شبیه ساز دقیق و جدید فتوولتاییک (PV) بر اساس مدل هفت پارامتری

تقاضا برای انرژی الکتریکی روز به روز در حال افزایش است و جهان بیشتر در مورد قیمت بالای نفت، کمبود سوخت های فسیلی، گرمایش جهانی و خسارات زیست محیطی نگران است. امروزه مشارکت منابع انرژی تجدید پذیر و سبز در تولید انرژی الکتریکی ضروری است. در میان منابع انرژی تجدید پذیر، انرژی خورشیدی امید بخش ترین انرژی است و سیستم های فتوولتائیک (PV) دقیق ترین روش برای تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی را ارائه می دهند. علی رغم تناوبی بودن نور خورشید، به دلیل منافع بلند مدت، کمک های سخاوتمندانه در طرح های تعرفه ای و طرح های دیگری که برای تشویق استفاده از منابع انرژی تجدید پذیر (RES) توسط دولت ارائه شده است، سیستم های PV زیادی در کشورهای مختلف جهان توسعه یافته اند. ظرفیت تجمعی ایجاد شدۀ PV در جهان در سال 2009 برابر با GW 23 بود [1].

در سال 2011، بیش از  GW69 تاسیسات تولید برق PV در سرتاسر جهان ایجاد شده است که می توانند TWh 85 در سال برق تولید کنند [1]. در میان تمام منابع انرژی تجدید پذیر، نرخ رشد توان حاصل از PV غیر قابل قیاس است و در سال 2011 تقریبا به 70% رسیده است [1]. ورود زیاد توان PV به شبکۀ برق اثرات مضری روی سیستم توان الکتریکی خواهد داشت. برای بررسی این اثرات و طراحی مبدل های الکترونیک قدرت و کنترل کننده های MPPT، مدل کارآمد و دقیقی برای PV مورد نیاز است.

خروجی PV به شدت غیر خطی است و نمایش آن با منبع ولتاژ/جریان ثابت یا کنترل شده صحیح نیست. چندین مدل الکتریکی برای PV در مراجع [2-7] پیشنهاد شده و توسعه یافته است. برخی از این مدل ها به طور مبهم توصیف شده اند و برخی از آنها نیز برای بررسی های سادۀ سیستم قدرت بیش از حد پیچیده هستند. ساده ترین مدل، مقیاس گذاری دما و تابش نقطۀ حداکثر توان می باشد که مستلزم ضرایب MPP  دما و شدت تابش است و عملکرد PV را فقط در یک نقطه پیش بینی می کند [2].

در [3,4] روشی برای انتقال منحنی I-V از یک شرایط محیطی به شرایط محیطی دیگر ارائه شده است. روش درونیابی دوخطیِ ارائه شده نیازمند چهار منحنی I-V می باشد که به طور عملی تعیین شده باشند، دو منحنی در تابش های مختلف آفتاب و دو منحنی در دماهای مختلف [4]. این مدل ها کاملا پیچیده هستند و به داده های بسیار زیادی نیاز دارند که معمولا توسط تولید کنندگان ارائه نمی شوند. کارآمدترین و عملی ترین مدل برای PV در آزمایشگاه ساندیا  توسعه یافته است [5].

این مدل سه ورودی دارد که عبارتند از دما، شدت تابش و سرعت باد و ولتاژ و جریان PV را در پنج نقطۀ اصلی روی منحنی I-V محاسبه می کند. این مدل همچنین نیازمنده سی ضریبی است که به طور عملی تعیین شده باشند تا بتواند رفتار هر پانل PV را شبیه سازی کند [5]. مقادیر این ضرایب برای تعداد زیادی از پانل های تجاری PV موجود می باشند [6].

به علت پیچیدگی این مدل ها، بررسی های موردی سیستم قدرت از قبیل جریان بار، ردیابی نقطۀ حداکثر توان  ، و تطبیق فرکانس بار دشوار است و نیاز به زمان محاسباتی بسیار زیادی دارد. مشخصات الکتریکی PV را می توان از طریق نمایش آن با مدار الکتریکی معادل، مدلسازی کرد [7]. این مدل به دلیل ماهیت مدار الکتریکی آن دارای مزیت هایی نسبت به مدل های دیگر است و رفتار PV را می توان به آسانی استنتاج و بررسی کرد. این مدل برای مطالعه و بررسی پویا و گذرای مبدل های الکترونیک قدرت بسیار مناسب است.

علاوه بر این، مدل مبتنی بر مدار الکتریکی PV به دسته های مدل ایده آل دیود، مدل چهار پارامتری، مدل پنج پارامتری و مدل دو دیودی طبقه بندی شده است. این مدل ها از نظر دقت و پیاده سازی با یکدیگر تفاوت دارند. ساده ترین مدل در میان آنها، مدل دیود ایده آل است که شامل یک دیود و منبع جریان وابسته به شدت تابش می باشد [8,9]. عملکرد این مدل ایده آل به وسیلۀ مقاومت سری بهتر شده است و به طور کلی با نام مدل چهار پارامتری شناخته می شود [10,11]. پیاده سازی این مدل آسان است و نتایج قابل قبولی ارائه می دهد.

با این وجود، عملکرد آن در دماهای بالا و شدت تابش کم [12] و نیز برای پانل های PV مبتنی بر فناوری فیلم نازک خوب نیست [13]. برای فائق آمدن بر این نقاط ضعف، مدل مداری بهبود یافته ای با اضافه کردن مقاومت شنت ایجاد شده است که عموما با نام مدل پنج پارامتری شناخته می شود [13-15]. مقایسۀ مدل های چهار و پنج پارامتری برای پانل PV مونو کریستال  در [16] انجام شده است و نشان داده شده است که مدل پنج پارامتری در برآورد جریان و توان عملیاتی در شرایط مختلف جوی کارآمدتر است.

بعضی از محققین برای بهبود بیشتر راندمان مدل مبتنی بر مدار، از مدل دو دیودی استفاده کرده اند [12,17]. با اضافه کردن یک دیود دیگر، غیر خطی بودن و تعداد پارامترهایی که در طول شبیه سازی باید محاسبه شود افزایش می یابد و سبب خواهد شد که مدل از نظر محاسباتی ناکارآمد باشد. شایستگی مدل دو دیودی نسبت به مدل های چهار و پنج پارامتری در [12] نشان داده شده است. برای کارآمد کردن مدل از نظر محاسباتی، مقادیر بعضی از پارامترها ثابت فرض شده است که عملکرد آن را در حالتی که سایۀ جزئی وجود دارد، بدتر می کند. همانطور که در [18] آورده شده است، مدل پنج پارامتری مصالحۀ خوبی بین دقت و سادگی دارد.

اخیرا مدل هفت پارامتری در [19] پیشنهاد شده است که در آن با اضافه کردن دو پارامتر اضافی و بدون در نظر گرفتن راندمان محاسباتی اش، راندمان مدل پنج پارامتری بهبود بیشتری پیدا کرده است. نگارندگان با اضافه کردن دو ثابت نمایی، معادلات انتقالی را تغییر داده اند و نشان داده شده است که دقت مدل بالا رفته است و آن را مدل هفت پارامتری نام گذاری کرده اند.

برای تولید دقیق مشخصات خروجیِ پانل PV یا آرایۀ بزرگ PV در شرایط عملیاتی مختلف از جمله شرایط تابش غیر یکنواخت، نیاز به شبیه ساز دقیق و کلی PV وجود دارد. این شبیه ساز باید بتواند همراه با مبدل های الکترونیک قدرت و کنترل کننده های MPPT برای طراحی و کنترل آنها عمل کند. بر اساس مدل های PV  مختلفی که در بالا  توضیخ داده شد،  شبیه ساز های  PV  متعددی  در این مقاله  ارائه  شده است [15, 20-24]. بسیاری از آنها در فایل اسکریپت MATLAB تهیه شده و با استفاده از بلوک تابع S در سیمولینک پیاده سازی شده اند و برخی از آنها فقط می توانند یک پانل PV را شبیه سازی کنند. علاوه بر این، تعداد بسیار کمی از آنها عملکرد خود را تحت شرایط سایه جزئی، نشان داده اند [23,24].

در این مقاله با استفاده از مدل PV هفت پارامتری خیلی دقیقی، یک شبیه ساز کلی PV پیشنهاد شده و توسعه یافته است. تا جایی که نگارندگان اطلاع دارند، این شبیه ساز برای اولین بار پیشنهاد شده است. این شبیه ساز فقط با استفاده از بلوک های سیمولینک به کار گرفته شده است و همانند مدل مدار الکتریکی PV متعارف می باشد و سبب تسهیل شناخت کل سیستم قدرت PV توسط مهندسین طراح و محققین خواهد شد.

شبیه ساز پیشنهادی نیز مشابه بلوک های سیمولینک به صورت بلوک ماسک دار پیاده سازی شده است و به کاربر اعلان می دهد تا خواص آرایۀ PV را با تامل و دقت وارد نماید. کارائی شبیه ساز پیشنهادی تحت شرایط عملیاتی مختلف از جمله شرایط سخت سایۀ جزئی بررسی شده است. قدرت شبیه ساز پیشنهادی همراه با مبدل DC-DC و کنترل کنندۀ MPPT تحلیل و بررسی شده است. پیش بینی می شود که شبیه ساز توسعه یافته بتواند برای مهندسین طراح PV در مطالعه و بررسی شبیه سازی قبل از هرگونه وارسی تجربی و آزمایشی بسیار مفید باشد. علاوه بر این، مدلسازی الکتریکی دقیق پانل PV و آرایۀ PV نیز بحث و بررسی شده است.

مابقی این مقاله بدین صورت است. در بخش 2، مدلسازی الکتریکی PV بحث و بررسی شده است که شامل مدلسازی جامع پانل PV و آرایۀ  PV می باشد. پیاده سازی متلب/سیمولینک این مدل در بخش 3 ارائه شده است. در ادامه، نتایج و بحث و بررسی در بخش 4 و نتیجه گیری در بخش 5 بیان شده است.