ساختارهای کنترل پیچیده برای عملکرد سیستم های انرژی الکتریکی فتوولتائیک مورد نیاز است. در این نوشته  مروری کلی بر کنترل کننده های مورد استفاده برای سیستم های فتوولتائیک ارائه شده است. این نوشته بر اساس جدیدترین مقالات ارائه شده در این خصوص است. معماری‌های کنترلی در نظر گرفته شده، سیستم‌های ترکیبی پیچیده‌ای هستند که تکنیک‌های کلاسیک و مدرن، مانند هوش مصنوعی و مدل‌های آماری را ترکیب می‌کنند. سهم اصلی این نوشته سنتز یک ساختار کنترل تعمیم یافته و شناسایی آخرین روش ها است. یافته‌های اصلی در توسعه کنترل‌کننده‌های قوی‌تر برای عملکرد با بهبود بازده، کیفیت توان، پایداری، ایمنی و اقتصادی خلاصه می‌شود.

1. مقدمه

انرژی خورشیدی یک منبع انرژی تجدید پذیر است. این یک راه حل انرژی جذاب به دلیل منبع تامین تمام نشدنی آن است و از نظر خصوصیت غیر آلاینده است. مقدار کل انرژی خورشیدی برخوردی روی زمین بسیار بیشتر از نیازهای انرژی فعلی و پیش بینی شده جهان است. انرژی خورشیدی این پتانسیل را دارد که تمام نیازهای انرژی آینده را برآورده کند اگر به درستی از آن استفاده شود. در طول عملیات خود گازهای گلخانه ای یا عناصر سمی منتشر نمی کند. استفاده از آن به کاهش وابستگی به سوخت های فسیلی کمک می کند و به کاهش اثرات زیست محیطی کمک می کند. با توجه به تمام مزایای آن، انتظار می رود که در قرن بیست و یکم انرژی خورشیدی به مهم ترین منبع تجدیدپذیر در طول انتقال انرژی به سمت توسعه پایدار تبدیل شود. این دلایل توجیه می کند که چرا انرژی خورشیدی کانون توجه چنین تحقیقاتی است.

کنترل سیستم های فتوولتائیک خورشیدی (PV) اخیرا توجه زیادی را به خود جلب کرده است. در طول چند سال گذشته، بسیاری از اهداف کنترل و کنترل کننده ها در مقالات گزارش شده است. دو هدف اصلی را می توان شناسایی کرد. اولین مورد، به دست آوردن حداکثر توان PV موجود با کنترل ردیابی نقطه حداکثر توان (MPPT) و هدف دوم، استفاده از توان PV (کاربرد) است. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، توان را می توان از پانل های PV بدست آورد و سپس برای تامین نیاز بار یا تزریق به شبکه برق  تبدیل کرد. با توجه به کاربرد، سیستم های PV را می توان در دو دسته طبقه بندی کرد: i) سیستم های جزیره ای، (ii) سیستم های متصل به شبکه.

شکل 1 ) طرح کلی توپولوژی سیستم های فتوولتائیک (PV) و سطوح کنترل آنها.

مفهوم سیستم جزیره ای به سیستم هایی اشاره دارد که مستقل از شبکه برق کار می کنند. در سیستم های جزیره ای، بارهای ac یا dc مستقیماً توسط منبع انرژی PV تامین می شوند. معمولاً بارها AC هستند، اما با تولید برق DC از منابع تجدیدپذیر، تعداد بارهای DC به طور قابل توجهی افزایش یافته است. نمونه هایی از بارهای DC بالقوه سرورها، مراکز داده، سیستم های روشنایی، درایوهای الکتریکی برای سیستم های تهویه و تهویه مطبوع، وسایل نقلیه الکتریکی و رایانه های رومیزی هستند. در سیستم های متصل به شبکه، توان تولید شده به شبکه الکتریکی تزریق می شود و توسط هر بار یا مشتری متصل به شبکه استفاده می شود.

بلوک های میانی در شکل 1 مسئول تبدیل انرژی هستند. این عملکرد توسط مبدل های قدرت انجام می شود که مدارهای الکترونیکی مبتنی بر دستگاه های سوئیچینگ قدرت هستند. مدارهای قدرت مورد استفاده در کاربردهای انرژی خورشیدی عبارتند از: (i) مبدل های DC-DC، (ب) مبدل های DC-AC (اینورتر). برخی از توپولوژی های احتمالی سیستم برای سیستم های جزیره ای و متصل به شبکه در شکل 1 نشان داده شده است. مبدل های قدرت اجزای اساسی در سیستم های PV هستند زیرا اقدامات کنترلی را انجام می دهند. الزامات کنترل سیستم های جزیره ای و متصل به شبکه متفاوت است. کنترل‌کننده‌های جریان/ولتاژ و الگوریتم‌های MPPT در هر دو مورد مورد نیاز هستند. در سیستم‌های جزیره‌ای، امکان پیاده‌سازی کنترل‌کننده‌های اضافی برای مدیریت انرژی سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی (ESS) و فیلترها برای بهبود کیفیت برق عرضه‌شده به بارها وجود دارد.

شکل 2 ) سلول خورشیدی متصل شده به شبکه با استفاده از اینورتر سه فاز

2. کنترل کننده های سطح اول

2.1. کنترل جریان و ولتاژ

برای کنترل جریان و ولتاژ معمولاً از یک استراتژی کنترل دو حلقه ای استفاده می شود. یکی از شرایط این ساختار جدا شدن پاسخ دینامیکی بین هر دو حلقه است. حلقه داخلی باید سریعتر از حلقه بیرونی باشد. ساختار رایج این است که یک حلقه داخلی و یک حلقه بیرونی ولتاژ داشته باشیم. کنترل‌کننده‌های PI معمولاً در هر دو حلقه کنترل استفاده می‌شوند، اما دارای معایبی مانند محدودیت در تنظیم ولتاژ، تضاد بین حلقه‌های کنترل و مناطق کوچک پایداری هستند. برای بهبود عملکرد استراتژی دو حلقه ای، کنترل کننده های غیر خطی قوی پیشنهاد شده است. مقالات اخیر به چندین تکنیک کنترل در کنترل‌کننده‌های دو حلقه‌ای پرداخته اند، مانند: رد اغتشاش فعال ، کنترل مبتنی بر انفعال ، کنترل پیش‌بینی ، کنترل droop و کنترل کننده های تطبیقی .

شکل 3 ) کنترل غیرخطی برمبنای کنترل پیش بین برای سلول خورشیدی متصل به شبکه با بار نامعین

استراتژی کنترل دو حلقه ای را می توان با یک حلقه کنترل منفرد یا حلقه های کنترل مستقل جایگزین کرد. این از حلقه های بازخورد پیچیده جلوگیری می کند. تکنیک کنترل با بیشترین پتانسیل برای جایگزینی حلقه داخلی و خارجی با یک حلقه، کنترل پیش بینی است. در یک کاربرد، یک کنترل کننده پیش بینی برای تنظیم عملکرد یک مبدل DC-DC و یک اینورتر استفاده شده است. کاربرد کنترل‌کننده‌های مستقل، یک رویکرد ترکیبی بین کنترل پیش‌بینی‌کننده و لغزشی است که در یک سیستم PV متصل به شبکه اعمال می‌شود، که در آن لغزش نوسانات ولتاژ باس DC را کنترل می‌کند و کنترل پیش‌بینی عملکرد اینورتر را تنظیم می‌کند.

2.2. روش‌های ردیابی حداکثر توان

به منظور به دست آوردن حداکثر توان موجود از یک سیستم PV و افزایش راندمان نصب، از روش های MPPT استفاده می شود. محبوب ترین MPPT مرسوم در روش های کامل عبارتند از: آشفتگی و مشاهده (P&O)، رسانایی افزایشی، ولتاژ مدار باز کسری و جریان اتصال کوتاه کسری. این الگوریتم ها به دلیل سادگی و همگرایی سریع بسیار محبوب هستند. در سال‌های اخیر، روش‌های MPPT مبتنی بر تکنیک‌های هوشمندی مانند بهینه‌سازی ازدحام ذرات (PSO)، الگوریتم‌های ژنتیک (GA)، کنترل فازی، الگوریتم بازپخت شبیه‌سازی شده، شبکه‌های عصبی و الگوریتم کرم شب‌تاب گزارش شده‌اند. الگوریتم های هوشمند دارای اشکالاتی به عنوان پیاده سازی پیچیده و دشواری در انتخاب نقطه اولیه هستند. چالش فعلی معرفی روش های MPPT قوی و قابل اعتماد است. خطوط تحقیقاتی که در مقالات اخیر به آن پرداخته شده است بر وضعیت سایه جزئی و تکنیک های کلاسیک بهبود یافته تمرکز دارد.

شکل 4 ) مفهوم MPPT در سلول های خورشیدی

2.3. سنکرون سازی

همگام سازی در کنترل اینورترهای متصل به شبکه یک اصل مهم است. این شامل اتصال سیگنال های تولید شده با همان پارامترهای دامنه، فاز و فرکانس شبکه برق است. در این فرآیند تکنیک های PLL به طور کلی برای انجام همگام سازی استفاده می شود. اصل عملکرد PLL تنظیم ولتاژ اینورتر با ولتاژ مرجع اندازه گیری شده در  نقطه مشترک اتصال یاPCC  است. با توجه به تکنیک مورد استفاده، الگوریتم‌های PLL را می‌توان به‌عنوان: چارچوب مرجع سنکرون، انتگرال‌گر تعمیم‌یافته مرتبه دوم، PLL مربعی و PLL تقویت‌شده طبقه‌بندی کرد. جایگزین دیگر الگوریتم های همگام سازی هستند که ولتاژ شبکه را اندازه گیری نمی کنند. اینها بر اساس طرح‌های جریان مجازی، قدرت لحظه‌ای و مبتنی بر ناظر هستند.

به طور کلی، تکنیک‌های کلاسیک PLL زمانی که شبکه‌های ولتاژ دارای دامنه و تغییرات فاز بزرگ هستند، به تشخیص زاویه فاز خوبی دست نمی‌یابند. تکنیک های PLL قوی برای شرایط شبکه ضعیف مورد نیاز است. هنگامی که شرایط ایده‌آل در روش PCC وجود ندارد، تکنیک‌های بدون حسگر مناسب هستند، اگرچه الگوریتم‌های ترکیبی PLL ممکن است منجر به عملکرد خوب شوند. شبکه ضعیف چالشی است که به طور گسترده با آن برخورد می شود. علاوه بر این، موقعیت‌هایی مانند عدم تعادل و خطاهای شبکه در کارهای اخیر مورد مطالعه قرار گرفته‌اند.

شکل 5 ) بلوک دیاگرام یک PLL متداول به روش حلقه قفل شده در فاز

3. کنترل کننده های سطح دوم

3.1. کیفیت توان

برای دستیابی به کیفیت توان با توجه به مشخصات، ساختارهای کنترلی اینورترها در سیستم های PV باید الگوریتم های جبران هارمونیک را اتخاذ کنند. IEEE Std 519 اعوجاج هارمونیک کمتر از 5% را توصیه می کند. هارمونیک ها به دلیل رفتار غیر خطی عناصر متصل به شبکه برق است که هم در بارهای شبکه و هم در بارهای متصل، پدیده های نامطلوب ایجاد می کند. به منظور کاهش این اثرات، اقدامات کنترلی با کاهش هارمونیک جریان های تزریق شده به شبکه انجام می شود. ساده ترین استراتژی استفاده از فیلترهای غیرفعال است که برای فرکانس هایی که باید حذف شوند طراحی شده اند. یک استراتژی مناسب تر، استفاده از فیلترهای فعال است که جریان های جبرانی را برای خنثی کردن اثر هارمونیک ها تزریق می کنند. همچنین فیلترهایی وجود دارند که فناوری‌های فعال و غیرفعال را به نام فیلترهای ترکیبی ترکیب می‌کنند. دو استراتژی برای جبران فعال وجود دارد: روش های مبتنی بر تشخیص هارمونیک در بار و جبران هارمونیک انتخابی. به منظور تشخیص محتوای هارمونیک در PCC، استراتژی های جبران هارمونیک مانند توان لحظه ای، نظریه توان محافظه کارانه و SOGI استفاده می شود.  استراتژی دوم جبران هارمونیک انتخابی است که در آن کنترل‌کننده‌ها روی هارمونیک تنظیم می‌شوند تا حذف شوند. روش تبدیل فوریه گسسته (DFT) معمولاً برای تشخیص محتوای هارمونیک برای جبران استفاده می شود. علاوه بر این، هارمونیک های اولیه را می توان با در نظر گرفتن استراتژی جبران و فیلتر پایین گذر (LPF)  شناسایی کرد.

شکل 6 ) شماتیک فیلتر اکتیو موازی برای فراهم آوردن جریان غیرخطی بار در خروجی سلول خورشیدی

3.2. حفاظت ضد جزیره ای

حفاظت ضد جزیره ای یک عملکرد مورد نیاز سیستم های متصل به شبکه است. هدف این است که ماژول های خورشیدی را در هنگام قطع برق شبکه قطع کنیم. قطع، مشکلات بالقوه را برای جلوگیری از آسیب به اجزای PV جدا می کند  و شرایط ایمن را برای انجام تعمیرات ایجاد می کند. تکنیک های پیشنهادی به صورت فعال یا غیرفعال طبقه بندی می شوند. در تکنیک های فعال، یک اغتشاش به شبکه اعمال می شود در حالی که در تکنیک های غیرفعال، متغیرهای الکتریکی در PCC تجزیه و تحلیل می شوند.

3.3. پشتیبانی از شبکه

تجربه عملی نشان می دهد که با نفوذ زیاد تولید PV در یک شبکه برق، چالش ها و مشکلات بیشتری ظاهر می شود. بنابراین، پیاده سازی توابع پشتیبانی شبکه در حلقه های کنترل ضروری است. سیستم های PV متصل به شبکه باید چندین الزام را برآورده کنند تا به عادی سازی شبکه که تحت اختلالات کار می کند کمک کنند. حداقل مورد نیاز شرایط ولتاژ، فرکانس و توان راکتیو است. این مقررات توسط کدهای شبکه برای حفظ پایداری و قابلیت اطمینان شبکه برق وضع شده است. مطابق با کدهای شبکه، سیستم‌های PV باید بتوانند متصل بمانند و قابلیت‌های عبور از خطا را داشته باشند. طرح های کنترل قوی متفاوتی برای فرکانس و ولتاژ برای مقابله با مسائل دینامیک شبکه پیشنهاد شده است. اثر در شبکه، تزریق انعطاف پذیر توان اکتیو و راکتیو با توجه به شرایط شبکه است

4. کنترل کننده های سطح سوم

4.1. محدود کردن توان فعال

محدود کردن توان فعال به غلبه بر نوسانات فرکانس و ولتاژ در نتیجه نفوذ زیاد PV کمک می کند. با توجه به نقطه عملیاتی، الگوریتم های کنترل حداکثر توانی را که سیستم PV می تواند به شبکه تزریق کند، محدود می کند. تکنیک های مورد استفاده عبارتند از کنترل مستقیم توان، محدود کردن جریان و روش های MPPT اصلاح شده. در روش های کنترل توان مستقیم و محدود کردن جریان، سیستم های PV باید با قابلیت ذخیره ارائه شوند. ESS به عملیات انعطاف پذیر برای ذخیره یا آزادسازی انرژی انرژی کمک می کند.

روش کنترل مستقیم توان مبتنی بر تنظیمات قدرت است که در آن توان محدود توسط کنترل کننده های قدرت ردیابی می شود. به طور مشابه، یک مقررات تولید PV را می توان از طریق یک حلقه کنترل جریان با یک مرجع جریان متناسب با توان محدود اجرا کرد. این روش به عنوان محدود کننده جریان شناخته می شود. روش‌های کنترل مستقیم توان و محدود کردن جریان مستقل از روش‌های MPPT عمل می‌کنند. اما روش های اصلاح شده MPPT نیز می توانند توان فعال را محدود کنند. امروزه، این جایگزین کانون توجه اصلی است. این طرح های کنترلی می توانند در حالت MPPT یا تولید برق ثابت عمل کنند. به عنوان مثال، انطباق روش P&O به منظور ردیابی مرجع توان فعال  ارائه شده است. برای عملکرد بهینه ESS، استراتژی های مدیریت انرژی باید گنجانده شود.

4.2. سیستم های ذخیره انرژی

انرژی اضافی را می توان در طول روز ذخیره کرد و در شب برای تامین بارهای حیاتی یا پشتیبانی شبکه استفاده کرد. انرژی ذخیره شده در کنترل انعطاف پذیر جریان برق مهم است، زیرا استفاده مناسب باعث کاهش تلفات، توان در خطوط توزیع، جریان معکوس انرژی و پشتیبانی از ولتاژ و توان راکتیو می شود. در انتشارات اخیر می توان دو هدف اصلی را در مورد ESS شناسایی کرد. اولین مورد شامل اندازه بهینه است. به عنوان مثال ، جایی که طرح‌های بهینه با استفاده از داده‌های دنیای واقعی مورد بحث قرار می‌گیرد، مورد بررسی قرار می‌گیرد. علاوه بر این، برنامه ریزی شارژ/تخلیه به حداقل می رسد. کنترل بهینه شارژ/دشارژ ESS هدف دوم است. به طور کلی، برای محدود کردن شارژ/دشارژ ESS و افزایش طول عمر آن باید در قوانین کنترل محدودیت هایی اعمال شود. باید در نظر داشت که هزینه سرمایه گذاری ESS بالا است و افزایش زمان عملیاتی در اولویت است. معمولاً از کنترل کننده های PI برای کنترل شارژ/دشارژ ESS استفاده می شود. اما به دلیل معایب آنها، کنترل کننده های غیرخطی پیشنهاد شده است.

شکل 7 ) اتصال سلول خورشیدی و باتری به منظور تغذیه شبکه

منبع : مجموعه مقالات