توليد الطاقة الكهروضوئية مع محول ثنائي الاتجاه DC-DC

في الوقت الحاضر يتم استخدام نظام توليد الطاقة الكهروضوئية السكني في جميع أنحاء العالم، وفي هذا البحث تم اقتراح هيكل محسن للنظام الكهروضوئي السكني مع ناقل (1500V- DC)، وهي تشمل الألواح الكهروضوئية ومحول تعزيز ثلاثي المستويات ومحول (DC-DC) ثنائي الاتجاه معزول عالي الكفاءة وبطارية ومحول (DC-AC) ثلاثي المراحل من خمسة مستويات.

أهمية التحكم بتوليد الطاقة الكهروضوئية

نظراً لأن نظام توليد الطاقة الكهروضوئية يمكن أن يخفف من أزمة الطاقة ويقلل من التلوث البيئي؛ فقد تم تطبيقه في جميع أنحاء العالم، كما يتم تطبيق نظام توليد الطاقة الكهروضوئية السكني بشكل متزايد في المنازل، بحيث يهدف نظام توليد الطاقة الكهروضوئية السكني إلى توفير مصدر طاقة مستمر وموثوق للأحمال المنزلية.

كذلك إنها شبكة موزعة نشطة تستخدم الألواح الكهروضوئية ونظام تخزين طاقة البطارية (BESS) ومجموعة متنوعة من المحولات والأحمال الكهربائية، وهي متصلة بالشبكة أو موصولة بالجزيرة بطريقة مسيطر عليها ومنسقة، ونظراً لأن طاقة خرج الألواح الكهروضوئية غير منتظمة وعشوائية بسبب الطبيعة المتقطعة لإشعاع الشمس؛ فلا تزال هناك بعض المشكلات مثل عدم تطابق الحمل وسوء تدفق الحمل وعدم استقرار الجهد ومشاكل الموثوقية.

في نظام توليد الطاقة الكهروضوئية التقليدي، بحيث يتم توصيل (BESS) دائماً بحافلة (DC) مباشرة، ومع ذلك؛ فإن هناك بعض المخاطر المحتملة للبطاريات عندما يتغير الحمل فجأة دون التحكم الحالي، لذلك من الضروري إدخال محول (DC-DC) ثنائي الاتجاه بين ناقل (DC) والبطاريات للتحكم في تيار التفريغ الكهربائي.

الأعمال ذات الصلة بتوليد الطاقة الكهروضوئية مع محول ثنائي الاتجاه

بالنظر إلى أن هذه الدراسة تتضمن تحسين النظام الكهروضوئي بالكامل في الوضع السكني، كما تتم مراجعة الأعمال ذات الصلة من خلال عدة أقسام بما في ذلك نظام الكهروضوئية ونظام إدارة الطاقة ومحولات (DC-DA) ومحولات (DC-DC).

• نظام الكهروضوئية ونظام إدارة الطاقة: بالنظر إلى (MPPT)؛ يُقترح نظام (PV) متصل بالشبكة على مرحلتين بجهد (DC-link) قابل للتعديل، حيث يتم تحقيق (MPPT) بواسطة محولات (DC-DC)،كما ويتم تحقيق أداء رائع، ومع ذلك لا يوجد (BESS) في النظام، بحيث سيؤدي عدم انتظام وعشوائية الإشعاع الشمسي إلى التفاعل المتكرر بين النظام وشبكة الطاقة.

كما تم اقتراح نظام (PV) مع (BESS)،كما وتم تقديم مخطط لإدارة الطاقة يعتمد على إشارات ناقل التيار المستمر، حيث يمكن للنظام تحقيق استخدام أعلى للموارد وموثوقية أعلى، ولكن يتم اعتبار حمل التيار المباشر فقط في النظام، كما انها ليست مناسبة للوضع السكني، كذلك تم تقديم نظام الكهروضوئية السكني مع محول ثلاثي الطور مرتبط بالشبكة الكهربائية وتم اقتراح مخطط إدارة الطاقة الأمثل.

• محولات (عاكسات / DC-AC): بالنسبة للنظام المرتبط بالشبكة ثلاثية الطور، تم استخدام المحولات التقليدية ذات المستويين في النظام لبساطتها، ومع ذلك؛ فإن هذه المحولات ذات المستويين تتطلب مرشحاً كبيراً وأجهزة أشباه موصلات ذات جهد عالٍ، مما يؤدي إلى كثافة طاقة منخفضة وفقدان كبير للطاقة، وللحصول على حجم مرشح أصغر وكفاءة أعلى، كما تم إدخال محولات متعددة المستويات في نظام توليد الطاقة الكهروضوئية.

• محولات (عاكسات / DC-DC): بالنسبة لناقل (1500V DC)؛ فإن هناك حاجة إلى محول (DC-DC) بين الألواح الكهروضوئية والعاكس لتجنب عدد كبير جدًا من الألواح الكهروضوئية المتصلة بالسلسلة وتحقيق (MPPT)، إلى جانب ذلك يعتبر محول (DC-DC) ثنائي الاتجاه المعزول بين ناقل (DC) والبطاريات أكثر أهمية في نظام توليد الطاقة الكهروضوئية السكني لتوفير العزل الكهربائي.

وبعد ذلك، تم استخدام عاكس أحادي الطور ثلاثي المستويات وعاكس ثلاثي الطور ثلاثي المستويات في أنظمة توليد الطاقة الكهروضوئية على التوالي لتحقيق كفاءة أعلى وخفض (THD) وضوضاء (EMI) أقل، بحيث تم استخدام عاكس ثلاثي الطور خماسي المستويات يعتمد على أجهزة (SiC) ومحولات مشذرة من النوع (T) بثلاثة مستويات في الأنظمة الكهروضوئية وحصل على كفاءة عالية وكثافة طاقة عالية.

مخطط إدارة الطاقة الكهربائية المولدة للنظام الأمثل

• تكوين النظام: تم عرض نظام توليد الطاقة الكهروضوئية السكني المُحسَّن في الشكل التالي (2)، وهناك دفعة ثلاثية المستويات ومحول ثنائي الاتجاه معزول (DC-DC) ومحول (DC-AC) ثلاثي الطور من خمسة مستويات يشتركان في ناقل تيار مستمر، بحيث يشترك محول التيار المتردد والشبكة والحمل السكني في ناقل التيار المتردد، كما تنقل الألواح الكهروضوئية الطاقة إلى ناقل التيار المستمر فقط عبر محول تعزيز ثلاثي المستويات.

• مخطط إدارة الطاقة: في هذا القسم، تم اقتراح مخطط إدارة الطاقة لنظام توليد الطاقة السكنية لضمان توازن الطاقة وموثوقية النظام وزيادة الفوائد الاقتصادية، وذلك كما هو مبين في الشكل التالي (3)، بحيث يعتمد مخطط إدارة الطاقة على “الإنتاج الذاتي والاستخدام الذاتي”، كذلك الألواح الكهروضوئية لها الأولوية القصوى في إمدادات الطاقة.

وللحصول على المزيد من الفوائد الاقتصادية والحفاظ على موثوقية النظام؛ تمت إضافة مراعاة وقت سطوع الشمس وتعرفة شروط الاستخدام إلى تصميم مخطط إدارة الطاقة، ونظراً لاختلاف ساعات سطوع الشمس وتعرفة شروط الاستخدام تماماً في مناطق مختلفة؛ فإن التصميم والتحليل في هذا القسم يعتمدان جميعاً على دراسة خاصة بولاية شنغهاي في الصين.

تكوين محول (DC-DC) المعزول ثنائي الاتجاه

في هذا القسم، تمت مناقشة محول (DC-DC) المعزول ذو الكفاءة العالية ثنائي الاتجاه. يعتبر محول (DC-DC) ثنائي الاتجاه هذا مهماً جداً في نظام توليد الطاقة الكهروضوئية السكني والاعتبارات تتعلق بالسلامة، بحيث يكون جهد البطارية دائماً أقل من (48) فولت، وهذا يعني أن زيادة الجهد العالي مطلوبة لأن جهد ناقل التيار المستمر يصل إلى (1500) فولت.

ولتحسين كسب (DC) وتحقيق كفاءة أعلى؛ يظهر محول (DC-DC) ثنائي الاتجاه معزول محسن في الشكل، كما يتكون المحول من وحدتين مستقلتين متطابقتين، والوحدة عبارة عن محول (DC-DC) ثنائي الاتجاه معزول ثنائي الاتجاه، حيث يمكن استخدام (LLC) ثنائية الاتجاه أو (CLLC) في توفير عزل كهربائي وكسب أعلى للتيار المستمر.

كما يًخصص هذا الطرح لتحسين نظام توليد الطاقة الكهروضوئية السكني، بحيث تم اقتراح النظام الأمثل الموجه إلى ناقل (1500V-DC)، كما يقلل الجهد العالي لناقل التيار المستمر بشكل كبير من فقد الخط ويحسن من كفاءة النظام، ولتحسين موثوقية إمدادات الطاقة وزيادة الفوائد الاقتصادية، تم اقتراح مخطط لإدارة الطاقة، بحيث تؤخذ ساعات ضوء الشمس وتعرفة شروط الاستخدام في الاعتبار.

كما يضمن المخطط موثوقية مصدر الطاقة للحمل السكني، وفي الوقت نفسه يقلل التكلفة الاقتصادية عن طريق تقليل إمدادات طاقة الشبكة. الكهربائية لتحسين أداء المحولات في النظام وتم اقتراح الطريقة المثلى لهيكل محول التيار المستمر ثنائي الاتجاه.

ولتحسين أداء المحولات في النظام، تم اقتراح الطريقة المثلى لهيكل محول التيار المستمر ثنائي الاتجاه، بحيث يمكن أن يحقق هذا الهيكل بسهولة زيادة وكفاءة أعلى في الجهد المستمر لزيادة تحسين النظام، ووفقاً للنتائج التجريبية؛ فإنه يمكن أن تحقق أعلى كفاءة لمحول (DC-DC) ثنائي الاتجاه المعزول (97.50٪) في وضع الشحن و (96.03٪) في وضع التفريغ.