نیروگاه فراهم می‌کنند.

هر یک از آرایه‌های خورشیدی به یک مبدل افزاینده (Boost Converter) مستقل متصل شده است. استفاده از مبدل‌های جداگانه برای هر آرایه باعث می‌شود کنترل توان تولیدی هر بخش به صورت مستقل انجام شود و امکان استخراج بیشترین انرژی موجود از هر آرایه تحت شرایط مختلف محیطی فراهم گردد.

شبیه‌سازی سیستم MPPT برای استخراج بیشترین توان خورشیدی

یکی از مهم‌ترین بخش‌های نیروگاه‌های خورشیدی، سیستم ردیابی نقطه بیشینه توان یا Maximum Power Point Tracking است. از آنجا که توان تولیدی پنل‌های خورشیدی با تغییرات تابش خورشید و دمای سلول تغییر می‌کند، نقطه کاری پنل باید به صورت لحظه‌ای تنظیم شود تا بیشترین توان ممکن از آرایه خورشیدی دریافت شود.

در این مدل از روش Perturb and Observe برای پیاده‌سازی الگوریتم MPPT استفاده شده است. در این روش، کنترل‌کننده با ایجاد تغییرات کوچک در ولتاژ کاری پنل خورشیدی و بررسی تغییرات توان خروجی، نقطه‌ای را پیدا می‌کند که توان تولیدی در آن بیشترین مقدار ممکن است. این روش به دلیل ساختار ساده و عملکرد مناسب، یکی از متداول‌ترین الگوریتم‌ها در سیستم‌های فتوولتائیک محسوب می‌شود.

کنترل‌کننده MPPT با تغییر ولتاژ دو سر آرایه خورشیدی، نقطه عملکرد آن را تنظیم می‌کند تا مبدل Boost بتواند بیشترین توان موجود را از پنل دریافت کند. این فرآیند در هر دو آرایه خورشیدی به صورت مستقل انجام می‌شود.

مبدل‌های Boost و باس DC مشترک

خروجی هر دو مبدل افزاینده به یک باس DC مشترک متصل می‌شود. ولتاژ این باس برابر با 1000 ولت تنظیم شده است. مبدل‌های Boost وظیفه دارند ولتاژ متغیر تولید شده توسط پنل‌های خورشیدی را افزایش داده و شرایط مناسب برای اتصال به مبدل DC-AC را فراهم کنند.

وجود یک باس DC پایدار اهمیت زیادی در عملکرد نیروگاه دارد، زیرا مبدل سه‌سطحی متصل به شبکه برای تولید ولتاژ AC مناسب، نیازمند یک منبع DC با مقدار ثابت است. هرگونه تغییر شدید در ولتاژ لینک DC می‌تواند باعث کاهش کیفیت توان، ایجاد نوسانات جریان و اختلال در عملکرد کنترل‌کننده شبکه شود.

مبدل سه‌سطحی NPC و اتصال به شبکه

برای تبدیل توان DC تولیدشده توسط آرایه‌های خورشیدی به توان AC قابل استفاده در شبکه، از یک مبدل سه‌سطحی NPC استفاده شده است. این مبدل وظیفه تبدیل ولتاژ 1000 ولت DC به ولتاژ AC حدود 500 ولت را بر عهده دارد.

مبدل‌های سه‌سطحی NPC در کاربردهای توان بالا مانند نیروگاه‌های خورشیدی بزرگ، مزایای قابل توجهی دارند. این مبدل‌ها با کاهش هارمونیک‌های ولتاژ خروجی، کاهش تنش روی کلیدهای قدرت و بهبود کیفیت توان، عملکرد مناسبی در سیستم‌های اتصال به شبکه ارائه می‌دهند.

کنترل‌کننده مبدل NPC دارای یک تنظیم‌کننده ولتاژ DC است که وظیفه آن ثابت نگه داشتن ولتاژ لینک DC در مقدار 1000 ولت است. این کنترل‌کننده تلاش می‌کند حتی در شرایطی که توان اکتیو تولیدی آرایه‌های خورشیدی تغییر می‌کند، مقدار ولتاژ DC را در محدوده مطلوب حفظ کند.

کنترل توان راکتیو و پشتیبانی شبکه

علاوه بر کنترل توان اکتیو، سیستم دارای یک کنترل‌کننده توان راکتیو نیز است. این کنترل‌کننده امکان تولید یا جذب توان راکتیو تا مقدار 1 مگاوار را فراهم می‌کند. قابلیت کنترل توان راکتیو یکی از ویژگی‌های مهم نیروگاه‌های خورشیدی متصل به شبکه است، زیرا این نیروگاه‌ها می‌توانند علاوه بر تولید انرژی، در بهبود شرایط ولتاژ شبکه نیز نقش داشته باشند.

با استفاده از این قابلیت، مبدل می‌تواند در شرایط مختلف شبکه، توان راکتیو مورد نیاز را تأمین کرده یا توان راکتیو اضافی را جذب کند. این موضوع به افزایش پایداری شبکه‌های توزیع که دارای منابع تولید پراکنده هستند کمک می‌کند.

ترانسفورماتور اتصال به شبکه و مدل سیستم قدرت

برای اتصال خروجی مبدل به شبکه توزیع، از یک ترانسفورماتور سه‌فاز با ظرفیت 2.25 مگاولت‌آمپر استفاده شده است. این ترانسفورماتور ولتاژ 500 ولت خروجی مبدل را به سطح 25 کیلوولت افزایش می‌دهد تا امکان اتصال نیروگاه به شبکه توزیع فراهم شود.

مدل شبکه شامل فیدرهای توزیع معمولی 25 کیلوولت و یک سیستم انتقال معادل 120 کیلوولت است. این ساختار امکان بررسی رفتار نیروگاه خورشیدی در شرایط واقعی‌تر شبکه قدرت را فراهم می‌کند و اثرات متقابل بین نیروگاه و شبکه را نشان می‌دهد.

بررسی سناریوهای مختلف در شبیه‌سازی

در بخش Scenario & Scopes امکان اعمال چهار نوع اغتشاش و تغییر شرایط کاری وجود دارد. این سناریوها برای بررسی عملکرد دینامیکی سیستم طراحی شده‌اند.

اولین سناریو تغییر میزان تابش خورشیدی است. با تغییر تابش، توان تولیدی پنل‌های خورشیدی تغییر کرده و عملکرد الگوریتم MPPT و کنترل‌کننده‌های سیستم بررسی می‌شود.

سناریوی دوم شامل تغییر مرجع ولتاژ لینک DC است. این آزمایش نشان می‌دهد که کنترل‌کننده مبدل چگونه می‌تواند ولتاژ باس DC را در مقدار مطلوب حفظ کند.

سناریوی سوم تغییر مقدار مرجع توان راکتیو است. در این حالت، توانایی مبدل در تولید یا جذب توان راکتیو مورد ارزیابی قرار می‌گیرد.

چهارمین سناریو اعمال خطا در سیستم قدرت است. این بررسی برای مطالعه رفتار نیروگاه هنگام وقوع خطاهای شبکه و ارزیابی قابلیت تحمل شرایط غیرعادی انجام می‌شود.

بررسی تأثیر دمای سلول‌های خورشیدی

در این شبیه‌سازی امکان تغییر دمای سلول‌های فتوولتائیک نیز وجود دارد. کاربر می‌تواند مدل را با دمای سلول 25 درجه سانتی‌گراد یا 45 درجه سانتی‌گراد اجرا کند و اثر افزایش دما بر توان تولیدی نیروگاه را بررسی نماید.

افزایش دمای سلول‌های خورشیدی معمولاً باعث کاهش ولتاژ خروجی پنل و کاهش توان تولیدی می‌شود. بررسی این اثر در محیط شبیه‌سازی Matlab به مهندسان اجازه می‌دهد عملکرد سیستم را در شرایط محیطی مختلف قبل از اجرای عملی تحلیل کنند.

روش‌های مختلف مدل‌سازی تجهیزات الکترونیک قدرت

در این شبیه‌سازی برای تجهیزات الکترونیک قدرت امکان استفاده از روش‌های مختلف مدل‌سازی وجود دارد. مدل اولیه با استفاده از روش کلیدزنی (Switching Device Modeling) طراحی شده است که رفتار دقیق کلیدهای قدرت را نمایش می‌دهد.

همچنین یک نسخه دیگر از شبیه‌سازی با استفاده از مدل متوسط برای مبدل‌های Boost و مدل تابع کلیدزنی برای مبدل NPC ارائه شده است. این روش باعث افزایش سرعت اجرای شبیه‌سازی می‌شود، در حالی که نتایج به دست آمده تقریباً مشابه مدل دقیق کلیدزنی است.

استفاده از مدل‌های متوسط در مطالعات سیستم‌های قدرت بزرگ بسیار کاربردی است، زیرا امکان اجرای شبیه‌سازی‌های طولانی‌مدت با زمان نمونه‌برداری بزرگ‌تر را فراهم می‌کند و هزینه محاسباتی کاهش می‌یابد.

جمع‌بندی شبیه‌سازی نیروگاه خورشیدی متصل به شبکه

در این شبیه‌سازی، یک نیروگاه خورشیدی 2 مگاواتی شامل آرایه‌های PV، مبدل‌های Boost، الگوریتم MPPT، مبدل سه‌سطحی NPC، کنترل توان اکتیو و راکتیو و ترانسفورماتور اتصال به شبکه مدل‌سازی شده است. این مدل یک نمونه کامل برای مطالعه عملکرد نیروگاه‌های فتوولتائیک متصل به شبکه توزیع محسوب می‌شود.

نتایج این شبیه‌سازی می‌تواند برای تحلیل رفتار نیروگاه در شرایط مختلف تابش، تغییرات بار، تغییرات توان راکتیو و خطاهای شبکه مورد استفاده قرار گیرد. استفاده از Matlab و ابزارهای شبیه‌سازی سیستم‌های قدرت، امکان طراحی، آزمایش و بهینه‌سازی کنترل‌کننده‌ها را پیش از اجرای واقعی سیستم فراهم می‌کند.