سیستم‌های خورشیدی کنترل‌شونده با مد لغزشی برای کار در نقطه توان ماکزیمم با استفاده از مبدل چوک

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، باشگاه پژوهشگران جوان و نخبگان، واحد تهران غرب، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

2 استادیار، گروه مهندسی برق - دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران غرب - باشگاه پژوهشگران جوان و نخبگان – تهران - ایران

3 کارشناسی ارشد، باشگاه پژوهشگران جوان و نخبگان، واحد اردبیل، دانشگاه آزاد اسلامی، اردبیل، ایران

چکیده

در این مقاله روشی به‌منظور ردیابی حداکثر توان در صفحات خورشیدی همراه با طراحی سیستم فتوولتائیک متصل به شبکه، شامل مدل‌سازی سلول‌های فتوولتائیک، طراحی مبدل DC-DC چوک و کنترل‌کنندۀ مد لغزشی ارائه شده است. شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند وجود سیم‌پیچ‌هایی در ساختار ورودی - خروجی مبدل چوک که موجب می‌شود نیازی به فیلتر ورودی در این مبدل نباشد، هزینۀ ساخت مداری سیستم و حجم مداری آن را کاهش می‌دهد؛ بنابراین استفاده از مبدل چوک برای ردیابی نقطه توان حداکثری نسبت به سایر روش‌ها دارای برتری زیادی است. ردیابی نقطه توان ماکزیمم در این مقاله براساس الگوریتم آشوب و مشاهده در سیستم فتوولتائیکی متصل به شبکه و کنترل حلقه بستۀ مد لغزشی اجرا شده است. استفاده از روش مد لغزشی با توجه به ماهیت غیرخطی سیستم پایداری مبدل را در حوزۀ وسیعی از تغییرات تابش، بار و ... حفظ می‌کند. در روش مد لغزشی ارائه‌شده، فقط ولتاژ ورودی و جریان فیلتر خازنی به‌عنوان فیدبک، استفاده و طراحی بدون دخالت مدل مبدل تکمیل شده است. کارایی سیستم فتوولتائیک طرح‌شده با استفاده از نرم‌افزار MATLAB/Simulink ارزیابی شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

..Photovoltaic system with sliding mode control for work on for maximum power point

نویسندگان [English]

  • Mahsa Sedaghat 1
  • Alireza Siadatan 2
  • Bahman Taheri 3
1 Young Researchers and Elite Club, West Tehran Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
2 Young Researchers and Elite Club, West Tehran Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran, Department of Electrical & Computer Eng., University of Toronto, Toronto, Canada
3 Young Researchers and Elite Club, Ardabil Branch, Islamic Azad University, Ardabil, Iran
چکیده [English]

In this paper, a method for tracking maximum power in solar panels with the design of a networked photovoltaic system, including photovoltaic cell modeling, DC-DC choke converter design and sliding mode controller is presented. Simulations show that due to the existence of wires in the structure of the input / output structure of the chokes converter, its use to track maximum power points is superior to other methods. The maximum power point tracking has been implemented based on the chaos and observation algorithm in the photovoltaic system connected to the network and the control of the slip mode ring packet. The use of the sliding mode, according to the nonlinear nature of the system, can preserve the stability of the converter in a wide range of radiation, load and variations. In the presented slip mode, only the input voltage and capacitive filter flow are used as feedback and the design without the intervention of the converter model is completed. The efficiency of the proposed photovoltaic system has been evaluated using MATLAB / Simulink software.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Sliding Mode Control
  • P&O algorithm
  • photovoltaic
  • Cuk

1- مقدمه [1]

استفاده از حداکثر راندمان سیستم‌های فتوولتائیک با در نظر گرفتن هزینۀ بالای آنها ضرورت اساسی به‌شمار می‌رود. توان خروجی سلول‌های فتوولتائیک به شدت از عوامل محیطی مانند تابش، دمای محیط و میزان بار تأثیر می‌گیرد؛ به همین دلیل در صورت کنترل‌نکردن سلول‌های فتوولتائیک به‌ندرت در نقطه توان حداکثر کار می‌کنند. بنابراین ردیابی نقطه توان حداکثر در افزایش راندمان این سیستم نقش کلیدی دارد. تا کنون، روش‌های زیادی برای ردیابی نقطۀ کار ارائه شده است.در ]رضا نوریان ـ حسین محمدی 1395[ ترکیبی از شبکه DC مستقل و سیستم‌های PV برای تغذیه بارهای نامتعادل AC استفاده شده است. در ]فرزاد حاجی محمدی و همکاران 97[ از روشی جدید براساس هماهنگی هوشمند فوز ـ ریکلوزر برای ظریب نفوذ زیاد سیستم‌های فتوولتائیک استفاده شده است. روش رسانایی افزایشی که براساس صفربودن مشتق توان نسبت به ولتاژ یا نسبت به جریان در نقطه توان ماکزیمم کار می‌کند[Fangrui [Liu el tl 2008. روش حلقه باز که در آن کسری از جریان اتصال کوتاه با توجه به رابطه تقریباً خطی جریان نقطه کار استفاده می‌شود [S.Yuvarajan, S.Xu 2003]. روش ولتاژ مدار باز که اساس آن بر وجود تابع تقریباً خطی بین ولتاژ نقطه کار و ولتاژ مدار باز است [Ahmad.J 2010]؛ البته بدیهی است قطع دوره‌ای برای اندازه‌گیری ولتاژ مدار باز باعث از دست دادن توان در سیستم فتوولتائیک می‌شود؛ به همین دلیل استفاده از سلول پایه به‌منزلۀ راهنما برای تشخیص رفتار کل پانل ارائه شده است که این مورد نیز مشکل جدید عدم‌قطعیت را در اندازه‌گیری سلول پایه نسبت به کل پانل موجب می‌شود [Vladimir V el tl 2009]. روش هوشمند مانند شبکه‌های عصبی و روش منطق فازی نیز به دلیل نیاز به مدل سلول فتوولتائیک دارای کاربرد محدودی‌اند [Alessandro Costabeber el tl 2014] -[S. Lalounia el tl [2009. پس از محاسبه مقادیر مرجع برای نقطه کار، مهم‌ترین کار، کنترل مبدل DC-DC در نقطه کار مدنظر است. بیشتر از مبدل DC-DC افزاینده برای ردیابی نقطه توان ماکزیمم در سلول‌های فتوولتائیک استفاده می‌شود [B.Taheri, M. Sedaghat2018]؛ با این حال بدیهی است به دلیل وجود سیم‌پیچ‌هایی در ساختار ذاتی خود مبدل چوک استفاده از آن نسبت به مبدل افزاینده برتری دارد. در [F.ValenciagaF.A.Inthamoussou2018] روش پیگیری نقطه حداکثر نقطه (MPPT) با استفاده از ترکیبی از حالت مشاهدات حالت مرتبه دوم(SOSMO)  و کنترل‌کنندۀ سنتی PI  ارائه می‌دهد .SOSMO مدلی خاصی پیشنهاد شده است، به‌خصوص برای مقابله با تخمین گرادیان قدرت زمان محدود حتی در حضور پویایی unmodeled  و اختلالات خارجی براساس این برآورد، کنترل کنندۀ PI برای سرعت‌بخشیدن به سیستم PV برای کار بر MPP  و ردیابی تغییرات آن استفاده می‌شود؛ با این حال با توجه به پیچیدگی‌های مداری مبدل چوک بدیهی است دیگر نمی‌توان از کنترل‌کننده‌های مرسوم استفاده کرد. در این میان روش کنترل مد لغزشی به دلیل مقاوم و پایدار بودن، سادگی پیاده‌سازی و قابلیت استفاده از سیستم‌های غیرخطی جایگاه ویژه‌ای دارد[Vadim Utkin 2010] -[H.El. Fadil et al 2013].

در ]حسن ایجادی و امین حاجی‌زاده 1391[ روشی به‌منظور ردیابی حداکثر توان در صفحات خورشیدی بر پایۀ منطق فازی ارائه شـده اسـت. اسـاس روش پیشنهاد‌شده در این مقاله بر پایۀ وجود رابطه بین شدت تابش و ولتاژ نقطه حداکثر توان است. در این مقاله روشی جدید با استفاده از الگوریتم آشوب و مشاهده مبتنی بر کنترل مد لغزشی، برای ردیابی و استخراج جریان نقطه کار برای ردیابی نقطه توان حداکثر در مبدل DC-DC چوک ارائه شده است. مزیت مبدل مذکور نسبت به سایر مبدل‌های استاندارد این است که هر دو جریان ورودی و جریان تغذیه‌کنندۀ طبقه خروجی دارای ریپل اندکی‌اند (برخلاف مبدل‌های کاهنده - افزاینده که در آن هر دو جریان شدیداً ناپیوسته‌اند)؛ بنابراین این مسئله نیاز به فیلترهای جداگانه را رفع می‌کند؛ با این حال به دلیل پیچیدگی مدل مبدل چوک تا کنون محققان هیچ گزارشی دربارۀ ردیابی نقطه توان حداکثر با این مبدل و کنترل مد لغزشی گزارش نکرده‌اند. در این مقاله سعی شده است برای بهبود کارایی، روشی روشن و ساده برای طراحی، مدل‌سازی و شبیه‌سازی گام‌به‌گام سیستم فتوولتائیک ارائه شود. مهم‌ترین مزیت مبدل Ćuk برای ردیابی نقطه توان ماکزیمم استفاده‌شده در این مقاله، کوچک‌بودن ریپل جریان‌های ورودی - خروجی مربوطه و نیازنداشتن به فیلتر است که با حذف فیلتر ورودی از سیستم هزینه‌های ساخت مداری، کاهش و حجم مداری سیستم نیز کاهش می‌یابد. تمامی شبیه‌سازی‌ها با استفاده از نرم‌افزار MATLAB/Simulink انجام شد.

2- مدل‌سازی و شبیه‌سازی سیستم فتوولتائیک

2-1- مدل و مشخصۀ ولتاژ - جریان، ولتاژ - توان آرایه‌های خورشیدی

مدار معادل الکتریکی یک آرایۀ خورشیدی موقع قرارگرفتن در مقابل تشعشات خورشیدی، در شکل (1) نشان داده شده است.

 

شکل (1): مدار معادل سلول خورشیدی

مشخصه ولتاژ - جریان آن را می‌توان به کمک روابط زیر به دست آورد [Il-Song Kim 2006]:

(1)

 

(2)

 

(3)

 

2-2- تأثیرات دما و تابش بر سیستم فتوولتائیک

منحنی ولتاژ - جریان آرایه به‌طور همزمان با دو فاکتور میزان تابش خورشید و دمای محیط تغییر می‌کند. افزایش دما اثرات نامطلوبی بر عملکرد سلول‌ها دارد و به‌طورکلی بازدهی آنها را کاهش می‌دهد. میزان افت ولتاژ مدار باز سلول‌ها حدود 3/0 تا 4/0 درصد به‌ازای هر درجه سانتیگراد افزایش دمای محیط است؛ درحالی‌که افزایش جریان اتصال کوتاه تنها حدود 025/0 تا 075/0 درصد به‌ازای هر درجه افزایش دما است و درنتیجه بازده سلول به اندازه 05/0 درصد به‌ازای هر درجه سانتیگراد افزایش دمای محیط کم می‌شود.

برای مدل‌سازی اثر تغییرات دما و شدت تابش می‌توان از روابط زیر استفاده کرد:

 

(4)

 

(5)

 

(6)

 

(7)

 

(8)

 

 

 

 

شکل (2): شبیه‌سازی مدل سلول فتوولتائیک در نرم‌افزار MATLAB.


در روابط (4) تا (8)، G شدت تابش، شدت تابش نامی و  انرژی شکاف نوری سیلیکون بر حسب الکترون ولت‌اند. پارامترها و مقادیر استفاده‌شده برای سلول PV در جدول (1) آورده شده است. شکل (2) مدل طراحی‌شدۀ شبیه‌سازی برای سلول فتوولتائیک در نرم‌افزار MATLAB را نشان می‌دهد. این مدل براساس روابط (1) تا (8) و پارامترهای جدول (1) شبیه‌سازی شده است.

شکل (3) منحنی مشخصه جریان - ولتاژ و توان - ولتاژ براساس تغییرات دما و تابش را نشان می‌دهد. با توجه به شکل مشاهده می‌شود با کاهش تابش، جریان کاهش می‌یابد و این امر موجب کاهش توان سلول نیز می‌شود. بهترین حالت شرایط تابش استاندارد  اتفاق می‌افتد.

جدول (1): پارامترهای سلول خورشیدی

پارامترها

مقادیر

K : (ثابت بولتزمن)

1.381e-23

q : (بار الکترون)

1.602e-19

a : (ضریب ایدئالی دیود)

1.3

Ns : (تعداد سلول سری شده)

30

T : (دما)

25°C

Gr : (تابش)

100-1000 W/m²

Voc : (ولتاژ مدارباز)

18.13 V

iSC: (جریان اتصال کوتاه)

5 A

Ks

0.005 (A.m²/W)

 

 

 

 

شکل (3): منحنی مشخصه جریان - ولتاژ و توان - ولتاژ آرایۀ خورشیدی در حین تغییرات شدت نور تابشی (S نشان‌دهندۀ سطح تابش خورشیدی است).


3-2- مبدل DC-DC

برای انتقال حداکثر توان از سلول فتوولتائیک، مبدل‌های DC-DC استفاده می‌شوند. در آرایه‌های PV ولتاژ خروجی با در نظر گرفتن ساختار سری - موازی نسبتاً پایین است؛ بنابراین استفاده از مبدل‌های DC-DC افزاینده الزامی است. در این مقاله از مبدل DC-DC چوک نشان داده شده در شکل 4، برای اتصال به آرایه PV استفاده شده است. پارامترهای مبدل مذکور در جدول (2) آورده شده‌اند.

 

4-2- ردیابی نقطۀ توان ماکزیمم

یکی از روش‌هایی استفاده‌شده برای ردیابی نقطه توان ماکزیمم در سیستم‌های خورشیدی، روش آشوب و مشاهده است.

با توجه به اینکه توان خروجی سلول فتوولتائیک با پارامترهای متعددی مانند تابش خورشید و دما مرتبط است و همچنین مشخصۀ خروجی آن کاملاً غیرخطی است، لازم است سیستم فتوولتائیک با در نظر گرفتن کنترل‌کننده‌ای همیشه در نقطه توان حداکثر کار کند. شکل (5) فلوچارت روش آشوب و مشاهده و شکل (6) چگونگی شبیه‌سازی الگوریتم آشوب و مشاهده را در نرم‌افزار MATLAB نشان داده است.

 

شکل (4): مبدل DC-DCچوک

 

جدول (2): پارامترهای نامی مبدل چوک

مقادیر

پارامترها

1

 

850

 

1

 

2000

 

 

 

 

 

شکل (5): الگوریتم P&O.


 

شکل (6): چگونگی شبیه‌سازی الگوریتم اشوب و مشاهده برای به دست آوردن مقدار ولتاژ مرجع


3- تجزیه و تحلیل کنترل مد لغزشی (SMC)

لازم است فرآیند در نظر گرفته شده برای طراحی کنترل‌کننده، پایداری سیستم، زمان استقرار مدنظر و همچنین حداقل فراجهش را تضمین کند. در این مقاله سطح لغزش به شکل زیر تعریف می‌شود. مزیت اصلی چنین تابع سوئیچینگی به امکان تنظیم ولتاژ فتوولتائیک بدون نیاز به کنترل‌کنندۀ اضافی و مدل خطی‌سازی‌شده مربوط می‌شود وجایگزین خوبی برای تعریف رفتار ولتاژ PV ،  در این مقاله شامل خطا با توجه به مرجع و مشتق ولتاژ در تابع سوئیچینگ است، که در آن مشتق ولتاژ را می‌توان با اندازه‌گیری جریان خازن ورودی به دست آورد. مزیت اصلی چنین تابع سوئیچینگ مربوط به تنظیم ولتاژ PV بدون کنترل‌کنندۀ اضافی براساس مدل خطی شده است؛ بنابراین، این کار روی تابع سوئیچینگ ψ و سطح ϕ در (9) داده شده که به تجزیه و تحلیل پایداری ولتاژ PV در حضور بار، محیط زیست و یا تغییرات مرجع قادر است.

(9)

 

 

که در رابطۀ فوق  ولتاژ لحظه‌ای خروجی فتوولتائیک و  مقدار مرجع است.

طرح کلی روش ارائه‌شده در شکل 7 (الف) برای اجرای تابع سوئیچینگ نشان داده شده است که در آن  ولتاژ مرجعی است که با الگوریتم آشوب و مشاهده محاسبه شده است. رفتار دینامیکی مبدلDC - DC با روابط (10) و (11) بیان می‌شود که در آن  و  به‌ترتیب نشان‌دهندۀ جریان PV و ولتاژ خروجی مبدل‌اند. متغیر u مربوط به سیگنال کلیدزنی سوئیچ‌های نیمه‌هادی است.

(10)

 

(11)

 

 

(الف) بلوک دیاگرام

 

ب) ساختار کنترل‌کننده مد لغزشی.

شکل (7): طراحی کنترل مد لغزشی براساس خطای ولتاژ و جریان خازن ورودی

در شکل (7) بلوک دیاگرام سیستم کنترلی ارائه شده است که در آن u با استفاده از حلقه هیسترزیس تولید می‌شود. طراحی کنترل‌کنندۀ مد لغزشی پایدار نیاز به بررسی سه شرط دارد: ترانسورسالیتی (Transversally Condition)، کنترل معادل (Equivalent Control) و در دسترس بودن (Reachability Condition) [H. Sira-Ramirez1987]. در ادامه، این شرایط برای بررسی روش طراحی‌شده مطالعه می‌شود.

1-3- شرط ترانسورسالیتی

شرط ترانسورسالیتی بیان‌شده در رابطه (12) تضمین می‌کند حضور متغیر u در مشتق تابع سوئیچینگ [S. . Tan el tl 2013] برای تغییر و تعیین دینامیک سیستم لازم است.

(12)

 

به‌منظور بررسی شرایط رابطه (12)، مشتق زمانی تابع  در رابطه (13) به دست آمده و مشتق جریان فتوولتائیک در (14) داده شده که در آن  است.

 

(13)

 

(14)

 

با جایگزینی رابطه (11) و (14) در رابطه (13)، معادله (15) به دست می‌آید:

(15)

 

شرط ترانسورسالیتی با ساده‌سازی رابطه (15) به دست می‌آید. ملاحظه می‌شود اگر  باشد، این شرط برقرار خواهد بود.

(16)

 

2-3- شرط کنترل معادل

گام بعدی در تجزیه و تحلیل بررسی شرط کنترل معادل است که در آن  (مقدار متوسط  متغیر کنترلی u) باید در محدودۀ عملیاتی متغیر کنترل محدود شود که آن  است. این مورد در رابطه (17) نشان داده شده است.

(17)

 

با جایگزینی u با  در رابطه (15) و با قرار دادن آن در رابطه (17)، نامعادله زیر به دست آمده است.

(18)

 

علاوه بر این، مطالعه سیستم در سطح  نیز در نظر گرفته شده می‌شود. رابطه (19) از ترکیب روابط (9) و (10) به دست می‌آید. رابطه (19) دینامیک مد لغزشی را توصیف می‌کند که می‌تواند در حوزۀ لاپلاس، تجزیه و تحلیل و در رابطه (20) داده شود.

(19)

 

(20)

 

معادله (20) وجود یک قطب معادل را در  نشان می‌دهد. بنابراین  و  برای اطمینان از پایداری سیستم باید هم علامت باشند.

 

3-3- شرط دردسترس بودن

شرایط دردسترسی، توانایی سیستم برای رسیدن به حالت مدنظر  است. پژوهش انجام‌شده در [H. Sira-Ramirez1987 ] نشان می‌دهد یک سیستم که وضعیت کنترل معادل آن برآورده شده، شرایط دردسترسی آن نیز برآورده شده است. این کار همچنین نشان می‌دهد علامت شرط ترانسورسالیتی مقدار u را برای هر شرایط دردسترسی تحمیل می‌کند. با توجه به محدودیت‌های اجرایی، طراحی ارائه‌شده از کنترل مد لغزشی به یک مقدار منفی برای پارامتر  نیاز دارد؛ ازاین‌رو، شرایط ترانسورسالیتی در رابطه (16) مثبت است که تحمیل شرایط دردسترسی در روابط (21) و (22) ارائه شده است که عمل کنترل  برای  و   برای  اجرا می‌شود.

(21)

 

(22)

 

سپس، شرایط دردسترسی با جایگزینی رابطه (15) در روابط (21) و (22)، و با ترکیب روابط (23) و (24) محاسبه می‌شود. با جایگزین‌کردن رابطه (19) در روابط (23) و (24)، همان نامعادلۀ داده‌شده در روابط (21) و (22) به دست آمده است؛ بنابراین، می‌توان اطمینان حاصل کرد  در محدودۀ دینامیکی داده‌شده نیز شرایط دردسترسی به انجام برسد.

(23)

 

(24)

 

3-4- اجرای کنترل‌کننده و محاسبات پارامتری

در این روش از مقایسۀ هیسترزیس برای اجرای SMC استفاده می‌شود که روش معمول برای کنترل مبدل‌های
DC–DC است. علاوه بر این، باند هیسترزیس H برای محدودکردن فرکانس سوئیچینگ، باید به سطح لغزش اضافه شود؛ ازاین‌رو سطح در داخل  محدود می‌شود. در چنین شرایطی، نامعادلات (21) و (22) طبق رابطه (25) استخراج می‌شوند که طرح الکتریکی آن در شکل 8 ارائه شده است. شرایط برای u در رابطه (25) براساس علامت مثبت شرط ترانسورسالیتی داده‌شده در رابطه (16) تعریف شده است که نیاز به یک مقدار منفی برای ، و یک مقدار منفی برای  دارد. پذیرش مقادیر مثبت برای  و  به اجرای اضافی مداری نیاز دارد.

 

(25)

 

درواقع هدف طراحی روشی است که در آن جریان مطلوبی به‌صورت  وجود دارد و برای رسیدن به این جریان لازم است با مقدار  مقایسه شود.

 

شکل (8): مدار کنترل جریان

اثر خازن و سلف ورودی مبدل چوک (به‌عنوان فیلتر مرجع) در زمان استقرار سیستم باید در نظر گرفته شود. در غیر این صورت، زمان استقرار ولتاژ فتوولتائیک پذیرفته نخواهد بود. علاوه بر این، ولتاژ فتوولتائیک می‌تواند فراجهشی را نشان دهد که باعث کاهش تولید برق می‌شود. در مقابل، پارامتر  برای رسیدن به زمان استقرار  مدنظر از ولتاژ فتوولتائیک اعمال و با الگوریتم آشوب و مشاهده طراحی شده است.

رفتار مد لغزشی شرح داده شده در روابط (8) و (20)، تضمین می‌کند در حالت پایدار  است؛ ازاین‌رو با توجه به محدودۀ هیسترزیس  داریم: .

این عبارت با استفاده از باند هیسترزیس H از سطح لغزش و با مقادیر حداقل و حداکثر جریان حالت پایدار در خازن ورودی محاسبه می‌شود که مربوط به جریان ریپل  است و در رابطه (26) داده شده است.

(26)

 

علاوه بر این،  باید برای تضمین حالت انتقال پیوسته و برای جلوگیری از ریپل زیاد در ولتاژ PV طراحی شود. علاوه بر این، با توجه به رابطه (26)،  باید در توافق با محدودیت‌های عملی از فرکانس سوئیچینگ تعریف شده باشد.

4- نتایج شبیه‌سازی

نتایج روش پیشنهادی براساس مطالعه و طراحی کنترل مد لغزشی در سیستم فتوولتائیک در ادامه نشان داده شده است. محدودۀ کارکرد تابش در  با حداکثر مشتق تابش مداوم  فرض می‌شود. آرایۀ فتوولتائیک با پارامترهای داده‌شده در جدول 1 و ولتاژ حداکثر نقطه توان مابین 16.39ولت و 18.13ولت است. پارامترهای مبدل DC-DC نیز در جدول 2 آورده شده است. نقطه کار ولتاژ PV مابین  است.

طراحی کنترل‌کنندۀ مد لغزشی نیاز به نتایج الگوریتم آشوب و مشاهده زیر دارد: ، . در شکل 9 (الف) نتایج شبیه‌سازی برای ولتاژ، جریان، توان آرایه فتوولتائیک و شکل 9 (ب) شبیه‌سازی ولتاژ مرجع تولیدشده با الگوریتم آشوب و مشاهده را نشان داده است. ملاحظه می‌شود ولتاژ خروجی دقیقاً مساوی مقدار مرجع تعیین‌شده با واحد آشوب و مشاهده است.

 

 

 

(الف) شکل موج‌های ولتاژ، جریان، توان ماژول PV.

 

 

(ب) شکل موج ولتاژ مرجع تولیدشده با الگوریتم P&O.

شکل (9): نتایج شبیه‌سازی (الف) ولتاژ، جریان، توان ماژول PV (ب) ولتاژ مرجع تولیدشده با الگوریتم P&O.

 

 

برای اطمینان از پایداری الگوریتم آشوب و مشاهده، زمان استقرار برای ولتاژ فتوولتائیک به  محدود شده است. اجرای کنترل‌کننده در شکل (7) داده شده که در آن باند هیسترزیس  است. ریپل جریان خازن ورودی محاسبه‌شده از رابطه (26) در حداکثر ولتاژ بار و ولتاژ نقطه توان حداکثر برابر با  به دست آمده است. سپس مقدار  از رابطه (26) محاسبه شده و  به دست آمده است. پس از آن، سیستم معادلات تشکیل‌شده با استفاده از تابع  نرم‌افزار MATLAB به  رسیده است. با وجود کنترل‌کنندۀ مد لغزشی طراحی‌شده برای تابش پیوسته،  در شرایط دینامیکی از مرجع، زمانی که سیستم در حالت پایدار است، برای مثال با مرجع ثابت، کنترل‌کنندۀ مد لغزشی به ردیابی با تغییرات تابش بسیار سریع‌تر قادر است.

شکل (10) شبیه‌سازی کنترل مد لغزشی به‌ازای گام بالا و گام پایین تغییرات مرجع نشان داده شده است. شبیه‌سازی ارائه‌شده در شکل (10) مربوط به بلوک دیاگرام داده‌شده در شکل (7) (الف) است. کاملاً واضح است ولتاژ آرایه فتوولتائیک به‌طور رضایت‌بخشی مرجع  را ردیابی می‌کند؛ درحالی‌که سطح لغزش به سمت باند هیسترزیس برای تمام شرایط حرکت می‌کند و حالت لغزشی را حتی در گذر از حفظ می‌کند و رژیم لغزشی پایداری را داراست.

 

 

 

 

 

شکل (10): شبیه سازی SMC برای مبدل چوک

 

 

در شکل (11) و (12)، پاسخ سیستم به‌ازای سطح تابش مختلف و در دماهای متفاوت نشان داده شده است. ملاحظه می‌شود باوجود تغییرات پله‌ای و شدید در پارامترهای نامی، ولتاژ خروجی و ولتاژ مرجع سیستم دقیقا مساوی‌اند که کارایی کنترل‌کننده مد لغزشی را در محدودۀ کاری وسیع نشان می‌دهد.

 

 

 

 

 

 

 

(الف) تغییرات دما (از 25درجه سانتیگراد تا 40 درجه سانتیگراد در
3 ثانیه و 6 ثانیه) و تابش (از 600 ولت بر مترمربع تا 1000 ولت بر مترمربع در 2،4،6 و 8 ثانیه).

 

 

 

 

 

(ب) تغییرات جریان، ولتاژ و توان PV به‌ازای تغییرات دما و تابش در قسمت (الف).

شکل (11): نتایج شبیه‌سازی (الف) تغییرات دما و تابش خورشید (ب) جریان، ولتاژ و توان PV به‌ازای تغییرات دما و تابش

 

 

شکل (12): شبیه‌سازی سیستم PV برای تغییرات در تابش و دما

 


1-4- مقایسۀ روش پیشنهادی با روشهای کلاسیک PID

با توجه به اینکه سیستم خورشیدی در شرایط تابش و دمای متفاوت کار می‌کند و اینکه ثابت نگه داشتن دما و تابش فقط حالت ایدئال است، در شکل (13) شبیه‌سازی کنترل‌کنندۀ PID برای شرایط دما و تابش متغییر ارائه‌شده است که نتایج به‌دست‌آمده نشان می‌دهند پاسخ حالت گذرا در کنترلر PID نسبت به SMC کندتر است و پایدار نیست؛ بنابراین با توجه نتایج به‌دست‌آمده از شبیه‌سازی طرح پیشنهادی در این مقاله کنترل‌کننده SMC کارایی بهتری نسبت به کنترلرهای کلاسیک نظیر PID دارد.

در شکل (14) مقایسۀ ولتاژ و جریان PV با استفاده از دو کنترل‌کنندۀ SMC و PID مشاهده می‌شود.

 

 

 

شکل (13): شبیه‌سازی سیستم PV برای تغییرات تابش و دما با PID

 

شکل (14): مقایسه ولتاژ و جریان PV با استفاده از دو کنترل‌کننده  SMCو PID

 


5- نتیجه‌گیری

در این مقاله روشی جدید و ساده برای ردیابی نقطه توان حداکثر یک سیستم فتوولتائیک با استفاده از مبدل
DC-DC چوک و براساس کنترل‌کنندۀ مد لغزشی به‌صورت گام‌به‌گام ارائه شده است. ملاحظه می‌شود با تغییر در شرایط محیطی مانند تابش خورشید و یا درجه حرارت سیستم ارائه‌شده مقدار مرجع را ردیابی می‌کند. انتخاب سطح سوئیچینگ براساس ترکیب خطی از جریان خازن ورودی و خطای ولتاژ PV، به‌صورت حلقۀ کنترل واحد ارائه شده است. این رویکرد از دیگر راه‌حل‌های مشابه که قبلاً گزارش شده، متفاوت است و نیازی به کنترل‌کنندۀ متوالی براساس حلقه‌های کنترل جریان داخلی و حلقه‌های ولتاژ ندارد. مهم‌ترین مزیت مبدل Ćuk برای ردیابی نقطه توان ماکزیمم، که در این پروژه استفاده شده، کوچک‌بودن ریپل جریان‌های ورودی - خروجی مربوطه و نیازنداشتن به فیلتر است که با حذف فیلتر ورودی از سیستم هزینه‌های ساخت مداری، کاهش و حجم مداری سیستم نیز کاهش می‌یابد. پارامترهای کنترل‌کننده با حل مجموعه معادلات غیرخطی به دست آمده و محدودیت‌های لازم برای نگهداری آن در رژیم لغزشی آرایۀ فتوولتائیک و نقطۀ کار مبدل DC-DC محاسبه شده است.

 



[1]تاریخ ارسال مقاله: 07/03/1397

تاریخ پذیرش مقاله: 26/09/1397

نام نویسندۀ مسئول: بهمن طاهری

نشانی نویسندۀ مسئول: ایران، تهران، باشگاه پژوهشگران جوان و نخبگان، دانشگاه آزاد اسلامی، گروه مهندسی برق

[1] R. Noorian , H. Mohammadi, Effective combined operation of an independent DC network and PV systems for feeding unbalanced AC loads, Computational Intelligence in Electrical, Vol. 7, No. 2, Summer 2016. 

[2] H. Ijadadi and A. Hajizadeh , ''Maximum power tracking in the solar power generation system based on the fuzzy approximation of the point of operation voltage with radiation intensity'' Computational Intelligence in Electrical, Vol. 3, No. 2, summer 2012.

[3] F. HajiMohammadi ,B. Fani and M. Moazami, ''A New Fuzzy-Risk-Intelligent Coordination Method in Distribution Systems with High Penetration Factor for Photovoltaic Systems'', Computational Intelligence in Electrical,Vol. 9, No. 1, Spring 2018. 

[4] A. Salimi ,N. Gaffarzadeh, ''A new method for controlling the combined system of solar cells and battery connected to a power grid with a predictive controller'', Computational Intelligence in Electrical,Vol. 7, No. 2, summer 2016. 

[5]  D. Gonzalez Montoya, C. Andres Ramos-Paja, Roberto Giral, "Improved design of sliding mode controllers based on the requirements of MPPT techniques", IEEE Transactions On Power Electronics, January, 2015.

[6] S. Kim, M. Bok Kim, M . Joong Youn, " New Maximum Power Point Tracker Using Sliding-Mode Observer for Estimation of Solar Array Current in the Grid-Connected Photovoltaic System", IEEE Transactions On Industrial Electronics, Vol. 53, No. 4, August 2006.

[7] Emilio Mamarelis, Giovanni Petrone, Giovanni Spagnuolo, " A two-steps algorithm improving the P&O steady state MPPT efficiency", Applied Energy, 113, 414–421, 2014.

[8] Fan Zhang, Jon Maddy, Giuliano Premier, Alan Guwy, "Novel current sensing photovoltaic maximum power point tracking based on sliding mode control strategy", Solar Energy, 118, 80–86, 2015.

[9] Fangrui Liu, Shanxu Duan, Fei Liu, Bangyin Liu, Yong Kang, "A Variable Step Size INC MPPT Method for PV Systems", IEEE Travs. Electron, Vol. 55, Jul. 2008

[10] S.Yuvarajan, S.Xu, "Photo-voltaic power converter with a simple maximum power point tracker," in Proc. 2003 Int. Symp. Circuits Syst., pp. 399-402, 2003.

[11] Ahmad.J,"A fractional open circuit voltage based maximum power point tracker for photovoltaic arrays". IEEE International Conference on Software Technology and Engineering", pp. 247-250, 2010.

[12] Vladimir V.R.Scarpa, Simone Buso, Giorgio Spiazzi," Low-Complexity MPPT Technique Exploiting the PV Module MPP Locus Characterization", IEEE transactions on industrial electronics, Vol. 56, pp. 1531-1538, May 2009.

[13] Alessandro Costabeber, Matteo Carraro, Mauro Zigliotto, " Convergence Analysis and Tuning of a Sliding-Mode Ripple-Correlation Mppt", Ieee Transactions On Energy Conversion, 2014.

[14] S. Lalounia & D. Rekiouaa & T. Rekiouaa & E. Matagne , "Fuzzy logic control of standalone photovoltaic system with battery storage" , Journal of Power Sources ,Vol. 193, pp.899-907, 2009.

[15] Il-Song Kim, "Sliding mode controller for the single-phase grid-connected photovoltaic system ", Applied Energy, Vol. 83, pp. 1101–1115, 2006.

[16] Vadim Utkin, " Sliding mode control of DC/DC converters", Journal of franklin institute, 350, 2146-2165, 2010

[17] H.El Fadil, F.Giri, Josep M.Goerrero, "Adaptive  sliding mode control of interleaved parallel boost converter for fuel cell energy generation system", Mathematics and computers in simulation, Vol. 91, pp. 193-210, 2013.

[18] D.G.Montoya, C.A. Ramos Paja, G.Petrone, "Design method of the perturb and observe controller parameters for photovoltaic applications", Circuits and systems (CWCAS), IEEE 4th Colombian Workshop on, 2012.

[19] H. Sira-Ramirez, “Sliding motions in bilinear switched networks.,” IEEE transactions on circuits and systems, Vol. CAS-34, No. 8, pp. 919–933, 1987.

[20] S. Tan, Y. M. Lai, and C. K. Tse, “General design issues of sliding-mode controllers in dc-dc converters,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 55, No. 3, pp. 1160–1174, 2008.

[21] B.Taheri, M. Sedaghat ,, A new general controller for DC-DC converters based on SMC methods,, 2018 6th International Istanbul Smart Grids and Cities Congress and Fair (ICSG), 25-26 April 2018 ,IEEE

[22] F.ValenciagaF.A.Inthamoussou ,, A novel PV-MPPT method based on a second order sliding mode gradient observer ,, Energy Conversion and Management Vol. 176, No. 15, pp. 422-430, 2018.

[23] B. Taheri, M. Sedaghat, M. Bagherpour3, P. Farhadi,, A New Controller for DC-DC Converters Based on Sliding Mode Control Techniques,, Journal of Control, Automation and Electrical Systems, 2018.

[24] A. Siadatan , N, Fatahi , M. Sedaghat ,, Optimum Designed Multilayer Switched Reluctance Motors for use in Electric Vehicles to Increase Efficiency,, 2018 International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion (SPEEDAM).