سیستم‌های تولید انرژی خورشیدی متصل به شبکه یکی از مهم‌ترین فناوری‌ها در حوزه انرژی‌های تجدیدپذیر محسوب می‌شوند. افزایش استفاده از منابع خورشیدی باعث شده است که طراحی، تحلیل و ارزیابی عملکرد این سیستم‌ها پیش از پیاده‌سازی عملی اهمیت زیادی پیدا کند. نرم‌افزار Matlab و محیط Simulink با فراهم کردن ابزارهای تخصصی در حوزه الکترونیک قدرت و سیستم‌های انرژی، امکان شبیه سازی دقیق نیروگاه‌های خورشیدی متصل به شبکه را فراهم می‌کنند.

در این شبیه سازی، یک آرایه فتوولتائیک با توان نامی 250 کیلووات مدل‌سازی شده است که از طریق یک مبدل سه‌فاز به شبکه توزیع 25 کیلوولت متصل می‌شود. هدف اصلی این مدل، بررسی رفتار آرایه خورشیدی، عملکرد مبدل DC/AC، الگوریتم ردیابی نقطه توان بیشینه (MPPT)، کنترل جریان تزریقی به شبکه و نحوه تعامل سیستم فتوولتائیک با شبکه قدرت است.

ساختار کلی سیستم فتوولتائیک 250 کیلووات

مدل شبیه سازی شده شامل چند بخش اصلی است که هر کدام نقش مهمی در عملکرد کلی سیستم دارند. این بخش‌ها شامل آرایه PV، مبدل سه‌فاز DC/AC، سیستم کنترل اینورتر و مدل شبکه قدرت هستند. ارتباط صحیح بین این قسمت‌ها باعث می‌شود توان تولیدی پنل‌های خورشیدی با کیفیت مناسب و هماهنگ با مشخصات شبکه به مصرف‌کننده منتقل شود.

مدل آرایه فتوولتائیک (PV Array)

آرایه خورشیدی استفاده شده در این شبیه سازی شامل 86 رشته موازی است. هر رشته شامل 7 ماژول خورشیدی SunPower SPR-415E بوده که به صورت سری به یکدیگر متصل شده‌اند. اتصال سری ماژول‌ها باعث افزایش سطح ولتاژ خروجی و اتصال موازی رشته‌ها باعث افزایش جریان قابل تولید توسط آرایه می‌شود.

مدل فتوولتائیک در Matlab امکان بررسی مشخصه‌های جریان-ولتاژ (I-V) و توان-ولتاژ (P-V) را برای یک ماژول منفرد یا کل آرایه فراهم می‌کند. این ویژگی اهمیت زیادی در تحلیل عملکرد پنل‌های خورشیدی دارد، زیرا نقطه کاری سیستم باید همواره در نقطه‌ای قرار گیرد که بیشترین توان از پنل دریافت شود.

مشخصه‌های I-V و P-V به شدت تحت تأثیر شرایط محیطی مانند میزان تابش خورشید و دمای سلول خورشیدی قرار دارند. افزایش تابش خورشید معمولاً باعث افزایش توان خروجی می‌شود، در حالی که افزایش دما می‌تواند موجب کاهش ولتاژ خروجی پنل شود. به همین دلیل، استفاده از کنترل‌کننده MPPT در سیستم‌های فتوولتائیک ضروری است.

مبدل سه‌فاز DC/AC

برای اتصال خروجی DC آرایه خورشیدی به شبکه AC، از یک مبدل سه‌فاز استفاده شده است. این مبدل بر پایه پل IGBT سه‌سطحی طراحی شده و توسط سیگنال‌های PWM کنترل می‌شود. استفاده از توپولوژی سه‌سطحی باعث کاهش هارمونیک‌های خروجی و بهبود کیفیت توان تزریقی به شبکه می‌شود.

کلیدهای IGBT موجود در مبدل وظیفه تبدیل ولتاژ مستقیم تولیدشده توسط آرایه PV به ولتاژ متناوب سه‌فاز را بر عهده دارند. سیگنال‌های کنترلی این کلیدها توسط واحد تولید PWM ایجاد می‌شوند تا ولتاژ خروجی اینورتر مطابق نیاز شبکه تنظیم شود.

در خروجی اینورتر، یک سلف مقاومتی RL و یک فیلتر خازنی کوچک C قرار گرفته است. این اجزا برای کاهش هارمونیک‌های ناشی از عملکرد کلیدهای قدرت و افزایش کیفیت جریان تزریقی به شبکه استفاده می‌شوند. پس از فیلتر، یک ترانسفورماتور سه‌فاز با ظرفیت 250 کیلوولت‌آمپر و نسبت تبدیل 250 ولت به 25 کیلوولت، انرژی تولیدی را برای اتصال به شبکه توزیع آماده می‌کند.

سیستم کنترل اینورتر

کنترل‌کننده این سیستم در محیط Simulink طراحی شده و شامل پنج زیرسیستم اصلی است که عملکرد هماهنگ مبدل را تضمین می‌کنند. این کنترل‌کننده‌ها نقش مهمی در استخراج بیشترین توان از پنل خورشیدی و انتقال پایدار انرژی به شبکه دارند.

کنترل‌کننده MPPT

کنترل‌کننده ردیابی نقطه توان بیشینه یا Maximum Power Point Tracking یکی از مهم‌ترین بخش‌های سیستم خورشیدی است. در این شبیه سازی از روش Perturb and Observe استفاده شده است. این روش با ایجاد تغییرات کوچک در ولتاژ مرجع و بررسی تغییرات توان خروجی، نقطه‌ای را پیدا می‌کند که توان استخراج‌شده از آرایه PV بیشینه باشد.

کنترل‌کننده MPPT به صورت خودکار مقدار مرجع ولتاژ DC لینک را تغییر می‌دهد تا آرایه خورشیدی همیشه در شرایط بهینه کار کند. این موضوع باعث افزایش راندمان سیستم و جلوگیری از اتلاف انرژی تولیدشده توسط پنل‌ها می‌شود.

تنظیم‌کننده ولتاژ DC

وظیفه کنترل‌کننده VDC Regulator تعیین مقدار جریان فعال مرجع یا Id است. این جریان مشخص می‌کند چه مقدار توان اکتیو باید از سمت DC به شبکه منتقل شود. با تنظیم صحیح ولتاژ لینک DC، مبدل می‌تواند توان تولیدی آرایه خورشیدی را با پایداری مناسب منتقل کند.

کنترل‌کننده جریان

کنترل‌کننده جریان با استفاده از مقادیر مرجع Id و Iq، ولتاژهای مورد نیاز برای کنترل اینورتر را تعیین می‌کند. در این شبیه سازی مقدار جریان راکتیو مرجع Iq برابر صفر در نظر گرفته شده است، بنابراین سیستم تنها توان اکتیو تولیدشده توسط آرایه خورشیدی را به شبکه تزریق می‌کند.

واحد PLL و اندازه‌گیری

برای اتصال صحیح اینورتر به شبکه، نیاز به هماهنگی دقیق فاز و فرکانس وجود دارد. واحد PLL یا Phase Locked Loop وظیفه استخراج زاویه فاز شبکه را بر عهده دارد. همچنین این بخش برای اندازه‌گیری ولتاژها و جریان‌های سیستم مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مولد PWM

واحد PWM وظیفه تولید پالس‌های کنترلی برای کلیدهای IGBT را دارد. این سیگنال‌ها بر اساس ولتاژهای مرجع تولید شده توسط کنترل‌کننده جریان ایجاد می‌شوند. در این مدل، فرکانس حامل PWM برابر 1980 هرتز در نظر گرفته شده است که برابر با حاصل‌ضرب 33 در فرکانس شبکه 60 هرتز است.

مدل شبکه قدرت

شبکه قدرت در این شبیه سازی مشابه یک شبکه توزیع معمولی آمریکای شمالی مدل شده است. این شبکه شامل دو فیدر 25 کیلوولت، بارهای مختلف، ترانسفورماتور زمین‌کننده و یک سیستم انتقال معادل 120 کیلوولت است.

مدل‌سازی دقیق شبکه باعث می‌شود اثرات اتصال نیروگاه خورشیدی به شبکه واقعی‌تر بررسی شود. عواملی مانند تغییرات توان، هماهنگی ولتاژ، جریان تزریقی و رفتار دینامیکی سیستم در این محیط قابل تحلیل هستند.

نتایج شبیه سازی سیستم

در شرایط اولیه، تابش خورشیدی ورودی به آرایه PV برابر 1000 وات بر متر مربع و دمای کاری برابر 45 درجه سانتی‌گراد تنظیم شده است. پس از گذشت حدود 0.15 ثانیه، سیستم به حالت پایدار می‌رسد. در این شرایط، ولتاژ متوسط DC آرایه برابر 481 ولت و توان استخراج‌شده از پنل‌ها حدود 236 کیلووات به دست می‌آید.

مقادیر به دست آمده در شبیه سازی تطابق بسیار خوبی با مشخصات اعلام‌شده توسط سازنده ماژول خورشیدی دارند. این موضوع نشان‌دهنده صحت مدل فتوولتائیک و عملکرد مناسب کنترل‌کننده MPPT است.

در زمان 0.3 ثانیه، میزان تابش خورشیدی به صورت سریع از 1000 وات بر متر مربع به 200 وات بر متر مربع کاهش داده می‌شود. کاهش تابش باعث کاهش توان قابل تولید توسط آرایه PV می‌شود. کنترل‌کننده MPPT این تغییر را تشخیص داده و مقدار مرجع ولتاژ DC را کاهش می‌دهد تا سیستم همچنان در نقطه توان بیشینه جدید کار کند.

پس از کاهش تابش، ولتاژ مرجع DC به حدود 464 ولت تغییر می‌کند و توان استخراج‌شده از آرایه خورشیدی به حدود 46 کیلووات می‌رسد. این رفتار نشان می‌دهد که الگوریتم MPPT توانایی دنبال کردن شرایط جدید کاری پنل‌ها را دارد و می‌تواند حداکثر انرژی ممکن را از سیستم دریافت کند.

جمع‌بندی

شبیه سازی آرایه فتوولتائیک 250 کیلووات متصل به شبکه در Matlab یک نمونه کاربردی برای بررسی عملکرد نیروگاه‌های خورشیدی مدرن است. این مدل تمامی بخش‌های اصلی یک سیستم واقعی شامل پنل خورشیدی، مبدل قدرت، کنترل MPPT، کنترل جریان، سیستم PLL و شبکه توزیع را در نظر می‌گیرد.

نتایج نشان می‌دهد که استفاده از کنترل‌کننده‌های مناسب می‌تواند باعث استخراج بیشترین توان از پنل‌های خورشیدی و انتقال پایدار انرژی به شبکه شود. چنین شبیه سازی‌هایی نقش مهمی در طراحی، بهینه‌سازی و ارزیابی نیروگاه‌های فتوولتائیک پیش از اجرای عملی پروژه‌های بزرگ انرژی خورشیدی دارند.