توپولوژی اینورتر بسیار قابل اطمینان با تکنیک جدید محاسبۀ نرم به منظور حذف جریان نشتی در سیستم‌های فتوولتائیک فاقد مبدل متصل به شبکه

چکیده

کلمات کلیدی

1. مقدمه 

2. مدل حالت مشترک ساده‌شده 

شکل 1- اینورتر PV نیم‌پل متصل به شبکه (شبکه - آرایۀ PV) 

شکل 2- مدل حالت مشترک برای اینورتر PV فاقد مبدل تک‌فاز 

2.1- تخمین اتلاف توان کلی در MOSFET و دیودهای ناموازی در توپولوژی اینورتر PV

2.1.1- تلفات رسانایی (Pcond)

2.1.2- تلفات سوئیچینگ (Pswitch)

شکل 3- توپولوژی H5 (شبکه، آرایۀ PV) 

شکل 4- توپولوژی HERIC (شبکه- آرایۀ PV)

3. مکانیسم حذف جریان نشتی 

3.1- حفظ امپدانس بالا در مسیر حالت مشترک با VCM که با فرکانس بالا متغیر است

3.1.1- توپولوژی H5

3.1.2- توپولوژی HERIC

جدول 1- ولتاژهای حالت مشترک و حالت تفاضلی راهبردهای سوئیچینگ مختلف 

جدول 2- حالت‌های رسانایی حالت سوئیچینگ 

3.2- حفظ VCM ثابت با راهبرد مدولاسیون 

3.3- حفظ هر دو VCM و VS1 ثابت   

3.4- کاهش ظرفیت خازن پارازیتی پنل PV با اتصال خازن کوچک به صورت سری به آن 

4. توپولوژی جدید و پیشرفتۀ اینورتر فاقد مبدل متصل به شبکه 

4.1- توپولوژی H5 پیشرفته با راهبردهای سوئیچینگ تک‌قطبی 

شکل 5- توپولوژی H5 پیشرفته (شبکه- آرایۀ PV)

شکل 6- سیگنالهای کنترل برای توپولوژی پیشنهادی 

5. نتایج تجربی 

شکل 7- (a) حالت انتقال توان طی نیم‌چرخۀ مثبت،- شبکه، آرایۀ PV- (b) حالت هرز‌گرد طی نیم‌چرخۀ مثبت،- شبکه، آرایۀ PV- (c) حالت انتقال توان طی نیم‌چرخۀ منفی،- شبکه، آرایۀ PV- (d) حالت هرز‌گرد طی نیم‌چرخۀ منفی- شبکه، آرایۀ PV 

جدول 3- خصوصیات پنل خورشیدی 

شکل 8- عملکرد منحنی (a) ولتاژ خطی، (b) جریان خط، (c) جریان نشتی توپولوژی HERIC و (d) جریان نشتی توپولوژی پیشنهادی

شکل 9- اتلاف کلی در (a) توپولوژی HERIC ، تلفات کلی (محور عمودی) و اجزاء (محور افقی) (b) توپولوژی پیشنهاد‌شده، تلفات کلی (محور عمودی) و اجزاء (محور افقی) 

شکل 10- منحنی بار در مقایسه با منحنی بازدهی (بازدهی به درصد؛ توپولوژی HERIC؛ پیشنهادی؛ بار (W))

جدول 4- مقایسۀ عملکرد توپولوژیهای موجود با توپولوژی پیشنهاد‌شده 

6. نتیجه‌گیری 

 

اینورترهای فتوولتائیک فاقد مبدل متصل به شبکه به دلیل چگالی توان بالای آنها، هزینۀ کم و بازده بالا به طور گسترده در بازار انرژیهای تجدیدپذیر پذیرفته شده‌اند. با وجود این، مسئلۀ اصلی در این اینورترها جریان نشتی است که باید به دقت مورد بررسی قرار گیرد. در این مطالعه، تحلیل جریان نشتی هر دو توپولوژی اینورتر پل با ‌مبدل و فاقد مبدل به صورت گسترده مورد بررسی قرار می‌گیرند. بر این اساس، یک توپولوژی و تکنیک مدولاسیون جدید برای حذف جریان نشتی در سیستم پیشنهاد می‌شود. مکانیسم ایجاد مسیر امپدانس‌بالا بین ماژول فتوولتائیک و سیستم، با جداسازی مناسب آنها در حالت هرز‌گرد و حفظ ولتاژ حالت مشترک در همۀ وضعیت‌های سوئیچینگ، به صورت مفصّل در این مقاله بحث و بررسی می‌شود. در نهایت، نتایج تجربی برای تأیید توپولوژی پیشنهادی با توجه به سایر توپولوژیهای مرسوم ارائه می‌شوند.

سیستم‌های فتوولتائیک (PV) در بازار انرژیهای تجدید‌پذیر محبوبیت بسیاری دارند. این محبوبیت عمدتاً به دلیل کاربرد گستردۀ آنها در همۀ بازارهای انرژی از جمله بخشهای مسکونی، تجاری و صنعتی است. اگرچه روشهای حرارتی خورشیدی زیادی برای بهره‌برداری از انرژی خورشیدی ایجاد شده‌اند اما سیستم PV به دلیل بازده بالا، اندازۀ کوچک، هزینۀ کم و وزن سبک آن به عنوان مفیدترین روش در نظر گرفته می‌شود. عمدتاً، سیستم‌های PV یا به عنوان ماژولهای مستقل و یا متصل به شبکه طراحی می‌شوند. دومی کاربرد گسترده‌ای در بازار دارد چون به شبکه انرژی می‌دهد. به طور کلی، آرایۀ PV، اینورتر، و فیلترهای شبکه در سیستم PV متصل به شبکه استفاده می‌شوند. ماژولهای PV واحدهای ساختاری بنیادیِ یک آرایۀ PV هستند. آنها ظرفیت خازنی نسبت به زمین را نشان می‌دهند که به آن ظرفیت خازنی پارازیتی گفته می‌شود [3- 1]. اگر سطح رسانای بزرگ و میدان الکتریکی قدرتمندی در آرایه‌های PV وجود داشته باشد ظرفیت خازنی پازایتی افزایش می‌یابد. معمولاً توپولوژیهای ‌با‌ مبدل و فاقد مبدل در بخشهای اینورتر استفاده می‌شوند. در توپولوژی اینورتر با ‌مبدل، استفاده از مبدل فرکانس‌پایین (LFT) ایزولاسیون گالوانیک بهتری بین ماژولهای PV و شبکه فراهم می‌کند. با این حال، آنها بازده کلی را تا 2% کاهش می‌دهند و همچنین اندازۀ کلی را افزایش می‌دهند. مسئلۀ اندازۀ کلی با استفاده از مبدل فرکانس‌بالا (HFT) حل می‌شود. این مبدل علاوه بر کاهش اندازۀ سیستم باعث کاهش بازده کلی سیستم نیز می‌شود چون به مراحل تبدیل فرکانس توانِ مازاد نیاز دارد [5، 4]. با این حال، اینورتر PV فاقد مبدل کارآمدتر، فشرده‌تر و از نظر اندازه کوچک است. در این روشها، پنلهای PV مستقیما به شبکه متصل می‌شوند. با این اتصال، حلقۀ رسانا بین پنل PV و شبکه توسط ظرفیت خازنی پارازیتی، ظرفیت خازنی سرگردانِ پنل و شبکه ایجاد می‌شود. اگر ولتاژ حالت مشترک فرکانس‌بالا در حالت انتقال نیرو و حالت هرز‌گردِ عملکرد اینورتر ثابت نگه داشته نشود سپس مقدار بسیار زیادی از جریان نشتی فرکانس‌بالا به این مسیر تزریق می‌شود. این جریان نشتی با ایجاد جریان هارمونیک، اتلاف توان، شوک الکتریکی و تداخل الکترومغناطیسی بر عملکرد سیستم تأثیر می‌گذارد [7، 6]. بنابراین، جریان نشتی باید در سطح خاصی محدود شده باشد تا منطبق با استانداردها باشد و قابلیت اطمینان سیستم‌ها را بهبود دهد. روشها و تکنیک‌های مختلفی برای کاهش جریان نشتی در اینورترهای PV فاقد مبدل پیشنهاد شده‌اند. در یکی از این پیشنهادات، مدار تشدید‌کننده بین ظرفیت خازنی پارازیتی و ظرفیت خازنی سرگردان پنل PV و فیلتر شبکه از طریق حلقۀ رسانا شکل گرفت. با این حال، پیش‌بینی ظرفیت خازنی پارازیتی به دلیل وابستگی آن به شرایط آب‌و‌هوایی (رطوبت)، سطح رسانای پنلهای PV و عناصر منفعل استفاده‌شده در اینورترها و فیلترها دشوار است. بنابراین، کنترل دقیق جریان نشتی به این روش امکان‌پذیر نیست [8]. جهت برآورد ظرفیت خازنی پارازیتی، آزمایشاتی انجام شده‌اند و رقم تقریبی 50-150 nF/kW به دست آمد. با این حال، مسئلۀ جریان نشتی به سلامت و امنیت مردم مربوط است. بنابراین، تقریبها در این مسئله قابل‌قبول نیستند. استانداردهایی مانند DIN VDE 0126-1-1 معیارهایی را برای این مسئله اعمال می‌کنند که بیان می‌کنند حداکثر جریان نشتی قابل‌قبول 300mA است [9]. مطالعات زیادی اثبات کرده‌اند که فرکانس و مقدار جریان نشتی وابسته به راهبردهای توپولوژی و مدولاسیون است. توپولوژیهای مختلف اینورتر برای حذف جریان نشتی در سیستم‌های PV پیشنهاد شدند. ایدۀ اصلی پشتیبان همۀ توپولوژی‌ها جداسازی ماژول PV از سیستم در حالت هرز‌گرد است. این آرایش ساختاری امپدانس بالایی در مسیر مشترک بین ظرفیت خازنی پارازیتی ماژول PV و ظرفیت خازنی سرگردان سیستم ایجاد می‌کند. بنابراین، جریان نشتی در مسیر مشترک توسط این امپدانس بزرگ به صورت کارآمدی کنترل می‌شود [11، 10]. توپولوژیهای مبدل نیم‌پل در مقایسه با مبدلهای تمام‌پل مقرون به صرفه‌تر هستند. ضمناً، این توپولوژی می‌تواند بر مسئلۀ جریان نشتی غلبه کند. با این حال، به ولتاژ ورودی جریان مستقیم بالا (DC) نیاز دارد که دو برابر ولتاژ باس DC مورد نیاز برای مبدل تمام‌پل است. بنابراین، در سمت DC یک مبدل افزاینده نیاز است. که این امر باعث افزایش اندازه و هزینۀ کلی مبدل می‌شود و کارایی آن را تا 92% کاهش می‌دهد [12]. اتصال مستقیم پتانسیل پنل PV به زمینِ شبکه یکی دیگر از راه‌حلهای احتمالی است. مطالعات مختلفی در این زمینه انجام شده‌اند، مانند اتصال نقطۀ میانی یا پایانۀ منفی باس DC به زمین‌شبکه است. در یکی از طرحهای پیشنهادی، حتی یک باس DC مجازی توسط خازنهای سوئیچ‌شده ایجاد می‌شود تا به زمین‌شبکه متصل شود. این روشها جریان نشتی در سیستم PV را به شکل موثری متوقف می‌کنند. با این حال، استفاده از مولفه‌های بیشتر فعال و غیر‌فعال در سیستم باعث کاهش قابلیت اطمینان می‌شوند [14، 13]. به این دلایل مطالعات زیادی در رابطه با مبدلهای تمام‌پل برای محدود‌کردن تعداد سوئیچ‌ها و مسیر موثر جریان نشتی مشترک بین پنلهای PV و شبکه انجام شده‌اند. توپولوژیهای نمونه برای مبدلهای تمام‌پل شامل توپولوژی H5 از SMA و توپولوژی مفهوم اینورتر پر‌بازده و قابل اطمینان (HERIC) از Sunways هستند. هر دوی این توپولوژیها در شیوه‌های صنعتی به صورت گسترده پذیرفته شده‌اند. در توپولوژی H5، جریان نشتی فقط با اضافه‌کردن یک سوئیچ با یک اینورتر نیم‌پل به شکل موثری متوقف می‌شود. اگرچه این روش ارزان است، اما تلفات رسانایی در مقایسه با توپولوژی HERIC نسبتاً بالا است. با این وجود، در توپولوژی HERIC، دو سوئیچ در سمت جریان متناوب (AC) نیم‌پل پیشنهاد شده‌اند. این آرایش ساختاری تضمین می‌کند که فقط دو سوئیچ فعال هستند، هم در حالت هرز‌گرد و هم حالت انتقال توان. این امر تلفات رسانایی را کاهش می‌دهد و بازده کلی سیستم را افزایش می‌دهد. توپولوژیهای زیادی از H5 مشتق شدند و توپولوژیهای HERIC ایجاد شده‌اند. این آثار عمدتاً متمرکز بر تلفات رسانایی و حفظ امپدانس بالا بر مسیر مشترک بین پنل PV و شبکه است [17- 15، 6]. با توجه به این موضوع، این مقاله توپولوژی اینورتر PV فاقد مبدل جدیدی را پیشنهاد می‌کند که مسائل مربوط به توپولوژیهای H5 و HERIC را حل می‌کند. این توپولوژی سوئیچ‌های کمتری از توپولوژی H5 دارد و در عین حال تلفات رسانایی آن کمتر از تلفات رسانایی در توپولوژی HERIC است. در ادامه مقاله به این ترتیب سازماندهی می‌شود. بخش دوم مدل حالت مشترک سادۀ اینورتر PV فاقد مبدل متصل به شبکه و تک‌فاز را با توجه به جریان نشتی در سیستم ارائه می‌کند. بخش سوم تلفات توان کلی در ترانزیستورهای اثر میدانی نیمه‌رسانایِ اکسید- فلز (MOSFET) و دیودهای نا‌موازی در توپولوژی اینورتر PV با معادلات مناسب را ارائه می‌کند. بخش چهارم توپولوژیهای مختلف اینورتر PV با مبدل و فاقد مبدل را تجزیه و تحلیل می‌کند که متمرکز بر عملکرد با توجه به جریان نشتی و تلفات رسانایی است. در همان بخش، ولتاژ حالت مشترک برای همۀ حالتهای سوئیچینگ محاسبه می‌شود و تحلیل عمقی راهبرد مدولاسیون عرض پالس سینوسی تک‌قطبی (SPWM) ارائه می‌شود. در بخش پنجم، توپولوژی جدید و پیشرفتۀ اینورتر متصل به شبکۀ فاقد مبدل با تحلیل عمیق عملکرد آن ارائه می‌شود. در بخش ششم، اعتباریابی کنترل‌‌گر پیشنهادی با مقایسۀ نتایج تجربی با کنترل‌‌گرهای مرسوم انجام می‌شود. نتیجه‌گیری در بخش آخر ارائه می‌شود.