سیستم‌های فتوولتائیک متصل به شبکه یکی از مهم‌ترین فناوری‌های تولید انرژی الکتریکی تجدیدپذیر هستند که در سال‌های اخیر به‌ویژه در کاربردهای خانگی و نیروگاه‌های کوچک مقیاس توسعه زیادی پیدا کرده‌اند. یکی از روش‌های کاهش هزینه و افزایش بازده در این سیستم‌ها، استفاده از ساختارهای بدون ترانسفورماتور (Transformerless) است. در این ساختارها به دلیل حذف ترانسفورماتور فرکانس پایین، وزن، حجم و تلفات سیستم کاهش پیدا می‌کند. با این حال، طراحی صحیح مدار قدرت و سیستم کنترلی اهمیت بسیار زیادی دارد، زیرا موضوعاتی مانند جریان نشتی، کیفیت توان، هماهنگی با شبکه و استخراج بیشینه توان از پنل خورشیدی باید به دقت بررسی شوند.

در این شبیه سازی، عملکرد یک سیستم فتوولتائیک خانگی تک‌فاز بدون ترانسفورماتور با توان نامی 3500 وات بررسی می‌شود که به شبکه برق شهری متصل است. مدل ارائه شده در محیط Matlab و Simulink پیاده‌سازی شده و شامل آرایه خورشیدی، مبدل DC/AC تک‌فاز، سیستم کنترل اینورتر، شبکه برق، ترانسفورماتور توزیع و بار مصرفی خانگی است. هدف اصلی این شبیه سازی، بررسی نحوه عملکرد سیستم در شرایط مختلف تابش خورشید، کنترل نقطه توان بیشینه، تزریق توان به شبکه و تحلیل جریان نشتی ناشی از ظرفیت‌های پارازیتی پنل‌های خورشیدی است.

مدل‌سازی آرایه فتوولتائیک

بخش اصلی تولید انرژی در این سیستم، آرایه فتوولتائیک است که با استفاده از مدل‌های موجود در Simscape Electrical پیاده‌سازی شده است. این مدل امکان ساخت آرایه‌های خورشیدی متشکل از تعداد مشخصی ماژول سری و موازی را فراهم می‌کند. همچنین این بلوک قابلیت استفاده از ماژول‌های استاندارد موجود در پایگاه داده NREL System Advisor Model و یا تعریف ماژول خورشیدی توسط کاربر را دارد.

یکی از ویژگی‌های مهم مدل آرایه PV، امکان اعمال تغییرات لحظه‌ای در شرایط محیطی است. ورودی تابش خورشیدی با پارامتر Ir بر حسب وات بر متر مربع و دمای سلول خورشیدی با پارامتر T بر حسب درجه سانتی‌گراد به مدل اعمال می‌شوند. این قابلیت باعث می‌شود رفتار واقعی پنل خورشیدی در شرایط متغیر محیطی مانند تغییرات سریع شدت تابش یا افزایش دمای پنل بررسی شود.

در این شبیه سازی، آرایه خورشیدی شامل یک رشته متشکل از 14 ماژول خورشیدی Trina Solar TSM-250 است که به صورت سری به یکدیگر متصل شده‌اند. هر ماژول دارای توان نامی حدود 250 وات بوده و در شرایط استاندارد آزمایشگاهی شامل دمای 25 درجه سانتی‌گراد و تابش 1000 وات بر متر مربع، این رشته قادر است حدود 3500 وات توان الکتریکی تولید کند.

برای مدل‌سازی رفتار واقعی سیستم، دو خازن کوچک در ترمینال مثبت و منفی آرایه PV قرار داده شده‌اند. این خازن‌ها نشان‌دهنده ظرفیت پارازیتی بین ماژول‌های خورشیدی و زمین هستند. وجود این ظرفیت‌ها در سیستم‌های بدون ترانسفورماتور اهمیت زیادی دارد، زیرا تغییرات سریع ولتاژ ناشی از کلیدزنی اینورتر می‌تواند باعث ایجاد جریان نشتی به زمین شود.

مبدل DC/AC تک‌فاز

برای تبدیل توان DC تولید شده توسط آرایه خورشیدی به توان AC قابل تزریق به شبکه، از یک اینورتر تک‌فاز تمام پل مبتنی بر IGBT استفاده شده است. این ساختار که با نام H-Bridge شناخته می‌شود، یکی از توپولوژی‌های رایج در سیستم‌های فتوولتائیک متصل به شبکه است.

کلیدهای قدرت IGBT توسط سیگنال‌های PWM کنترل می‌شوند تا ولتاژ DC ورودی به یک ولتاژ AC با دامنه و فرکانس مناسب تبدیل شود. خروجی اینورتر پس از عبور از فیلتر شبکه به شبکه برق متصل می‌شود. در این مدل از فیلتر LCL استفاده شده است. ساختار LCL شامل سلف‌ها و خازن‌هایی است که وظیفه کاهش هارمونیک‌های ناشی از کلیدزنی و بهبود کیفیت توان تزریقی به شبکه را بر عهده دارند.

در این شبیه سازی، سلف‌های فیلتر به صورت متقارن بین مسیر خط و مسیر نول تقسیم شده‌اند. این نوع طراحی علاوه بر کاهش اعوجاج جریان، نقش مهمی در کاهش جریان نشتی سیستم‌های فتوولتائیک بدون ترانسفورماتور دارد.

سیستم کنترل اینورتر

کنترل دقیق اینورتر یکی از مهم‌ترین بخش‌های سیستم فتوولتائیک متصل به شبکه است. سیستم کنترل استفاده شده در این شبیه سازی شامل پنج زیرسیستم اصلی در محیط Simulink است که هرکدام وظیفه مشخصی در عملکرد صحیح سیستم دارند.

کنترل‌کننده MPPT

اولین بخش کنترلی، الگوریتم ردیابی نقطه توان بیشینه یا Maximum Power Point Tracking است. در این مدل از روش Perturb and Observe استفاده شده است. این روش با ایجاد تغییرات کوچک در ولتاژ کاری آرایه خورشیدی، نقطه‌ای را پیدا می‌کند که توان خروجی پنل بیشترین مقدار ممکن را دارد.

کنترل‌کننده MPPT به صورت خودکار مقدار مرجع ولتاژ لینک DC را تغییر می‌دهد تا اینورتر بتواند بیشترین توان قابل استخراج از رشته PV را دریافت کند. این عملکرد باعث افزایش راندمان سیستم در شرایط مختلف تابش خورشیدی می‌شود.

تنظیم‌کننده ولتاژ DC

وظیفه کنترل‌کننده ولتاژ DC، تعیین جریان اکتیو مرجع Id برای کنترل‌کننده جریان است. این بخش باعث می‌شود ولتاژ لینک DC در مقدار مطلوب باقی بماند و توان تولید شده از پنل خورشیدی به شکل مناسب به شبکه منتقل شود.

کنترل‌کننده جریان

کنترل‌کننده جریان بر اساس مقادیر مرجع Id و Iq، ولتاژهای مورد نیاز برای کنترل کلیدهای اینورتر را محاسبه می‌کند. در این شبیه سازی مقدار جریان راکتیو Iq برابر صفر تنظیم شده است، بنابراین سیستم فقط توان اکتیو تولید شده توسط پنل خورشیدی را به شبکه تزریق می‌کند.

PLL و اندازه‌گیری‌ها

برای اتصال هماهنگ اینورتر با شبکه برق، از سیستم قفل فاز یا PLL استفاده شده است. این بخش وظیفه تشخیص زاویه فاز ولتاژ شبکه را بر عهده دارد تا جریان خروجی اینورتر با ولتاژ شبکه هم‌فاز باشد. همچنین اندازه‌گیری‌های ولتاژ و جریان مورد نیاز سیستم کنترل توسط این بخش انجام می‌شود.

مولد PWM

برای تولید سیگنال‌های تحریک IGBTها از مدولاسیون PWM دو قطبی استفاده شده است. فرکانس حامل PWM در این مدل برابر 3780 هرتز در نظر گرفته شده که برابر با حاصل‌ضرب 63 در فرکانس شبکه 60 هرتز است. انتخاب صحیح روش PWM تأثیر مستقیمی بر کیفیت توان، تلفات کلیدزنی و جریان نشتی سیستم دارد.

مدل شبکه برق و بار مصرفی

شبکه برق در این شبیه سازی شامل یک منبع AC ایده‌آل با ولتاژ 14.4 کیلوولت RMS و یک ترانسفورماتور توزیع پایه‌دار است. سیم‌پیچ ثانویه ترانسفورماتور دارای ولتاژ 240 ولت بوده و نقطه نول مرکزی آن از طریق یک مقاومت کوچک به زمین متصل شده است.

بار مصرفی خانگی در مدل برابر 10 کیلووات توان اکتیو و 4 کیلووار توان راکتیو در ولتاژ 240 ولت در نظر گرفته شده است. این بار به صورت مساوی بین دو مسیر 120 ولتی شبکه تقسیم شده است تا شرایط واقعی یک سیستم برق خانگی تک‌فاز شبیه‌سازی شود.

نتایج شبیه سازی سیستم فتوولتائیک

پس از اجرای شبیه سازی، سیگنال‌های مختلف سیستم مانند ولتاژ DC، توان تولیدی آرایه PV، جریان تزریقی به شبکه و جریان نشتی قابل مشاهده هستند. در شرایط اولیه، شدت تابش خورشیدی برابر 250 وات بر متر مربع و دمای پنل 25 درجه سانتی‌گراد تنظیم شده است.

پس از رسیدن سیستم به حالت پایدار در حدود زمان 0.25 ثانیه، مقدار متوسط ولتاژ DC برابر 424.5 ولت و توان استخراج شده از آرایه خورشیدی حدود 856 وات به دست می‌آید. این مقادیر نشان‌دهنده عملکرد صحیح الگوریتم MPPT و توانایی سیستم کنترل در استخراج انرژی از پنل خورشیدی است.

در زمان 0.4 ثانیه، شدت تابش خورشیدی به صورت سریع از 250 وات بر متر مربع به 750 وات بر متر مربع افزایش داده می‌شود. در این شرایط، کنترل‌کننده MPPT با تغییر مقدار مرجع ولتاژ DC، نقطه کاری سیستم را اصلاح می‌کند. مقدار ولتاژ مرجع DC به حدود 434.2 ولت افزایش یافته و توان استخراج شده از آرایه PV به حدود 2624 وات می‌رسد.

برای بررسی صحت عملکرد، می‌توان منحنی‌های جریان-ولتاژ (I-V) و توان-ولتاژ (P-V) رشته خورشیدی را بر اساس مشخصات سازنده رسم کرد. این منحنی‌ها نشان می‌دهند که نقطه کاری سیستم در نزدیکی نقطه توان بیشینه قرار دارد.

بررسی جریان نشتی در سیستم بدون ترانسفورماتور

یکی از چالش‌های اصلی سیستم‌های فتوولتائیک بدون ترانسفورماتور، جریان نشتی ناشی از ظرفیت خازنی بین پنل‌ها و زمین است. در این شبیه سازی مشاهده می‌شود که با استفاده از روش PWM دو قطبی و ساختار مناسب فیلتر، جریان قابل توجهی از مسیر ظرفیت‌های پارازیتی عبور نمی‌کند.

برای بررسی اهمیت روش مدولاسیون، می‌توان روش PWM را از حالت دو قطبی به تک‌قطبی تغییر داد و شبیه سازی را مجدداً اجرا کرد. در این حالت مشاهده می‌شود که جریان نشتی سیستم افزایش قابل توجهی پیدا می‌کند. این نتیجه اهمیت انتخاب توپولوژی مناسب اینورتر و روش کنترل کلیدزنی را در سیستم‌های PV بدون ترانسفورماتور نشان می‌دهد.

جمع‌بندی

این شبیه سازی یک سیستم کامل فتوولتائیک خانگی متصل به شبکه را بررسی می‌کند که شامل آرایه خورشیدی، اینورتر تک‌فاز بدون ترانسفورماتور، کنترل MPPT، سیستم هماهنگ‌سازی با شبکه و مدل بار مصرفی است. نتایج نشان می‌دهد که الگوریتم MPPT قادر است در شرایط مختلف تابش خورشیدی، بیشترین توان ممکن را از پنل‌ها استخراج کند.

همچنین بررسی جریان نشتی نشان می‌دهد که طراحی مناسب مدار قدرت و انتخاب روش P

WM مناسب نقش مهمی در افزایش ایمنی و کاهش مشکلات سیستم‌های فتوولتائیک بدون ترانسفورماتور دارد. این مدل می‌تواند به عنوان یک نمونه کاربردی برای تحلیل، طراحی و توسعه سیستم‌های انرژی خورشیدی متصل به شبکه در محیط Matlab و Simulink مورد استفاده قرار گیرد.