سیستم فتوولتائیک متصل به شبکه – از صفر تا صد

در این آموزش با جنبه‌های مختلف سیستم فتوولتائیک متصل به شبکه آشنا می‌شویم. همچنین، روش انتخاب بهینه اینورتر خورشیدی متصل به شبکه و نرم‌افزار RAPSim را برای شبیه‌سازی سیستم فتوولتائیک متصل به شبکه معرفی خواهیم کرد.

مروری بر شبکه‌های هوشمند

شبکه برق کنونی بر مبنای مفاهیمی شکل گرفته که به دوران توماس ادیسون، جورج وستینگهاوس و نیکولا تسلا باز می‌گردد. پس از یک چالش ابتدایی بر سر اینکه از جریان مستقیم (ذخیره‌سازی آسان‌تر) یا جریان متناوب (انتقال آسان‌تر) استفاده شود، طراحی شبکه با ژنراتورهای سنکرون، ترانسفورماتورها، یک شبکه انتقال با سطوح ولتاژ بالا و متوسط مختلف و یک شبکه توزیع ولتاژ پایین انجام شد. این موضوع مربوط به 120 سال پیش است.

روند نسبتاً جدید تولید انرژی تجدیدپذیر پراکنده، منجر به چالش‌های جدیدی در شبکه شده که نیاز به هوشمند شدن آن دارد. به‌ طور خاص، این چالش‌ها عبارت‌اند از:

• محدودیت پیش‌بینی: منابع انرژی تجدیدپذیر معمولاً وابسته به آب‌وهوا هستند. برای سیستم‌های فتوولتائیک، وضعیت روزانه خورشید را می‌‌توان به‌ خوبی محاسبه کرد، اما عوامل هواشناسی مانند ابرها، دمای محیط و مه را به‌ سختی می‌‌توان پیش‌بینی کرد. این مسئله برای تولید انرژی بادی نیز صادق است.
• محدودیت کنترل: نیروگاه‌های تجدیدپذیر مانند فتوولتائیک، بادی و برق‌آبی قابل کنترل نیستند؛ مگر اینکه بخشی از انرژی تولیدی‌شان از دست برود. در آلمان که سیستم‌های فتوولتائیک مقدار قابل توجهی از توان الکتریکی کشور را تأمین می‌کنند، تولید بیش ‌از حد توسط قانون انرژی‌‌های تجدیدپذیر آلمان مورد بررسی قرار گرفته است. مطابق این قانون، بهره‌برداران سیستم‌‌های فتوولتائیک می‌‌توانند حداکثر خروجی‌شان را در 70 درصد پیک توان قرار دهند یا در مدیریت تولید شرکت کنند که به اپراتور شبکه اجازه می‌‌دهد عملکرد نیروگاه را از دور کنترل کنند. این موضوع به ‌طور بالقوه منجر به تولید سالانه کمتر می‌‌شود.
• کاهش اینرسی: تولید متداول با ژنراتورهای سنگین و بزرگ سنکرون، از طریق انرژی جنبشی ذخیره‌ شده در روتور و شفت گردان، اثر پایدارساز روی شبکه دارد. همچنین این امکان را می‌‌دهد تا از فرکانس شبکه به ‌عنوان یک سیگنال کنترلی استفاده کرد. فرکانس شبکه بالاتر نشان‌‌ دهنده اضافه ‌تولید است، در حالی ‌که فرکانس پایین‌‌تر، اضافه‌بار را نشان می‌‌دهد. در مقابل، سیستم فتوولتائیک عملاً هیچ اینرسی‌‌ ندارد. با جایگزینی توربین‌‌های بخار بزرگ با سیستم‌های فتوولتائیک، حفظ پایداری شبکه دشوارتر می‌‌شود.
• تولید پراکنده: از دیدگاه خطوط انتقال طولانی، تولید پراکنده نسبت به تولید متداول برتری دارد. با این‌ حال، با تنها یک نقطه تولید و تخمین صحیح آمار مصرف، می‌توان با اندازه‌‌گیری چند نقطه، ولتاژ شبکه را پیش‌‌بینی و کنترل کرد. با داشتن نقاط تولید متعدد، پیش‌بینی ولتاژ شبکه در یک سیستم توزیع، نیاز به نقاط اندازه‌‌گیری و کنترل بیشتری دارد.

علاوه بر موضوعات مربوط به انرژی تجدیدپذیر پراکنده، دلایل بیشتری برای ارتقای شبکه فعلی وجود دارد، مثلاً:

• افزایش بازده انرژی: با در اختیار داشتن اطلاعات دقیق‌تر از اینکه انرژی به چه اندازه و برای چه مصرف می‌‌شود، می‌توان اقدامات مؤثری برای کاهش مصرف آن انجام داد. در مقابل، اگر آگاهی از این جزئیات وجود نداشته باشد، توجیه سرمایه‌گذاری، مثلاً جایگزین کردن یک دستگاه قدیمی با نمونه‌‌ای جدیدتر و کارآمدتر، دشوار خواهد بود. موضوع دیگر، حضور انسان در چرخه است؛ ارائه بازخورد مصرف انرژی لحظه‌‌ای دقیق، مصرف‌کنندگان را در فهم استفاده‌‌شان از انرژی یاری می‌دهد، آن‌ها را مسئول‌‌تر می‌کند و در بلندمدت، موجب تغییر در رفتار و سبک زندگی‌شان می‌شود.
• کاهش هزینه‌‌های بهره‌برداری: در یک شبکه هوشمند، تعمیر و نگهداری و کارهای عملیاتی، خودکار انجام می‌‌شود؛ مثلاً قرائت از راه دور انرژی‌سنج‌ها. با این ‌حال، باید توجه کرد که افزایش سطح اتوماسیون، خطر حملات سایبری به چنین زیرساخت‌‌هایی را به ‌دنبال دارد.
• افزایش اطلاعات درمورد الگوهای مصرف: این اطلاعات را می‌توان با نصب سنجه‌های هوشمند و تحلیل داده‌های آن‌ها به ‌دست آورد. در طرف مثبت قضیه، با این کار می‌توان به پیش‌بینی مشکلات شبکه یا شناسایی موارد سرقت انرژی کمک کرد، اما در طرف منفی آن، از دست دادن حریم خصوصی مطرح می‌شود.

بنابراین، یک شبکه هوشمند نه‌تنها باید منابع انرژی تجدیدپذیر پراکنده را در بر گیرد، بلکه باید از فناوری اطلاعات و ارتباطات (ICT) نیز برای مدیریت و کنترل سیستم جدید با درنظر گرفتن اثرات اجتماعی، زیست‌محیطی و اقتصادی آن بهره گیرد.

در سطح فنی، این موضوع شامل تولید پراکنده، ذخیره‌سازی، ترانسفورماتورهای هوشمند محلی، اندازه‌گیری هوشمند، وسایل نقلیه الکتریکی و اتوماسیون ساختمان است. سیستم‌های فتوولتائیک متصل به شبکه نقش مهمی در این موضوع دارند، زیرا عملی‌‌ترین سیستم تولید پراکنده هستند، اما اتصال تعداد زیادی مولد فتوولتائیک به شبکه، نیازمند یک شبکه هوشمند با سازوکارهای پیش‌‌بینی، ذخیر‌سازی، کنترل سریع و پاسخ تقاضا است.

انتخاب بهینه اینورتر در سیستم فتوولتائیک متصل به شبکه

توان نامی یک آرایه فتوولتائیک باید با توان نامی اینورتر مطابقت داشته باشد تا حداکثر توان خروجی از آرایه به ‌دست آید. برآورد بهینه اینورتر به تابش محلی، دمای محیط و عملکرد اینورتر وابسته است. به‌ عنوان مثال، یک آرایه PV، در سطوح تابش کم تنها بخشی از توان نامی خود را تولید می‌‌کند و در نتیجه اینورتر در شرایط بار ناقص با بازده پایین‌تر کار می‌‌کند. اگر ظرفیت نامی اینورتر بسیار کمتر از ظرفیت نامی منبع فتوولتائیک باشد، کارایی آرایه فتوولتائیک نیز تحت تأثیر قرار می‌گیرد. از سوی دیگر، در شرایط بارگذاری بیش ‌از‌ حد، توان خروجی فتوولتائیک که بیشتر از ظرفیت نامی اینورتر است، هدر می‌رود. این بدین معنی است که انتخاب بهینه اینورتر فتوولتائیک نقش مهمی در افزایش بهره‌وری سیستم دارد.

فیلم آموزش طراحی نیروگاه خورشیدی فتوولتائیک با پی وی سیست PVsyst در فرادرس

کلیک کنید

اندازه بهینه یک اینورتر با $$R_\text{s}$$ نشان داده می‌شود که نسبت توان نامی آرایه به توان نامی اینورتر است و می‌توان آن را به‌ صورت زیر شرح داد:

$$\large R _ \text {s} = \dfrac { P _ { \text {PV} _ \text {Rated} } } { P _ { \text {INV} _ \text {Rated} } } \;\;\;\;\; (1)$$

که در آن، $$P_{\text{PV}_\text{Rated}}$$ و $$P_{\text{INV}_\text{Rated}}$$ به ‌ترتیب توان نامی آرایه فتوولتائیک و توان نامی اینورتر هستند.

تابع هدف مسئله بهینه‌‌سازی، حداکثر کردن بازده میانگین سالیانه اینورتر است که با توجه به میانگین روزانه تابش ($$G$$)، دمای محیط ($$T$$) و توان نامی اینورتر ($$P$$) فرمول‌بندی و با رابطه (۲) بیان می‌‌شود:

$$\large \begin {align} \text {MAX:} \eta _ \text {annual} & = \dfrac { \sum _ { 3 6 6 } ^ { 1 } { \eta _ \text {daily} } } { 3 6 6 } = \dfrac { \sum _ { 3 6 6 } ^ { 1 } { \dfrac { P _ { \text {PVinput} } } { P _ { \text {invR} } } } } { 3 6 6 } \nonumber \\ & = \dfrac { \sum _ { 3 6 6 } ^ { 1 } { \dfrac { P _ \text {Peak} \left ( \dfrac { G ( t ) } { G _ \text {standard} } \right ) - \alpha _ T \left [ T ( t ) - T _ \text {standard} \right ] } { P _ { \text {invR} } } } } { 3 6 6 } \end {align}$$

برای حل مسئله می‌توان از بهینه‌‌سازی مبتنی بر منحنی بازده که یک روش مبتنی بر تکرار است استفاده کرد. شکل ۱ روش تکرار پیشنهادی را برای تعیین اندازه اینورتر را نشان می‌‌دهد که در آن، فرایند بهینه‌‌سازی با به‌ دست آوردن مشخصات سیستم فتوولتائیک مانند توان نامی آرایه، ضریب دما و بازده ردیابی نقطه بیشینه توان یا MPPT شروع می‌‌شود. برای محاسبه توان خروجی آرایه باید انرژی خورشیدی ساعتی و دمای محیط محل مورد نظر نیز در اختیار باشد.

مجموعه‌ای از مقادیر $$R_\text{s}$$ در حلقه تکرار استفاده می‌شود، ظرفیت نامی اینورتر پس از تعریف مقدار $$R_\text{s}$$ محاسبه می‌شود، سپس توان خروجی آرایه به‌ دست می‌آید. در اینجا، از مدل‌های توسعه‌ یافته اینورتر برای تخمین ساعتی بازده در یک دوره زمانی استفاده شده و پس از آن، بازده سالیانه محاسبه و در یک آرایه ذخیره می‌شود. این حلقه تا زمان رسیدن به حداکثر مقدار $$R_\text{s}$$ تکرار، سپس برای یافتن حداکثر مقدار بازده و شاخص آن ($$R_\text{s}$$ بهینه) جست‌وجو انجام می‌شود. این روند برای محل‌های مشخص و بارهای کم، متوسط ​​و زیاد انجام می‌شود.

مثال انتخاب بهینه اینورتر

کد متلبی بنویسید که اندازه بهینه اینورتر را برای سه سیستم فتوولتائیک 5 کیلوواتی محاسبه کند. ضرایب مدل‌ها در جدول زیر آورده شده است (معادله ۳ را ببینید).

حل: برنامه مورد نظر به صورت زیر است.

1close all
2clear
3clc
4fileName = 'Malaysian Daily Solar Data.xls';
5sheetName = 'Kuala Lumpur' ;
6E_Solar=xlsread(fileName, sheetName , 'E7307:E7672');
7Solar_Rad=(E_Solar/12)*1000;
8AV_InvEff=[];
9Rs=[];
10for Rsi=.5:.01:5;
11Rs=[Rs;Rsi];
12Pm=2;
13InvC=Pm/Rsi;
14P_Ratio=(Pm*(Solar_Rad/1000))/InvC;
15InvEffi=97.644-(P_Ratio.*1.995)- (0.445./P_Ratio); %5KW
16N=[];
17P=[];
18for j=1:length(InvEffi)
19if (InvEffi(j)<0);
20N=[N;InvEffi(j)];
21else
22P=[P;InvEffi(j)];
23end
24end
25N;
26P;
27Av=sum(P)/length(P);
28AV_InvEff=[AV_InvEff;Av];
29end
30Rs;
31AV_InvEff;
32plot(Rs,AV_InvEff,'-k','LineWidth',2.5)
33hold on
34[MAX MAX_INDEX]=max(AV_InvEff);
35Maximum_EFF=MAX
36OPT_Rs=(MAX_INDEX*0.01)+.5
37plo t(OPT_Rs,Maximum_EFF,'dred','MarkerFaceColor','red','
38MarkerEdgeColor','red', 'MarkerSize',8)
39xlabel('R_S','FontSize',14,'FontName','Times new roman')
40ylab el('Conversion efficiency','FontSize',14,'FontName',
41'Times new roman')
42lege nd('Inverter performance','Optimum R_S ','FontSize',
4314,'FontName','Times new roman')
44end
45%=== ====================================================
46==============

اتصال سیستم‌ فتوولتائیک به شبکه

تقاضای رو به ‌رشد برق، تولید انرژی الکتریکی را تقریباً به حد ظرفیت آن افزایش داده است. با این‌ حال، حاشیه اطمینان تولید توان موجود در نیروگاه‌های برق باید در سطح مناسبی حفظ شود. در حال حاضر، به ‌دلیل انتقال حجم عظیمی از توان، سیستم‌‌های انتقال، به حداکثر ظرفیت خود رسیده‌‌اند. بنابراین، نیروگاه‌های برق باید هزینه زیادی را برای گسترش امکانات خود جهت پاسخگویی به تقاضای روزافزون توان و ارائه منبع تغذیه بدون وقفه به مشتریان صنعتی و تجاری سرمایه‌گذاری کنند.

افزوده شدن واحدهای تولید پراکنده مبتنی بر فتوولتائیک (PVDG) در سیستم توزیع مزایای متعددی مانند پشتیبانی ولتاژ، بهبود کیفیت توان، کاهش تلفات، تعویق ایجاد زیرساخت‌های توزیع و انتقال جدید و بهبود قابلیت اطمینان سیستم دارد. سیستم PVDG، تولید متصل به شبکه - صرف‌نظر از ظرفیت توان آن - در نزدیکی مصرف‌کنندگان و راهی جایگزین برای پشتیبانی تقاضای توان و غلبه بر محدودیت ظرفیت خطوط انتقال است.

ادغام سیستم فتوولتائیک با یک سیستم توزیع، بسته به ویژگی‌‌های عملکرد سیستم توزیع و مشخصات PVDG، تأثیرات مثبت یا منفی‌ به‌ دنبال خواهد داشت. اگر PVDG حداقل الزامات بنیادی چشم‌انداز عملیاتی سیستم و طراحی فیدر را برآورده کند، ارزشمند خواهد بود. اثر PVDG بر کیفیت توان به رابطه آن با سیستم تولید، اندازه واحد DG، ظرفیت کل PVDG نسبت به سیستم، مقدار تولید نسبت به بار در نقطه اتصال و عمل تنظیم ولتاژ فیدر بستگی دارد.

شکل ۳ طرح کلی سیستم فتوولتائیک متصل به شبکه را نشان می‌دهد که معمولاً شامل یک آرایه فتوولتائیک، یک خازن لینک DC، یک اینورتر با فیلتر، ترانسفورماتور افزاینده و شبکه برق است. توان DC تولیدی آرایه فتوولتائیک، خازن لینک DC را شارژ می‌‌کند. اینورتر، توان DC را به توان AC که ولتاژ آن سینوسی و فرکانس آن مانند شبکه است، تبدیل می‌کند. دیود جریان معکوس در آرایه را مسدود می‌‌کند. ترانسفورماتور، ولتاژ اینورتر را به مقدار نامی ولتاژ شبکه افزایش می‌‌دهد و سیستم فتوولتائیک و شبکه را از نظر الکتریکی از هم ایزوله می‌‌کند. فیلتر هارمونیک نیز مؤلفه‌‌های هارمونیکی غیر از فرکانس الکتریکی پایه را حذف می‌‌کند.

یکی از نگرانی‌‌های روزافزون درباره کیفیت توان که عملکرد سیستم‌های توان را تضعیف می‌‌کند، اعوجاج هارمونیکی است. اعوجاج هارمونیکی ناشی از گسترش دستگاه‌‌های مبتنی بر الکترونیک قدرت مانند کامپیوتر، تلویزیون، لامپ‌‌های کم‌مصرف، درایوهای تنظیم سرعت، کوره‌‌های قوس الکتریکی و مبدل‌‌های قدرت است. اعوجاج هارمونیکی به ‌دلیل غیرخطی بودن تجهیزاتی مانند ماشین‌های دوار و ترانسفورماتور نیز ایجاد می‌شود. این جریان‌‌های هارمونیکی باعث ایجاد تلفات بیشتری در بار می‌شود که منجر به کاهش توان نامی بار، افزایش دمای هادی خنثی، گرمای بیش ‌از حد ترانسفورماتور و اختلال در عملکرد دستگاه‌‌های حفاظتی خواهد شد.

یکی دیگر از مشکلات مربوط به کیفیت توان که با اتصال اینورترهای فتوولتائیک به شبکه رخ می‌دهد، پدیده تشدید هارمونیکی است. تشدید هارمونیکی در فرکانس تشدید رخ می‌دهد که در آن، مؤلفه سلفی برابر با مؤلفه خازنی است. تشدید هارمونیکی یک مشکل متداول در اتصال بین اینورترهای PVDG و شبکه است. وقوع این پدیده بستگی به تعداد واحدهای فتوولتائیک دارد. اثر تشدید هارمونیکی نه‌تنها سبب کاهش شدید کیفیت توان می‌شود، ممکن است به خطای دستگاه‌‌های حفاظت و آسیب تجهیزات حساس منجر شود.

از سوی دیگر، می‌دانیم که PVDG را باید در سطح سیستم توزیع شبکه برق و در نزدیکی مرکز بار قرار نصب کرد. معمولاً قبل از اتصال سیستم فتوولتائیک به سیستم توزیع، مطالعاتی برای بررسی اثر آن بر اعوجاج هارمونیکی، اتلاف توان، پروفیل ولتاژ، جریان اتصال کوتاه و قابلیت اطمینان سیستم قدرت انجام می‌شود.

برای کاهش تلفات توان، بهبود ولتاژ سیستم و کاهش اعوجاج هارمونیک کل ولتاژ (THDv)، برنامه‌ریزی مناسب سیستم قدرت در حضور تولید پراکنده ضروری است. برای این امر، باید ملاحظات متعددی مانند تعداد و ظرفیت واحدهای PVDG، محل مطلوب آن‌ها و نوع اتصال شبکه را درنظر گرفت. نصب واحدهای PVDG در مکان‌های نامناسب و با اندازه غيربهینه موجب افزایش تلفات توان، مشكلات نوسان ولتاژ، ناپایداری سیستم و افزایش هزینه‌های عملیاتی می‌شود.

تأثیر کیفیت توان سیستم فتوولتائیک متصل به شبکه

ادغام PVDG در سیستم‌‌های قدرت، بارگذاری بیش ‌از‌ حد در خطوط انتقال را کاهش می‌دهد، امکان پیک‌سایی را فراهم و از نیاز شبکه پشتیبانی می‌کند. با این ‌حال، هماهنگی، موقعیت و نصب نامناسب PVDG بر کیفیت توان سیستم‌های قدرت تأثیر می‌گذارد. اغلب سیستم‌های متداول، به‌ گونه‌ای طراحی و مدیریت شده‌اند که نیروگاه‌ها، دور از مراکز بار هستند و در آن‌ها از سیستم انتقال و توزیع استفاده می‌شود.

عملکرد عادی یک سیستم قدرت متداول، شامل تولید در شبکه توزیع یا سمت مصرف‌کننده سیستم نیست. هرچند، ادغام PVDG در سیستم‌های توزیع، عملکرد عادی سیستم‌‌های قدرت را تغییر داده و مشکلات مختلفی را اعم از تبادل دوطرفه توان، تغییر ولتاژ، ناهماهنگی مدارشکن، تغییر در سطوح اتصال کوتاه و عملکرد جزیره‌ای به‌ وجود آورده است. باید قبل از ادغام هر DG با شبکه، دستگاه اتصال را برنامه‌‌ریزی و هماهنگ کرد.

اثر هارمونیکی سیستم فتوولتائیک متصل به شبکه

هارمونیک، مؤلفه‌ای سینوسی از یک موج متناوب یا یک کمیت است که فرکانسی به‌ صورت یک چندجمله‌‌ای انتگرالی از فرکانس پایه دارد. اعوجاج هارمونیکی از غیرخطی بودن تجهیزاتی مانند مبدل‌های قدرت، ترانسفورماتورها، ماشین‌های دوار، کوره‌های قوس الکتریکی و روشنایی‌های فلورسنت نشأت می‌گیرد. با توجه به وجود مبدل قدرت در اتصال فتوولتائیک به سیستم توزیع، ممکن است اعوجاج هارمونیکی در سیستم ایجاد شود.

عامل دیگری که بر اعوجاج هارمونیکی در یک سیستم قدرت اثر می‌گذارد، تعداد واحدهای فتوولتائیک متصل به سیستم است. تعامل بین اجزای شبکه و گروهی از واحدهای PVDG می‌تواند اعوجاج هارمونیکی را تقویت کند. علاوه‌ بر این، PVDG سطوح اعوجاج هارمونیکی در سیستم قدرت را تقویت می‌کند. افزودن DG به مدار با ولتاژ بالاتر نسبت به سطح ولتاژ پایین، منجر به کاهش اعوجاج هارمونیکی می‌شود.

استفاده روزافزون از تجهیزات مولد هارمونیک در سمت مصرف، مانند درایوهای تنظیم سرعت مشکلاتی مثل افزایش تولید هارمونیک‌‌ها در سیستم، کاهش طول عمر تجهیزات الکترونیکی و افزایش بیش ‌از حد دمای موتور و سیم‌کشی را در پی دارد. علاوه ‌بر این، ممکن است هارمونیک‌‌ها به خط تولید بازگردند و بر مصرف‌کنندگان دیگر در PCC اثر بگذارند. بنابراین، باید استراتژی‌‌های کاهش هارمونیک در سیستم‌های قدرت را اندازه‌گیری، تحلیل و شناسایی کرد.

تشدید هارمونیک در سیستم قدرت با سیستم فتوولتائیک متصل به شبکه

تشدید، زمانی در یک سیستم قدرت رخ می‌دهد که عناصر خازنی سیستم در یک فرکانس خاص دقیقاً برابر با عناصر سلفی شود. بسته به موازی یا سری بودن عملکرد، ممکن است تشدید موازی یا سری ایجاد شود. در یک مکان مشخص، تشدید موازی، امپدانس شبکه بالا را نشان می‌دهد، در حالی‌ که برای تشدید سری، نشان‌دهنده امپدانس کم شبکه است. با افزایش نفوذ PVDG در شبکه، تشدید هارمونیک به مسئله مهمی در سیستم‌‌های قدرت تبدیل شده است.

تشدید هارمونیک، به‌ علت عدم تطابق امپدانس بین شبکه و اینورترها، در نقطه اتصال واحدهای مستقل یا چندگانه PVDG به شبکه رخ دهد. تعامل دینامیکی بین امپدانس خروجی شبکه و اینورتر منجر به تشدید هارمونیک در فرکانس‌های خاص ولتاژ و یا جریان شبکه می‌شود. تشدید هارمونیک به آثار نامطلوبی در کیفیت توان مانند خطای دستگاه‌های حفاظتی و آسیب تجهیزات حساس به ‌دلیل اضافه‌ولتاژ یا اضافه‌جریان می‌انجامد.

تأثیر سیستم فتوولتائیک متصل به شبکه بر تغییر ولتاژ

به‌ دلیل تغییرات بار در فیدرها، عملکرد لغزانه ترانسفورماتورهای پست و سوئیچینگ بانک‌‌های خازنی یا راکتورها ولتاژهای بهره‌برداری در یک سیستم توزیع، همیشه در محدوده مطلوب نیستند. این امر منجر به تغییرات ولتاژ خواهد شد که به‌ عنوان انحراف ولتاژ از مقدار نامی آن تعریف می‌شود. اغتشاشاتی که به ‌عنوان تغییرات ولتاژ کوتاه‌مدت طبقه‌بندی می‌شوند، فرورفتگی ولتاژ، بالازدگی ولتاژ و وقفه کوتاه هستند، در حالی ‌که اغتشاشات تغییرات ولتاژ طولانی‌مدت شامل وقفه پیوسته، کمبود ولتاژ و اضافه‌ولتاژ هستند.

با افزایش تقاضای برق در سیستم‌های توزیع، ولتاژ از مقدار عملیاتی قابل تحمل خود در فیدرهای توزیع افت می‌کند. بنابراین، زیرساخت سیستم توزیع باید برای حل مشکلات افت ولتاژ ارتقا یابد. با ادغام واحدهای PVDG در یک سیستم توزیع، می‌توان پروفیل ولتاژ را همزمان با کاهش افت ولتاژ در بخش‌های فیدر به ‌دلیل کاهش توان آن بهبود داد.

با این ‌حال، اگر توان تولیدی PVDG بیشتر از تقاضای محلی در PCC باشد، توان اضافه به شبکه باز می‌گردد. توان اضافه DG ممکن است باعث شارش توان معکوس در فیدر و افزایش ولتاژ آن شود. برخی مراجع، روش‌هایی را برای کنترل افزایش ولتاژ ناشی از اتصال PVDG به سیستم‌های توزیع بررسی کرده‌اند. افزایش نصب DG در سطح ولتاژ پایین، ممکن است به خطای محدوده بالای ولتاژ منجر شود. بنابراین، ارائه راه‌حل برای کاهش اضافه‌ولتاژ ناشی از DG، امری ضروری است.

جایابی و انتخاب بهینه سیستم فتوولتائیک متصل به شبکه

تغییر ولتاژ و اعوجاج هارمونیک، دو اغتشاش عمده در سیستم‌های توزیع هستند. افت ولتاژ به‌ دلیل افزایش تقاضای برق رخ می‌دهد و نیاز زیرساخت‌های سیستم توزیع را به ارتقا یادآوری می‌کند. مطالعات نشان داده است که حدود 13 درصد توان تولیدی در سطح توزیع اتلاف می‌‌شود.

برای مقابله با تغییرات ولتاژ و اعوجاج هارمونیک در سیستم‌های توزیع، چندین استراتژی مانند استفاده از فیلترهای توان غیرفعال و فعال برای کاهش اعوجاج هارمونیک و استفاده از کنترل‌کننده‌‌های توان خاص برای کاهش مشکلات تغییر ولتاژ اعمال شده است. با‌ این‌ حال، این استراتژی‌های کاهش، نیاز به سرمایه‌گذاری دارند. بنابراین، برای بهبود پروفیل ولتاژ و حذف اعوجاج هارمونیک در یک سیستم توزیع با PVDG، یک روش غیرتهاجمی پیشنهاد شده که شامل برنامه‌ریزی مناسب واحدهای PVDG و تعیین موقعیت و اندازۀ مطلوب واحدهای سیستم فتوولتائیک متصل به شبکه است.

قبل از نصب واحدهای PVDG در یک سیستم توزیع، باید تجزیه‌ و‌ تحلیل امکان‌سنجی انجام داد. مالکان PVDG ملزم به ارائه نوع، اندازه و محل PVDG خود هستند. سیستم قدرت معمولاً با نصب PVDG تحت تأثیر قرار می‌‌گیرد. بنابراین سطح مجاز نفوذ PVDG باید با محدوده‌‌های هارمونیک تطابق داشته باشد. بنابراين، جایابی و تعیین اندازه مطلوب DG امری ضروری است؛ زیرا نصب واحدهای DG در مکان‌های بهینه و با اندازه مطلوب، مزایای اقتصادی، زیست‌محیطی و فنی مانند کاهش تلفات توان، افزایش کیفیت توان، پایداری سیستم و هزینه کم بهره‌برداری را در پی دارد.

پیاده‌سازی روش بهینه‌سازی برای مسئله حل جایابی و تعیین اندازه بهینه PVDG در شکل ۴ نشان داده شده است. باید یک تابع چندهدفه برای کمینه‌سازی تلفات کل، میانگین اعوجاج هارمونیک کل ولتاژ THDv و انحراف ولتاژ در یک سیستم توزیع تشکیل داد. روند اجرای الگوریتم بهینه‌سازی برای تعیین محل مطلوب و اندازه بهینه سیستم فتوولتائیک متصل به شبکه به ‌شرح زیر است:

1. اطلاعات شبکه ورودی مانند داده‌های باس، خط و ژنراتور را به‌دست آورید.
2. موقعیت‌های اولیه را به‌طور تصادفی در ترکیب راه‌حل ممکن مانند مکان PVDG، اندازه PVDG در محدوده 40 درصد تا 50 درصد کل بارهای متصل و ولتاژ باس کنترل‌شده PVDG در محدوده $$0.98 \, \text{p.u.}$$ تا $$1.02 \, \text{p.u.}$$ تولید کنید.
3. الگوریتم بهینه‌سازی را با استفاده از پارامترهای بهینه مانند اندازه جمعیت، ابعاد و حداکثر تکرار پیاده‌سازی کنید.
4. جریان بار و جریان بار هارمونیکی را برای به ‌دست آوردن کل تلفات توان، متوسط THDv و انحراف ولتاژ اجرا کنید.
5. تابع برازش را محاسبه کنید.
6. محدودیت‌های THDv و مقدار ولتاژ باس را بررسی کنید. اگر هر دو از حد مجازشان فراتر رفته‌اند، مرحله (۴) را تکرار کنید.
7. پارامترهای بهینه‌سازی را به‌روزرسانی کنید.
8. روند را تا زمان برآورده شدن شرط توقف و حصول بهترین پاسخ تکرار کنید.

نرم‌افزار RAPSim

در این بخش، با نرم‌افزا RAPSim و قابلیت‌های آن آشنا می‌شویم.

شبیه‌سازی ریزشبکه‌‌های پیچیده

شبیه‌سازی مدل‌های خورشیدی و سیستم‌های فتوولتائیک عمدتاً دیدگاه الگوریتمی کار معمولی است. وقتی با شبکه‌هایی با چند واحد مجزای تولید، مصرف‌کنندگان و خطوط توزیع سروکار داریم، استفاده از یک شبیه‌سازی جامع با رابط گرافیکی توصیه می‌شود. در ادامه، یک شبیه‌ساز شبکه هوشمند را معرفی می‌‌کنیم که این ویژگی‌ها را دارد.

فیلم آموزش طراحی و شبیه سازی نیروگاه خورشیدی با نرم افزار PVSOL در فرادرس

کلیک کنید

شبیه‌سازی سیستم قدرت جایگزین تجدیدپذیر RAPSim یک چارچوب شبیه‌سازی ریزشبکه رایگان و متن‌باز است که برای شبیه‌سازی و تجسم رفتار شارش توان در ریزشبکه‌‌ها به‌ کار می‌رود. نرم‌افزار RAPSim دارای مدل‌های پایه برای شبیه‌سازی منابع مختلف انرژی تجدیدپذیر و تقاضای بار در یک ریزشبکه است. علاوه ‌بر این، هنگام نامعلوم بودن شرایط هواشناسی، می‌توان با استفاده از آن، عملکرد منابع انرژی تجدیدپذیر را شبیه‌سازی کرد.

این شبیه‌ساز همچنین می‌تواند شارش توان ریزشبکه را که به بررسی تأثیر منابع انرژی تجدیدپذیر در سیستم قدرت کمک می‌‌کند، تحلیل کند. شبیه‌ساز RAPSim در جاوا نوشته شده، یعنی مستقل از پلتفرم است و برای توسعه آن با مدل‌های جدید، آشنایی با مهارت‌های جاوا ضروری است. از ویژگی‌های اصلی RAPSim می‌توان به رابط کاربری گرافیکی و عدم نیاز به مهارت‌‌های برنامه‌نویسی اشاره کرد.

دانلود و نصب RAPSim

نرم‌افزار RAPSim را می‌توانید به ‌صورت رایگان از rapsim.sourceforge.net دانلود کنید. زبان برنامه‌نویسی جاوا که RAPSim با آن نوشته شده است، توسط تمام سیستم عامل‌های رومیزی مانند ویندوز، لینوکس و سیستم عامل مک پشتیبانی می‌شود. با وجود ‌این، امکان اجرای RAPSim در دستگاه‌های همراه مانند تبلت یا گوشی‌های هوشمند وجود ندارد. برای ساخت RAPSim، توصیه می‌کنیم که ابزار خط فرمان Ant یا Eclipse را در سیستم خود نصب کنید.

مراحل نصب RAPSim به صورت زیر است:

1. جدیدترین نسخه را دانلود و فایل zip را در یک پوشه روی کامپیوتر خود باز کنید.
2. اطمینان حاصل کنید که جاوا روی کامپیوتر شما نصب شده باشد (نسخه محیط Runtime به خوبی عمل خواهد کرد).
3. RAPSim را با وارد کردن آن به ‌عنوان یک پروژه به Eclipse یا اجرای Ant از پوشه نصب بسازید.
4. برنامه اصلی را اجرا کنید، رابط گرافیکی باید ظاهر شود (شکل ۵).

انجام شبیه‌سازی

پنجره اصلی RAPSim شامل موارد زیر است:

• منو با دسته‌بندی File ،Edit ،Algorithm و Help
• اطلاعات هواشناسی و زمان شبیه‌سازی سناریو
• چهار دکمه برای کنترل شبیه‌سازی در نوار بالای صفحه
• ناحیه مشبک که نمایی از اجزای شبیه‌سازی را از بالا به پایین نشان می‌دهد و قابل بزرگ‌نمایی و جابه‌جایی است. آخرین سناریوی ذخیره‌ شده به ‌طور خودکار باز می‌‌شود.
• دو دکمه ویرایش شبکه: move و delete.
• دکمه نوار پایین با چند دکمه برای انتخاب اشیا در محل

می‌توانید با کلیک چرخ ماوس روی یک بخش آزاد و حرکت دادن آن، در صفحه بزرگ‌نمایی یا کوچک‌نمایی انجام دهید. برای قرار دادن یک شیء، آن را از نوار انتخاب کنید و سپس روی فیلد مربوطه‌ای که می‌خواهید آن را قرار دهید، کلیک کنید. جانمایی نمادین است، بنابراین تفاوتی ندارد که اشیا در چه فاصله‌‌ای از هم قرار دارند، جز در مواردی که اجزا در سلول‌‌های همسایه به ‌طور خودکار متصل می‌‌شوند. برای اشیائی که از هم دورتر هستند، قرار دادن یک رابط (خط آبی برای بدون تلفات و نماد مقاومتی قرمز برای خطوط برق با خصوصیات واقعی) برای اتصال آن‌ها ضروری است.

با انتخاب "new" از منوی فایل، با یک سناریوی جدید شروع کنید. RAPSim یک نام فایل و دایرکتوری برای سناریوی جدید درخواست می‌‌کند. سپس از نوار پایین، یک منبع فتوولتائیک (مدل پیک توان) انتخاب کنید و آن را در ناحیه مشبک قرار دهید. برای ویرایش ویژگی‌‌های آن، مانند پیک توان، طول جغرافیایی، عرض جغرافیایی و غیره روی آن راست‌کلیک کنید. اکنون با کلیک کردن روی دکمه خانه (تقاضای ثابت را انتخاب کنید)، یک عنصر مصرف‌کننده اضافه کنید. آن را در نزدیکی منبع فتوولتائیک قرار دهید و مشخصات آن را ویرایش کنید (شکل ۶).

مثال اول شبیه‌سازی در نرم‌افزار RAPSim

یک شبیه‌سازی در RAPSim شامل یک سیستم فتولتائیک با توان حداکثر 5 کیلووات و دو بار با مدل تقاضای توان ثابت 1 کیلووات برای هر کدام ایجاد کنید. اتلاف توان در خطوط انتقال را نادیده بگیرید. مختصات جغرافیایی سیستم فتوولتائیک را روی شهر رم ($$41^\circ54’$$ شمالی $$12 ^ \circ 30’$$ شرقی) تنظیم و یک روز زمستانی (به ‌عنوان مثال، 1 ژانویه) و یک روز تابستانی (به‌ عنوان مثال، 1 جولای) را شبیه‌سازی کنید. بار شین 0 را در قالب یک فایل csv استخراج کنید. برای رسم نتایج از متلب کمک بگیرید.

مثال دوم شبیه‌سازی در نرم‌افزار RAPSim

یک شبیه‌سازی در RAPSim شامل یک ژنراتور استاندارد و یک خیابان با پنج خانه ایجاد کنید. خط انتقال در خیابان بین هر خانه باید ۱ اهم باشد و خط شاخه به هر خانه نیز باید ۱ اهم باشد. هر خانه به صورت دائمی ۲ کیلووات توان مصرف می‌کند. واحد تولیدی ۱۰ کیلووات تولید کرده و به ابتدای خیابان متصل می‌شود. شبیه‌سازی را برای تعیین توزیع توان بین خانه‌ها انجام دهید.

مثال سوم شبیه‌سازی در نرم‌افزار RAPSim

سناریوی مثال دوم را با یک نیروگاه فتوولتائیک که به خانه سوم وصل شده است بسط دهید. مختصات سیستم فتوولتائیک را روی وین اتریش ($$48^\circ12’$$ شمالی $$16^\circ22’$$ شرقی) و بازده را روی $$17\%$$ تنظیم کنید. دوباره شبیه‌سازی را اجرا و نتایج را با نتایج مثال قبل مقایسه کنید.