گرمای جهان و محدودیت منابع سوخت فسیلی نیاز به منابع انرژی تجدیدپذیر را افزایش داده است [1]-[3]. تابش خورشیدی بزرگترین منبع انرژی تجدیدپذیر است [4], [5] و تنها منبعی است که به کمک آن میتوان مصرف انرژی کنونی را تامین کرد.
مولدهای برق فتوولتائیک (PV) بدون استفاده از قطعات متحرک میتوانند انرژی تابشی خورشید را به طور مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل کنند. این مولدها را میتوان به دو دسته خودکفا و متصل به شبکه تقسیم کرد [6]. در سیستمهای خودکفا، ذخیره انرژی نقش بسیار مهمی در طراحی این سیستمها دارد. در سیستمهای متصل به شبکه، شبکه به عنوان یک منبع ذخیره انرژی عمل میکند که در آن مولد برق PV میتواند هر وقت که برق موجود باشد آن را به شبکه تزریق کند.
شبکههای الکتریکی دارای سطوح ولتاژ مشخص و معینی هستند. این سطوح ولتاژ بسیار بیشتر از بیشینه ولتاژ سلولهای PV سیلیکونی می باشند. به منظور ارتباط مولدهای برق PV با شبکه قدرت، سلولهای PV به صورت سری به هم متصل میشوند تا ماژولهای PV را شکل دهند. با این حال ولتاژ تنها یک ماژول PV هنوز خیلی کم است و نمیتوان آن را به عنوان یک مولد برق PV به شبکه قدرت متصل کرد. بنابراین، این مولدها به صورت اتصالات سری و موازی ماژولهای PV ساخته میشوند تا به یک سطح ولتاژ کافی رسیده و توان نامی مولد را افزایش دهند.
چنانچه مشخصات الکتریکی سلولهای PV مشابه نبوده و یا تحت شرایط غیریکنواخت عمل کنند، اتصال سری آنها مستعد تلفات عدم تطبیق توان خواهد بود. سلول PV ای که دارای کمترین جریان اتصال کوتاه (SC) است باعث محدودیت جریان کل اتصال سری میشود [7]. جریانهای اتصال کوتاه سلولهای PV میتوانند به علت دلایل فنی و یا محیطی تغییر کنند. دلایل فنی را میتوان طی ساخت ماژولهای PV و یا در مرحله طراحی این سیستمها کمینه کرد، اما اجتناب از دلایل محیطی دشوار است.
یکی از دلایل محیطی اصلی برای جریان اتصال کوتاههای غیر یکنواخت سایهدار شدن جزئی مولد برق PV به علت ابرها، درختان، ساختمانها و غیره است. تحت شرایط سایه جزئی، برای مثال، اگر یکی از سلولهای PV مولد که شامل سلولهای با اتصال موازی است سایهدار شود، جریانهای اتصال کوتاه سلولهایی که سایهدار نیستند بیشتر از جریان اتصال سلولهای سایهدار خواهد بود. لذا اگر جریان مولد برق PV بیش از جریان اتصال کوتاه سلول سایهدار باشد، سلول سایهدار به علت دیگر سلولهای موجود در اتصال سری، بصورت معکوس بایاس خواهد شود.در این مورد، سلول با بایاس معکوس به عنوان یک بار برای اتصال سری عمل خواهد کرد و بخشی از توان تولیدی دیگر سلولها را از مصرف کرده و منجر به تلفات توان میشود. این موضوع همچنین باعث حضور نقاط داغ در سلول سایهدار شده و به آن آسیب خواهد زد [8]. بدترین موقعیت وقتی اتفاق میافتد که اتصال سری، اتصال کوتاه شود. آنگاه، سلول سایهدار همه توان تولیدی توسط دیگر سلولهای موجود در اتصال سری را مصرف کرده و از بین خواهد برد.
به منظور پیشگیری از خسارت به سلولهای PV در نتیجه نقاط داغ، سازندگان ماژولهای PV دیودهای هرزگردی را در نظر گرفتهاند که بصورت غیر موازی (موازی اما در خلاف جهت) با سلولهای PV متصل میشوند [9]. در یک ماژول PV مرسوم طراحی شده برای کاربرد در مولدهای برق PV متصل به شبکه، حدوده 54 سلول PV سری در نظر گرفته شده است که از سه دیود هرزگرد نیز که هر کدام از آنها بصورت غیر موازی با 19 سلول PV قرار دارند، استفاده شده است. وقتی برخی از سلولهای PV مربوط به ماژول PV سایهدار قرار گیرند، به صورت بایاس معکوس در میآیند و دیود هرزگرد غیر موازی با آن شروع به کنارگذر کردن جریانی میشود که از جریان اتصال کوتاه سلولهای سایهدار فراتر رفتهاند و به این ترتیب اتلاف توان در سلولهای سایهدار محدود میشود.
تحت شرایط طبیعی وقتی بخشی از دیودهای هرزگرد شروع به هدایت میکنند، منحنی توان- ولتاژ (P-U) ماژول PV دارای چندین نقطه بیشینه میشود، مانند شکل 9، که در این شکل منحنی های P-U یک مولد برق PV دیده میشوند، این مولد موسوم است به مولد با زنجیرههای موازی که تحت شرایط سایه جزئی کار میکند. در این مورد، دریافت توان بیشینه از مولد برق PV سر راست نیست، چون یک نقطه بیشینه محلی (MPP) در ولتاژهای پایین و دیگری در ولتاژهای بالا وجود دارد. معمولا الگوریتمهای به کار رفته برای تعقیب بیشینه نقطه توان (MPPT) مبتنی بر روش صعود هستند [10]، [11]، که نقطه عملکردی را در نزدیکترین بیشینه منحنی P-U قرار میدهد. وقتی مولد تحت شرایط سایه جزئی کار میکند، این الگوریتمها قادر به تعقیب MPP با بیشترین توان، یعنی MPP جهانی، نیستند. در این مورد، علاوه بر عدم تطابق توان، به علت تعقیب نقطه MPP محلی با توان کم به جای تعقیب MPP جهانی، اتلافی صورت میگیرد. الگوریتمهای تعقیب MPP جهانی در صورتی که چندین نقطه بیشینه موجود باشد برای مثال در منابع [12] و [13] توسعه یافتهاند، اما این الگوریتمها پیچیده بوده و بیشتر آنها قادر به تعقیب MPP جهانی تحت همه شرایط غیر یکنواخت نیستند.
تاثیرات قابل توجه سایه جزئی روی مشخصات الکتریکی و انرژی مولدهای برق PV در پیکربندیهای مختلف مولدی توسط چند نویسنده گزارش شده است [14]-[25]. در بیشتر این مقالات، تمرکز روی توسعه مدل شبیهسازی برای ماژولهای PV با اتصال سری است و لذا، به منظور دادن ایده برای عملکرد مدل شبیهسازی و خود مولد برق PV در شرایط غیر یکنواخت، تنها تعداد کمی منحنی جریان- ولتاژ (I-U) یا منحنی P-U فراهم شده است. از آن طرف، در بیشتر مقالات، تمرکز روی مطالعه عملکرد یک الگوریتم MPPT یا یک دستگاه رابط صورت گرفته است. بنابراین، ما هنوز دانش کمی در رابطه با تاثیرات شرایط غیر یکنواخت روی پیکربندیهای مختلف مولدهای برق PV داریم.
در این مقاله، تلفات عدم تطابق و تلفات توان حاصل از تعقیب MPP محلی به جای MPP جهانی مورد مطالعه قرار گرفته است. یک زنجیره طولانی از 18 ماژول PV با اتصال سری و سه زنجیره کوتاه از 6 ماژول سری PV با اتصال موازی تحت شرایط مختلف سایه جزئی و به کمک مدل شبیهساز سیمولینک MATLAB مورد تحقیق و تفحص قرار میگیرد. عملکرد زنجیرههای کوتاه وقتی مطالعه میشود که به صورت موازی متصل شده باشند و نیز دارای ولتاژ یکسانی باشند و همچنین در حالتی بررسی میشود که آنها بصورت زنجیرههای مستقل و مجزا عمل میکنند. در شبیهسازیها، تعداد ماژولهای سایهدار و نیز قدرت سایه از 0 تا 100% تغییر یافته است.
معمولا، پیکربندی مولدهای برق PV براساس تجهیز رابط به کار رفته برای اتصال این مولدها به شبکه قدرت نامگذاری میشود [25]-[27]. در این مقاله، مولد با زنجیره بلند متناظر است با پیکربندی اینورتر زنجیرهای، مولد با زنجیره موازی متناظر است با پیکربندی اینورتر مرکزی و مولد چندزنجیرهای نیز متناظر است با پیکربندی اینورتری چند- زنجیره ای.