- مقدمه^[1]

تولیدکننده‌های برق خورشیدی آلوده‌کنندۀ محیط‌زیست نیستند؛ به همین دلیل، امروزه این تولیدکننده­ها بیشتر مورد توجه قرار گرفته­اند ]1-2[. سطح توان تولیدی تولیدکننده‌های برق خورشیدی پایین است و آنها معمولاً به صورت پراکنده به شبکه­های توزیع برق اتصال می­یابند و به پایداری شبکه­ها کمک زیادی می­کنند ]3[ عمر بهره­برداری از آنها زیاد است، تعمیر و نگهداری چندانی نیاز ندارند و طبق نیاز، به صورت­­های متصل به شبکه یا جزیره­ای طراحی و استفاده می‌شوند. تولیدکننده­های برق خورشیدی متصل به شبکه­های توزیع دارای قابلیت بهره­برداری بدون باتری هستند ]4[. باتری­های استفاده‌شده در تولیدکننده­های برق خورشیدی گران­قیمت هستند و در صورتی که بتوان از یک تولیدکنندۀ برق خورشیدی بدون باتری استفاده کرد، قیمت تمام‌شدۀ کلی سیستم کاهش می­یابد ]5[. سطح ولتاژ مستقیم تولیدشده توسط صفحه­های خورشیدی حدود 10 الی 40 ولت است. این صفحه­ها به وسیلۀ مبدل­های الکترونیک قدرت به شبکه­های توزیع متصل می­شوند. ولتاژ، جریان و امپدانس این صفحه­ها به میزان تابش خورشید و دما بستگی دارند و با شرایط آب‌وهوا تغییر می­کنند؛ بنابراین، این مقادیر دائماً در حال تغییر هستند و لازم است مدار­های الکترونیک قدرت نسبت به تغییرات سطح ولتاژ و جریان مستقیم ورودی از صفحۀ خورشیدی حساسیت زیادی نداشته باشند. در تولیدکنندۀ برق خورشیدی، این مقادیر به نام نامعینی[i] معرفی می‌شوند. نامعینی­ها تأثیر منفی در کنترل­ سیستم­های تولیدکنندۀ برق خورشیدی دارند. روش­هایی مختلف برای چیره‌شدن بر این اثرات منفی آب‌وهوا در کنترل کننده­ها وجود دارند ]6[. راندمان صفحه­های خورشیدی کم است؛ بنابراین، مبدل­های الکترونیک قدرت باید بتوانند در ورودی خود تطبیق امپدانس با صفحه­های خورشیدی را انجام دهند و در همۀ شرایط آب‌وهوایی تحت بیشینۀ راندمان کار کنند. در تولیدکننده­های برق خورشیدی، برای دست­یابی به این شرایط از راهکاری به نام ردیابی نقطۀ بیشینۀ توان[ii] استفاده می­شود ]8-7[. روش­هایی مختلف برای محاسبۀ نقطۀ بیشینۀ توان الکتریکی از صفحه­های خورشیدی در شرایط مختلف آب‌وهوایی به کار گرفته شده‌اند ]10-9[. از سیستم‌های برق خورشیدی، افزون بر تزریق توان اکتیو به شبکه، استفاده‌های دیگری نیز می‌توان کرد، از جمله تزریق توان راکتیو و کاهش هارمونیک‌های شبکه ]11[.

ولتاژ مستقیم متغییر تولیدشده در خروجی صفحه­های خورشیدی در مبدل الکترونیک قدرت به ولتاژهای متناوب سه­فاز یا متناوب تک­فاز متناسب با سطح ولتاژ شبکه تبدیل می‌شود ]13-12[. متغیربودن سطح ولتاژ شبکۀ تحت اتصال به عنوان نامعینی در این نوع از تولیدکننده­ها محسوب می‌شود. اینورتر طراحی‌شده باید به تغییرات ولتاژ شبکه حساسیت نداشته و همچنین، توانایی تولید ولتاژ با سطح دامنۀ بیشتر از ولتاژ شبکه را داشته باشد.

برای اینورتر متصل به شبکه معمولاً ازمدلاسیون پهنای پالس[iii] سینوسی استفاده می‌شود. اما در سیستم‌های تک‌فاز، روشی دیگر هم برای تزریق جریان سینوسی به شبکه وجود دارد و آن استفاده از سیستم دومرحله‌ای است که در مرحلۀ نخست، با یک مبدل DC-DC جریان سینوسی یک‌سوشده تولید می‌شود و سپس، در اختیار اینورتر قرار می‌گیرد. اینورتر با فرکانس شبکه این شکل موج سینوسی به اصطلاح تاشده را باز و به صورت جریان سینوسی به شبکه تزریق می‌کند. مزیت این طرح است که در آن، برخلاف سیستم‌های دومرحله‌ای مرسوم که از دو مبدل PWM استفاده می‌کنند، تلفات کلیدزنی اینورتر به‌مراتب کاهش می‌یابد و فرمان به اینورتر و هم‌زمان‌سازی آن با ولتاژ شبکه راحت‌تر انجام می‌شود.

در ]14[، یک سیستم متصل به شبکۀ مبتنی بر مبدل‌های فلای‌بک و پوش-پول[iv] با روش بازکردن جریان در اینورتر ارائه شده است. برای اجرا از کنترل‌گرهای کلاسیک و مدولاسیون خاصی استفاده شده است. روش ارائه‌شده مقاوم نیست. در ]15[، این روش در مرحلۀ نخست با یک مبدل DC-DC با سلف سوییچ شونده[v] استفاده شده است. این مبدل ایزوله نیست و تعداد قطعات نسبتاً زیادی دارد که این امر باعث پیچیدگی و تلفات خواهد شد. در ]16[، با اعمال روش بازکردن جریان و انتخاب جریان مغناطیس‌کنندۀ سلف فلای‌بک به عنوان متغیر کنترلی، موج سینوسی یک‌سوشده ساخته شده است. جریان مغناطیس‌کننده به طور مستقیم قابل اندازه‌گیری نیست. در ]17[، در مرحلۀ نخست، از یک مبدل فوروارد با کلمپ فعال استفاده شده است تا کلیدزنی در ولتاژ صفر صورت گیرد. با این ساختار، با وجود مزیت کاهش تلفات، شکل موج‌ها و طراحی پیچیده می‌شود. در ]18[، در مرحلۀ نخست، از ساختاری موسوم به فوروارد-فلای‌بک با کلیدزنی نرم استفاده شده است که مودهای عملکرد متعدد و شکل موج‌هایی پیچیده دارد. در ]19[، از یک سلف تطبیقی استفاده شده است که روش اجرا و مودهای عملکرد دشواری دارد. در ]20[، کلیدزنی نرم مبدل فلای‌بک در مرحلۀ نخست مطرح شده است که مودهای عملکرد و شکل موج‌هایی نسبتاً پیچیده دارد که این امر روند طراحی و کنترل را دشوار می‌کند. در ]21[، در مرحلۀ نخست، از ساختار درهم‌تنیدۀ فلای‌بک و کنترل مُد لغزشی کلاسیک استفاده شده است که این کنترل مشکل خاص خود را دارد در ضمن، سیستم دو ورودی است که این امر طراحی کنترلی را دشوار می‌کند. در ]22[، از مبدل فلای‌بک در مرحلۀ نخست با کنترل‌گرهای کلاسیک غیرمقاوم استفاده شده است. در ]23[، در مرحلۀ نخست، از مبدل فلای‌بک با کلیدزنی در جریان صفر استفاده شده است که مود کاری متعدد و طراحی دشواری دارد.

مبدل الکترونیک قدرت یک سلول خورشیدی به لحاظ ساختاری یک سیستم غیرخطی محسوب می‌شود؛ با این حال، می‌توان برای کنترل این سیستم غیرخطی یک کنترل‌کنندۀ خطی مانند PI[vi] طراحی کرد ]24[. سرعت عملکرد کنترل‌کننده‌های خطی نسبت به سرعت عملکرد کنترل‌کننده‌های غیرخطی کمتر است. کنترل‌کننده‌های PI در یک محدودۀ خاص دارای عملکرد مناسب هستند و معمولاً به صورت آنالوگ طراحی و اجرا می‌شوند و به‌مراتب نسبت به کنترل‌کننده‌های غیرخطی دارای پایداری کمتری هستند و توانایی غلبه بر نامعینی‌ها را ندارند. یکی از روش‌های کنترل غیرخطی که با وجود سادگی، قابلیت ارائۀ رفتار مقاوم در حضور برخی از نامعینی‌های را دارد، کنترل مُد لغزشی است. کنترل مُد لغزشی کلاسیک از پدیدۀ لرزش[vii] رنج می‌برد. امروزه، کنترل‌گرهای مُد لغزشی پیشرفته‌ای مانند کنترل مُد لغزشی فراپیچشی[viii] ارائه شده‌اند که لرزش در آنها حذف شده یا بسیار کاهش یافته است. در ]25[، از این روش کنترلی برای کنترل سیستم‌های ذخیره‌ساز انرژی ترکیبی استفاده شده است. در ]26[، برای کنترل، سیستم برق خورشیدی متصل به شبکۀ سه‌فاز استفاده شده است. در ]27[، این روش برای توربین بادی استفاده شده است. کنترل ردیابی نقطۀ بیشینۀ توان  در ]28[ و کنترل ژنراتور بادی در ]29[ با این روش انجام داده شده است.

یکی از روش‌های تنظیم ضرایب کنترل‌گرها استفاده از الگوریتم‌های فراابتکاری مانند الگوریتم بهینه‌سازی ازدحام ذرات (PSO)[ix] است ]30[. در ]31[، از این الگوریتم برای تنظیم بهینۀ ضرایب یک تنظیم‌کنندۀ درجۀ دوخطی در ریزشبکه استفاده شده است.

در این مقاله، روش بازکردن جریان مدنظر است. از یک مبدل فوروارد دوکلیده در مرحلۀ نخست استفاده شده است که بازنشانی هسته و بازیافت انرژی در آن به طور خودکار اتفاق می‌افتد. افزون بر این، این مبدل از دیدگاه کنترلی، یک سیستم کمینۀ فاز محسوب می‌شود و مشکل دینامیک نامطلوب یا ناپایداری داخلی ندارد. معادلات حالت میانگین سیستم پیشنهادی به دست آورده شده‌اند. همچنین، به‌ جای استفاده از کنترل‌کننده‌های کلاسیک و روش‌های مدولاسیون پیچیده، یک کنترل‌کنندۀ مُد لغزشی فراپیچشی طراحی شده است که قابلیت ردیابی جریان مرجع سینوسی یک‌سوشده را دارد. این کنترل‌کننده، برخلاف محاسبات و پیچیدگی کمی که دارد، مقاوم است و مشکل پدیدۀ لرزش کنترل‌کنندۀ مُد لغزشی معمولی در آن وجود ندارد. برای عملکرد بهتر کنترل­کنندۀ فراپیچشی، ضریب­های کنترل­کننده توسط الگوریتم بهینه‌سازی ازدحام ذرات بهینه­سازی شده‌اند.

2-سیستم برق خورشیدی مدنظر

 مبدل الکترونیک قدرت در سیستم تولیدکنندۀ برق خورشیدی در گام اول باید نقطۀ ­کاری بیشینۀ توان را در هر لحظه شناسایی کند. در گام دوم، مبدل باید ولتاژ مستقیم افزایش‌یافته را به ولتاژ متناوب با سطح متناسب با شبکه تبدیل کند. در تمامی تولیدکننده­های برق خورشیدی، این فرایندها انجام می‌شوند. برخی از سیستم‌های برق خورشیدی تک‌مرحله‌ای و فقط دارای یک اینورتر هستند.

در سیستم کنترل تولیدکنندۀ برق خورشیدی از نوع دومرحله­ای، در مرحلۀ نخست، مبدل  DC-DCو در مرحلۀ دوم، اینورتر قرار گرفته است. در این مقاله، اینورتر به روش بازکردن جریان در فرکانس خط[x] کلیدزنی می‌شود. کلیدهای ساق­های اینورتر به شکل دوقطبی کلیدزنی می‌شوند. موج سینوسی موجود در ورودی اینورتر در نیم‌سیکل مثبت، بدون تغییر به خروجی منتقل می‌شود و در نیم­سیکل منفی، معکوس موج سینوسی در ورودی به خروجی انتقال داده می­شود. شکل (1) این روش کنترل در یک اینوتر تک­فاز را نشان می­دهد. دو کلید ساق­های   و  به صورت هم­زمان در نیمی از یک سیکل و کلیدهای  و    به صورت هم­زمان در نیمی دیگر از یک سیکل روشن و خاموش می‌شوند. در ورودی اینورتر، باید قدرمطلق جریان خروجی را در اختیار داشته باشیم. این جریان تولیدشده در مرحلۀ نخست، به علت کلیدزنی دوقطبی اینورتر و بازشدن جریان به صورت سینوسی کامل، همانند شکل (1) به خروجی انتقال داده می­شود.

شکل (1): روش بازکردن جریان

 در این مقاله، مبدل مرحلۀ نخست، یک مبدل فوروارد دوکلیده انتخاب شده است. سیستم برق خورشیدی پیشنهادی در شکل (2) نشان داده شده است. اگر کلیدهای  و   روشن شوند، دیودهای   و   به علت قرارگرفتن ولتاژ معکوس بر روی دو سر آنها خاموش می‌شوند و انرژی از صفحۀ خورشیدی به سیم­پیچ مبدل فوروارد انتقال می­یابد. اگر کلیدهای  و   خاموش شوند، به علت اجبار جریان دیودهای   و   روشن می‌شوند و انرژی موجود در سیم­پیچ مبدل فوروراد به سمت خازن موجود در خروجی صفحۀ خورشیدی باز می‌شود و سیم­پیچ مبدل فوروارد مغناطیس­زدایی می­شود؛ بنابراین، مبدل ارائه‌شده دارای قابلیت بازگشت انرژی به منبع تغذیه است. مبدل DC-DC فوروارد ارائه‌شده به روش پهنای پالس کلیدزنی می‌شود. فرکانس حامل در کلیدزنی پهنای پالس مبدل فوروارد موجود در مرحلۀ اول در حد چند ده کیلو هرتز قابل انتخاب و عامل ایجاد نوسان و آلودگی هارمونیکی در خروجی این مبدل فورواد است. برای حذف این نوسان­های فرکانس زیاد ایجادشده از روی شکل موج خروجی مبدل فوروارد، یک فیلتر پایین­گذر LC در خروجی مبدل قرار گرفته است.

شکل (2): سیستم تولیدکنندۀ برق خورشیدی پیشنهادشده

3-مدل­سازی سیستم برق خورشیدی

مدار مبدل سیستم تولیدکنندۀ برق خورشیدی پیشنهادشده مطابق شکل (2) دارای دو حالت کاری است. برای تحلیل مبدل الکترونیک قدرت از معادله­های حالت میانگین استفاده می‌شود.  ،    و   به عنوان متغیرهای حالت مدار در نظر گرفته شده‌اند. در حالت کاری نخست، کلیدهای ،    و    روشن و کلیدهای  ،    و  در وضعیت خاموش هستند. در صورتی که در ورودی معادله‌های KVL و KCL اعمال شوند و در خروجی معادلۀ KVL اعمال شود، معادله‌های حالت مدار به شکل روابط (1) الی (3) به دست می‌آیند:

در صورتی که کلیدهای ،   و   خاموش شوند و کلیدهای ،   و   روشن باشند، حالت کاری دوم مداری تعریف می­شود. اگر در ورودی مدار معادله­های KVL و KCL اعمال شوند و در خروجی مدار معادلۀ KVL  اعمال  شود، معادله­های حالت مدار به شکل روابط (4) الی (6) به دست می‌آیند:

اگر زمان روشن‌بودن کلیدهای  و   ،  برابر دورۀ تناوب و زمان خاموش‌بودن این کلیدها  برابر دورۀ تناوب در نظر گرفته شود، معادلات میانگین به شکل روابط (7) الی (9) به دست می‌آیند:

4- کنترل پیشنهادی

در این بخش، یک کنترل­کنندۀ­ غیرخطی مقاوم در برابر نامعینی­ها از نوع کنترل­کنندۀ مُد لغزشی[xi] طراحی می‌شود. برای استفاده از این نوع کنترل­کننده در ابتدا متغیری به نام متغیر لغزش[xii] تعریف می‌شود. متغیر لغزش منحصربه­فرد نیست و انتخابی است. دربارۀ سیستم خورشیدی پیشنهادی، جریان متناظر با توان اکتیو مطلوب در خروجی به صورت  در نظر گرفته می‌شود. متغیرهای خطای جریان به صورت  و انتگرال آن به صورت   در نظر گرفته می‌شوند.  ترکیب خطی این دو متغیر به عنوان متغیر لغزش (معادلۀ 10) معرفی می‌شود:

در اینجا،  و  ضریب­های اکیداً مثبت هستند که باید تنظیم شوند. باید از متغیر لغزش نسبت به زمان مشتق­گیری شود؛ اگر در مشتق زمانی محاسبه‌شده، ورودی تعریف‌شدۀ سیستم رؤیت شد، با صفر قراردادن مشتق زمانی سطح لغزش، ورودی مناسب محاسبه و به سیستم اعمال می­شود. به این ورودی محاسبه‌شده اصطلاحاً ورودی معادل[xiii] گویند. مشتق زمانی متغیر لغزش انتخاب‌شده نسبت به زمان در معادلۀ (11) محاسبه شده است:

این مشتق شامل ورودی نیست. با مشتق‌گیری از معادلۀ (9) نسبت به زمان، معادلۀ (12) حاصل می‌شود:

مقدار  از معادلۀ (8) در معادلۀ (12) جایگزین می‌شود و طرفین در  ضرب می‌شوند تا معادلۀ (13) حاصل شود:

از طرفین معادلۀ (13) نسبت به زمان مشتق­گیری می‌شود و از معادلۀ (7) مقدار  در آن جایگزین می‌شود:

از معادلۀ (14) مقدار  به صورت معادلۀ (15) محاسبه می‌شود:

با جایگزین‌کردن مقدار  محاسبه‌شده از معادلۀ (15) در مشتق زمانی متغیر لغزش ، ورودی کنترل  که چرخۀ کاری[xiv]  کلیدهای  و   است، پدیدار می‌شود. با مساوی صفر قراردادن این مشتق، ورودی کنترل  به صورت معادلۀ (16) محاسبه شده است. ثابت می‌شود اگر سیستم تولیدکنندۀ برق خورشیدی روی سطح لغزش، یعنی  ، قرار بگیرد، با اعمال ورودی کنترل معادل محاسبه‌شده به مبدل فوروارد، این ورودی باعث هدایت و لغزیدن به سمت مبدأ می‌شود و همگرایی مقدار جریان خروجی سیستم تولیدکنندۀ برق خورشیدی  به مقدار  را تضمین می­کند.

به علت نامعینی­های موجود در سیستم برق خورشیدی پیشنهادشده، ورودی کنترل  معرفی‌شده قادر به هدایت متغیر لغزش به سمت سطح لغزش نیست و اگر در شرایطی، متغیر لغزش در سطح لغزش نیز باشد، این ورودی کنترل نمی­تواند متغیر لغزش را در سطح لغزش حفظ کند؛ بنابراین، به اعمال ورودی دیگری به مبدل فوروارد نیاز است که تضمین‌کنندۀ رسیدن متغیر لغزش به سطح لغزش و نگهداری آن متغیر در سطح لغزش در تمامی زمان­ها باشد و پایداری سیستم را تضمین کند. در روش­های کنترل غیرخطی مُد لغزشی، این ورودی به ورودی رسیدن[xv] معروف است. در این نوع کنترل، انواع ورودی­های رسیدن استفاده شده‌اند. ساده­ترین ورودی رسیدن  است. امروزه، انواع ورودی­های رسیدن مطرح شده‌اند. ورودی فراپیچشی[xvi] یکی از این ورودی­هاست که استفاده از آن باعث افزایش سرعت پاسخ و پایداری سیستم و حفظ سادگی اجرا می­شود ]33-32[. استفاده از ورودی رسیدن فراپیچشی منجر به نتایج بهتری می‌شود. ورودی رسیدن فراپیچشی در معادلۀ (17) برای سیستم پیشنهاد شده است ]34[:

در معادلۀ (17)،  به صورت  انتخاب می‌شود ]36-35[. در معادلۀ (17)، مقدار  از معادلۀ (18) به دست می‌آید:

با جمع‌کردن دو ورودی­ معادل و ورودی ­رسیدن به صورت معادلۀ (19) و اعمال آن ورودی تجمیعی به کلیدهای  و  مبدل فوروارد، تعقیب جریان  به سمت  با دقت مناسب انجام می‌شود.

ضریب­های   تا   ضریب­های قابل تنظیم کنترل­کنندۀ مُد لغزشی فراپیچشی هستند که به روش­های مختلف می‌توان آنها را تنظیم کرد ]37-7[. با استفاده از روش­های هوشمند می‌توان این پارامترها را به صورت بهینه تنظیم کرد. یکی از این روش­ها الگوریتم ازدحام ذرات[xvii] است که مقدار بهینۀ سراسری را در کل فضا ارائه می­کند و از درگیری در کمینه­های محلی پرهیز می­کند. این روش دارای سادگی و سرعت همگرایی سریع است و از پارامترهای کمتری در مقایسه با سایر روش­ها استفاده کرده است.

در استفاده از روش­ بهینه­سازی PSO، تعدادی راه‌حل که به عنوان ذره در فضای امکان شناخته می‌شوند، به صورت تصادفی انتخاب می­شوند ]38[. رویکرد الگوریتم یافتن بهترین حالت یا موقعیت و سرعت رسیدن به هدف از میان راه‌حل­های موجود است. در تنظیم ضرایب معادلۀ (19)، هدف دست­یابی به بهترین ضریب­های کنترل‌کنندۀ مُد لغزشی فراپیچشی است. تابع هزینه در کنترل طرح‌شده به صورت معادلۀ (20) انتخاب شده است:

در معادلۀ (20)،  و  به‌ترتیب خطا و انتگرال خطا و  و  ضریب­های وزنی هستند. برای تابع هدف تعریف‌شده قیدهایی در نظر گرفته شده‌اند و الگوریتم شکل (3) اجرا شده است؛ به این ترتیب، ضریب­های بهینۀ کنترل‌گرها به دست می‌آیند.

5-شبیه­ سازی سیستم

مقدار عنصرها و مقادیر نامی سیستم تولیدکنندۀ برق خورشیدی پیشنهادی شکل (2) در جدول (1) ارائه و این تولیدکننده در نرم‌افزار متلب شبیه­سازی شده است.

جدول (1): مقدارهای عنصرها و مقادیر نامی مبدل

در مبدل فوروارد مرحلۀ اول، از مدولاسیون پهنای پالس استفاده می‌شود. فرکانس حامل 20 کیلوهرتز انتخاب شده است. با روشن‌کردن کلیدهای   و   انرژی به سیستم تزریق می‌شود و با خاموش‌شدن آنها دیودهای  و  روشن می‌شوند و انرژی به منبع بازمی­گردد. برای اجرای الگوریتم بهینه­سازی ازدحام ذرات شکل (3)،   مناسب در متلب ایجاد شده است. در برنامۀ اصلی ضریب‌های  تا  به صورت متغییر لحاظ شده‌اند. در برنامه، حد بالای تمام ضریب­های  تا   1000 و حد پایین آنها صفر انتخاب شده­ است. ضریب­های وزنی  و  با سعی و خطا انتخاب و تنظیم شده‌اند. تعداد جمعیت ذرات اولیه 15 انتخاب شده است. بیشینۀ تعداد تکرار برای همگرایی 100 انتخاب شده است. برای کنترل سرعت ذرات، بیشینۀ ضریب وزنی برای اکتشاف 1 و کمینۀ ضریب وزنی 1/0 برای اکتشاف انتخاب شده و در طول تکرارها این مقدار کاهش یافته است. تابع در حال بهینه­سازی معادلۀ (20) به محیط کار[xviii] متلب انتقال داده شده است و با استفاده از  داده­های به‌دست‌آمدۀ تابع هدف فراخوانی شده‌اند و الگوریتم بهینه­سازی اجرا شده است. در طول تکرارها، بهترین موقعیت محلی با بهترین موقعیت فعلی برای ذرات جایگزین شده است. ارزش موقعیت و سرعت ذرات در رسیدن به بهترین موقعیت سراسری، یکسان انتخاب شده است. پس از اجرای الگوریتم، نتایج بهینه­سازی ، ،  و  از الگوریتم بهینه‌سازی ازدحام ذرات حاصل شده است. این نتایج به شبیه­سازی انتقال داده شده است. برای نشان‌دادن پایداری مناسب، دقت عملکرد و عدم وابستگی کنترل­کنندۀ طراحی‌شده به انواع نامعینی­ها، در دو سیکل اول ولتاژ مستقیم ورودی 47 ولت و دامنۀ مرجع جریان 5/1 آمپر در نظر گرفته شده است.

شکل (3): روند نمای الگوریتم بهینه­سازی ازدحام ذرات

در دو سیکل دوم، ناگهان ولتاژ مستقیم ورودی به 52 ولت و دامنۀ مرجع جریان به 2 آمپر تغییر می­کند. در دو سیکل سوم، ولتاژ مستقیم ورودی ثابت است و فقط دامنۀ مرجع جریان به 3 آمپر تغییر می­‌یابد. شکل (4) جریان خروجی سیستم، شکل (5) جریان ورودی اینورتر و شکل (6) ولتاژ ورودی اینورتر را نشان می‌دهد.

 پس از اجرای شبیه­سازی، خطای تعقیب به صورت شکل (7) و مقدار آلودگی هارمونیکی سیستم طراحی‌شده مطابق شکل (8) استخراج شده است.

شکل (4): جریان سلف  در کنترل غیرخطی مُد لغزشی فراپیچشی

 شکل (5): جریان سلف  در کنترل غیرخطی مُد لغزشی فراپیچشی

شکل (6): ولتاژ خازن  در کنترل غیرخطی مُد لغزشی فراپیچشی

شکل (7): خطای تعقیب در کنترل غیرخطی مُد لغزشی فراپیچشی

برای ارزیابی بهتر میزان دقت عملکرد کنترل­کنندۀ غیرخطی مُد لغزشی ارائه‌شده، بدون هیچ­گونه ایجاد تغییر در سیستم تولیدکنندۀ برق خورشیدی ارائه‌شده، فقط کنترل­کنندۀ طراحی‌شده با کنترل­کنندۀ PI تعویض و سیستم دوباره تحت همان شرایط قبل، کنترل و شبیه­سازی می‌شود. شکل (9) جریان خروجی سیستم، شکل (10) جریان ورودی اینورتر و شکل (11) ولتاژ ورودی اینورتر را با کنترل­کنندۀ PI نشان می­دهد.

با تعویض کنترل­کننده و استفاده از کنترل‌کنندۀ PI، خطای تعقیب به صورت شکل (12) و آلودگی هامونیکی به صورت شکل (13) به دست آمده است. با مقایسۀ با نتایج کنترل‌کنندۀ قبلی، خطای جریان و THD جریان با کنترل‌کنندۀ PI افزایش یافته است.

شکل (8): آلودگی هارمونیکی در کنترل غیرخطی مُد لغزشی فراپیچشی

شکل (9): جریان سلف  در کنترل خطی PI

شکل (10): جریان سلف  در کنترل خطی PI

 شکل (11): ولتاژ خازن  در کنترل خطی PI

 شکل (12): خطای تعقیب در کنترل خطی PI

شکل (13): آلودگی هارمونیکی در کنترل خطی PI 

6-    نتیجه ­گیری

در این مقاله، سیستم تولیدکنندۀ برق خورشیدی متصل به شبکۀ تک­فاز با سطح ولتاژ مؤثر خروجی 220 ولت دارای مبدل الکترونیک قدرت مجهز به یک اینورتر یکپارچه‌شده با مبدل فوروراد کمینه­فاز پایدار با نسبت تبدیل یک‌پانزدهم پیشنهاد شده است. با این طراحی، بازگشت انرژی به منبع و مغناطیس­زدایی هسته به‌سادگی انجام شده است که در افزایش راندمان مبدل تأثیرگذار است. فرکانس زیاد کلیدزنی مبدل فوروارد و استفاده از روش کنترل پهنای ­پالس در این مبدل باعث کاهش حجم مبدل شده است. برای کاهش اعوجاج­های هارمونیکی ناشی از عملکرد سیستم، در خروجی مبدل فوروارد فیلتر پایین‌گذر قرار داده شده است و از ظرفیت سلفی ترانسفورماتور برای سلف مورد نیاز فیلتر هارمونیکی بهره‌برداری شده که کاهش حجم مدار را در پی داشته است. اینورتر تک­فاز مرحلۀ دوم مبدل پیشنهادی به روش کنترل بازکردن جریان کار می­کند و کلیدهای آن به صورت دوقطبی در فرکانس 50 هرتز کلیدزنی شده‌اند. سیستم تولیدکنندۀ برق خورشیدی ارائه‌شده، یک سیستم تک‌ورودی - تک­خروجی در نظر گرفته شده است. جریان خروجی مبدل به عنوان خروجی سیستم و چرخۀ ­کاری کلیدزنی مبدل فوروراد به عنوان ورودی انتخاب شده است. برای پایداری بهتر، سرعت بیشتر، عملکرد بهتر سیستم تولیدکنندۀ برق خورشیدی و عدم تأثیرگذاری نامعینی­ها در عملکرد سیستم، از کنترل غیرخطی مُد لغزشی فراپیچشی استفاده شده است. با استفاده از الگوریتم ازدحام ذرات، ضریب­های بهینۀ کنترل­کنندۀ فراپیچشی استخراج و به کنترل‌کننده اعمال شده‌اند. رفتار سیستم در برابر تغییرات دامنۀ مرجع جریان و تغییرات ولتاژ خروجی از صفحات خورشیدی بررسی شده است. برای نشان‌دادن دقت، سرعت و کارایی زیاد کنترل‌کنندۀ غیرخطی مُد لغزشی فراپیچشی ارائه‌شده، پس از طراحی و شبیه­سازی سیستم تولید­کنندۀ برق خورشیدی، در همان سیستم و شرایط حاکم، به تعویض نوع کنترل مبادرت و از کنترل‌کنندۀ PI استفاده شده است. نتایج حاصل از شبیه­سازی کنترل­کنندۀ مُد لغزشی فراپیچشی با نتایج حاصل از شبیه­سازی کنترل­کنندۀ PI مقایسه شده است. نتایج نشان می­دهد در زمان استفاده از روش کنترل غیرخطی فراپیچشی با تغییرات ایجادشده در ولتاژ خروجی صفحات خورشیدی به‌تنهایی یا تغییرات هم­زمان در مرجع جریان و ولتاژ خروجی صفحات خورشیدی، سیستم به صورت پایدار و با خطای تعقیب و آلودگی هارمونیکی مناسب در حال کار است، در صورتی که استفاده از کنترل خطی PI تحت شرایط و سیستم مداری یکسان باعث ایجاد هارمونیک بیشتر در جریان شده است. بنابراین، با استفاده از کنترل‌کنندۀ مُد لغزشی فراپیچشی، آلودگی هارمونیکی کمتر و راندمان بهتری به دست می‌آید. با اعمال این کنترل، وابستگی سیستم به شرایط آب‌وهوا، ولتاژ شبکۀ توزیع و عدم دقت ساخت قطعات استفاده‌شده در ساخت مبدل تا حدود زیادی حذف می‌شود.     

[1] تاریخ ارسال مقاله  : 18/03/1404

تاریخ پذیرش مقاله : 25/08/1404

نام نویسنده مسئول : نویدرضا ابجدی

نشانی نویسنده مسئول : ایران، شهرکرد، دانشگاه شهرکرد، دانشکده فنی و مهندسی

[i] Uncertainty

[ii] Maximum Power Point Tracking

[iii] Pulse Width Modulation (PWM)

[iv] Push-Pull

[v] Switched Inductor Boost Converter (SIBC)

[vi] Proportional Integrator

[vii] Chattering phenomenon

[viii] Super twisting

[ix] Particle Swarm Optimization

[x] Current Unfolding Method

[xi] Sliding Mode

[xii] Sliding variable

[xiii] Equivalent Input

[xiv] Duty Cycle

[xv] Reaching Input

[xvi] Super Twist Input

[xvii] Power Swarm optimization

[xviii] Work Space