بررسی جامع سیستم فتوولتائیک خورشیدی متصل به شبکه: معماری، کنترل و خدمات جانبی

افزایش مداوم قیمت های تولید انرژی از منابع انرژی متعارف و افزایش نگرانی های زیست محیطی سناریوی تولید برق از منابع انرژی سبز کم کربن را افزایش داده است. در چندین منطقه از جهان، تولید انرژی مبتنی بر PV خورشیدی (SPV) به مقرون به صرفه ترین گزینه برای تولید برق تبدیل شده است که پیش بینی می شود سرمایه گذاری سنگینی در سال های آینده باشد. [1]، [2]، [3]، [4]، [5]، [6]، [7]، [8]، [9]، [10]، [11]، [12]. علاوه بر این، شبکه های برق مدرن به سرعت در حال انتقال به سمت یک شبکه توزیع شده هستند که وابستگی بیشتری به منابع انرژی تجدیدپذیر مانند خورشیدی و باد دارد. جدای از این، فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی مانند باتری‌ها، ابرخازن‌ها و سلول‌های سوختی نیز برای پشتیبانی از تولید انرژی از سیستم‌های PV خورشیدی در حال افزایش هستند. [2]. علاوه بر کاهش مداوم قیمت پانل های خورشیدی، سیاست های مطلوب دولت و افزایش مستمر تحقیقات در این زمینه منجر به گسترش یکپارچه سازی SPV شده است. [3]، [4]، [5]. با توجه به این موضوع، بین سال‌های 2022 تا 2026، تقریباً 2 TW انرژی PV خورشیدی به طور تجمعی به شبکه برق جهانی موجود اضافه خواهد شد. علاوه بر این، فتوولتائیک‌های خورشیدی دومین منبع انرژی تجدیدپذیر از سال 2020 از نظر افزایش بوده است. تولید انرژی. از جنبه گسترده تر، سیستم SPV نه تنها به منابع انرژی متعارف در ساعات اوج مصرف کمک می کند، بلکه از رشد پیوسته انتشار CO2 نیز جلوگیری می کند. [7]. به این ترتیب، برای تقویت فرآیند کربن‌زدایی، تقاضای زیادی برای سیستم‌های SPV وجود دارد تا با ابزار ادغام شوند تا سیستم را با انرژی کارآمدتر کنند.

آستانه های جدیدی برای ظرفیت انرژی تجدیدپذیر تازه نصب شده به دست آمد. در پایان سال 2021، ظرفیت انرژی های تجدیدپذیر 3064 گیگاوات بود [5]، [8]، [9]. با 1230 گیگاوات ظرفیت نصب شده، انرژی آبی مهم ترین بخش از کل تولید جهان را تشکیل می دهد. با ظرفیت های 849 گیگاوات و 825 ​​گیگاوات، انرژی خورشیدی و بادی به طور مساوی بین انرژی باقی مانده توزیع می شوند. سایر منابع تجدیدپذیر شامل 16 گیگاوات انرژی زمین گرمایی، 524 مگاوات انرژی دریایی و 143 گیگاوات سوخت زیستی بود. مقدار تولید منابع انرژی جایگزین به میزان 257 گیگاوات (9.1 درصد) در سال 2021 افزایش یافت. انرژی خورشیدی ظرفیت خود را 133 گیگاوات افزایش داد که 18.89 درصد افزایش یافته است. انرژی بادی ظرفیت خود را 93 گیگاوات افزایش داد که 12.79 درصد افزایش داشت. انرژی خورشیدی و بادی با 87.85 درصد از کل انرژی‌های تجدیدپذیر خالص در سال 2021، پیشتازان افزایش ظرفیت تجدیدپذیر باقی ماندند.

افزایش مداوم علاقه به ذخیره سازی انرژی، تداوم هزینه های ناچیز جهانی سوخت های فسیلی و کاهش سریع قیمت فناوری های انرژی های تجدیدپذیر متعدد تنها تعدادی از پیشرفت ها و روندهایی هستند که همگی بر انرژی های تجدیدپذیر تأثیر می گذارند که در سال 2022 رخ داد. [2]، [7]، [9]، [11]. انتشار دی اکسید کربن جهان از صنعت و سوخت های فسیلی تقریباً در سال 2021 یکسان بود، سومین سال متوالی که این اتفاق رخ می دهد. افزایش در استفاده از انرژی های تجدیدپذیر و بهره وری انرژی باعث این امر شد. این در درجه اول به دلیل کاهش مصرف جهانی زغال سنگ بود.

کشورهای در حال توسعه مانند چین که بیشترین ظرفیت انرژی تجدیدپذیر جدید در آن نصب شده است، در طول هشت سال گذشته بزرگترین تولیدکنندگان انرژی تجدیدپذیر و گرما در این صنعت بوده اند. بر اساس داده های موجود در حال حاضر، مقدار کل تاسیسات PV خورشیدی در سرتاسر جهان در آغاز سال 2022 برابر با 167.8 گیگاوات بوده است که افزایش 21 درصدی را نشان می دهد. شکل 2 آمار تجمعی ظرفیت نصب PV خورشیدی در جهان را طی سال‌های 2015-2022 نشان می‌دهد. طبق داده های موجود در [8]چین در سال 2021 33 درصد، آمریکا 37.3 گیگاوات دیگر و اروپا 31.8 گیگاوات سهم بازار را در اختیار داشتند. پیش‌بینی می‌کند در سال 2022 سالانه 36 درصد افزایش نصب داشته باشد و اروپا به عنوان موتور رشد عمل کند و در مجموع به 228.5 گیگاوات برسد. بیش از نیمی از ظرفیت خورشیدی نصب شده در سراسر جهان از این سه منطقه تامین می شود. پیش بینی می شود که تقاضا برای ظرفیت تولید خورشیدی نصب شده طی چهار سال آینده به میزان قابل توجهی افزایش یابد و از 254 گیگاوات در سال 2023 به 350 گیگاوات در سال 2026 در سال افزایش یابد. [1]، [10]، [13].

تا پایان سال 2030، هند می‌خواهد 450 گیگاوات ظرفیت تولید انرژی تجدیدپذیر نصب کند و 280 گیگاوات از تولید PV خورشیدی انتظار می‌رود که بیش از 60 درصد از تاسیسات تولید انرژی‌های تجدیدپذیر، از جمله برق آبی را تشکیل می‌دهد. [5]، [6]. تخمین زده می شود این کشور با توجه به زمین های موجود و میزان نور خورشید، حدود 750 گیگاوات پتانسیل انرژی خورشیدی داشته باشد. بنابراین، تولید برق از طریق خورشیدی PV به طور تصاعدی در هند و در سراسر جهان افزایش یافته است. کل و سالانه تولید PV خورشیدی از سیستم های نصب شده در هند در شکل 3 نشان داده شده است.

هند با افزودن 121 گیگاوات برق تجدیدپذیر بین سال های 2021 تا 2026، پس از چین و ایالات متحده، سومین بازار در حال رشد جهان خواهد شد که 86 درصد نسبت به ظرفیت فعلی افزایش یافته است. [1]، [5]، [6]. فتوولتائیک های خورشیدی در این استقرار (73.67 درصد) رتبه اول را دارند و پس از آن بادی خشکی (16.33 درصد) و برق آبی قرار دارند. هند، که نیروگاه های آبی عظیم را مستثنی می کند، به ترویج انرژی های تجدیدپذیر به طور همزمان با استقرار تعداد بی سابقه توربین های خورشیدی و بادی برای رسیدن به هدف جاه طلبانه ظرفیت تجدیدپذیر خود برای سال 2022 ادامه داد. (175 گیگاوات) [5]. در همان زمان، هند در حمایت خود از انرژی های تجدیدپذیر با قراردادن مقدار بی سابقه ظرفیت بادی و خورشیدی برای تحقق هدف بلندپروازانه انرژی تجدیدپذیر خود برای سال 2022 (175 گیگاوات) بدون در نظر گرفتن نیروگاه های آبی عمده، ثابت قدم ماند.

بر اساس چشم انداز انرژی جهان (WEO) 2020 [14] در سناریوی “انتشار خالص صفر تا سال 2050″، ظرفیت تولید PV خورشیدی نصب شده باید تا سال 2025 به 1840 گیگاوات و تا سال 2030 به 3929 گیگاوات افزایش یابد. در چنین سناریویی، برق PV خورشیدی حدود 5420 TWh یا 15.9٪ از انرژی جهان را تامین می کند. . این مقدار تقریباً دو برابر 2764 تراوات ساعت شبیه سازی شده در “سناریوی سیاست های بیان شده” است. حتی سناریوی “انتشار صفر خالص تا سال 2050” که هدف آن 100٪ انرژی های تجدیدپذیر تا آن سال است، از پیش بینی های بلندپروازانه تر فاصله دارد. [15]، [16].

درصد تولید از منابع غیر سنتی در شبکه های برق امروزی به ویژه از SPV به سرعت در حال رشد است. بخش عمده ای از مصرف انرژی جهان ممکن است از طریق تولید برق SPV تامین شود. به‌زودی، پیش‌بینی می‌شود از انرژی PV خورشیدی بیشتری استفاده شود. امروزه چندین VRES دارای مبدل های رابط شبکه هستند، به ویژه مبدل های DC-AC (1Φ یا 3Φ). PV و الکترونیک قدرت برای دریافت انرژی بیشتر از خورشید و پاسخگویی به تقاضا ضروری هستند. مبدل های مبتنی بر الکترونیک قدرت در تبدیل موثر و قابل اعتماد انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی قابل استفاده بسیار مهم هستند.

هدف اولیه از ساخت یک سیستم SPV این است که حداکثر مقدار انرژی تولید شده با هزینه کمتر، دوره بازپرداخت کوتاه و همچنین سطوح بالای کارایی را در اختیار کاربر قرار دهد. در نهایت، هدف اصلی گسترش سیستم‌های SPV به سیستم برق (EUS) است. [17]. افزایش نفوذ سیستم SPV در EUS فشار بیشتری را بر تجهیزات و سیستم های کاربردی وارد می کند. ماهیت غیرقابل پیش بینی منابع انرژی تجدیدپذیر مانند خورشیدی و باد همچنان یک نگرانی عمده است [18]. این ممکن است منجر به عوارضی مانند عملکرد نادرست تجهیزات حفاظتی، مشکل در تنظیم ولتاژ، نوسانات انتقال توان راکتیو، کاهش کیفیت برق تحویلی، و به خطر انداختن امنیت، ایمنی و قابلیت اطمینان شبکه شود. [2]، [9]، [19].

کیفیت برق و مشکلات پایداری شبکه توسط خروجی متغیر VRES تشدید می شود [20]. ماهیت متنوع مشکلات کیفیت توان (PQ) که با آن مواجه می‌شویم در مورد بحث قرار می‌گیرند [21]، [22]، [23]، [24] که شامل موارد زیر است:

• (من)

  هارمونیک های جریان بار مضر تولید شده از زمان افزایش استفاده از الکترونیک قدرت توسط سیستم های SPV و ماهیت بارهای متصل، به عنوان مثال، بارهای تک فاز و غیر خطی،

• (II)

  عدم تعادل توان بین تقاضای بار و ماهیت نوسان یک منبع تغذیه فعال SPV معمولاً باعث انحراف فرکانس از مقدار اسمی می شود.

• (iii)

  نوسانات ولتاژ، ناشی از تغییرات مکرر محیطی که بر سطح توان خروجی سیستم SPV تأثیر می گذارد،

• (IV)

  انحراف توان یک مسئله مهم برای سیستم های SPV است زیرا آب و هوا، دما و تابش خورشید بر قدرت آن تأثیر می گذارد.

در طول حداکثر زمان تولید توان سیستم های خورشیدی در شبکه، اختلاف توان قابل توجهی بین توان فعال از سیستم های فتوولتائیک و نیاز بار وجود دارد. به همین دلیل، پذیرش گسترده سیستم‌های SPV تأثیر منفی بر شبکه توزیع کلی دارد. این متعاقباً بر قابلیت استفاده، قابلیت اطمینان، قابلیت اطمینان و کیفیت شبکه توزیع شده در هنگام اتصال سیستم های PV خورشیدی یا سایر VRES تأثیر می گذارد.

علاوه بر این، تغییرات در تابش تابش ناشی از عوامل جوی و دمای محیط می تواند باعث تغییرات موثر در توان خروجی تولید شده توسط سیستم های PV شود. هدف اولیه سیستم های SPV معمولی ارائه توان فعال است. با این حال اهداف تکمیلی ارائه نشده است. در نتیجه، نوعی رابط، مانند DSTATCOM، بین سیستم SPV و شبکه مورد نیاز است. این مزیت های مختلفی را نسبت به کنترل کننده های فعلی ارائه می دهد [12]، [25]، مانند:

• (من)

  این سیستم عملیات DSTATCOM کامل را در زمانی که تابش خورشیدی PV صفر است اجرا می کند مانند کاهش هارمونیک ها، تصحیح ضریب توان، متعادل سازی بار و غیره.

• (II)

  این سیستم به‌عنوان SPV-DSTATCOM عمل می‌کند و هم کیفیت توان را بهبود می‌بخشد و هم انتقال توان فعال را انجام می‌دهد و در صورت وجود تابش خورشیدی PV، در صورت نیاز عمل می‌کند.

بنابراین، اینورتر فتوولتائیک متصل به شبکه موجود می‌تواند عملکردهای متعددی جدا از هدف اصلی تغذیه انرژی به شبکه را بدون مختل کردن مشخصات ولتاژ EPS انجام دهد. مهمترین نکات و مشارکت های مقاله ارائه شده به شرح زیر است:

• (1)

  تجزیه و تحلیل جامع سناریوهای اخیر تولید انرژی، کدهای شبکه جدید و مقررات عملیاتی که توسط شرکت‌های برق تحمیل شده‌اند، به رفع نیازهای سیستم‌های PV اخیر کمک می‌کند.

• (2)

  اطلاعات دقیق در مورد طراحی، توسعه، استفاده و اجرای خدمات جانبی مختلف برای سیستم های PV متصل به شبکه برای شکاف های تحقیقاتی آماده ارائه شده است.

• (3)

  طبقه بندی دقیق ساختارهای کنترلی مختلف و الگوریتم های کنترل مربوطه مورد استفاده برای سیستم های PV متصل به شبکه با بلوک دیاگرام های مناسب ارائه شده است.

• (4)

  مطالعه مقایسه ای دقیق رویه طراحی سخت افزار با استفاده از کنترلرهای مختلف مانند dSPACE، DSP، میکروکنترلر، FPGA، و غیره.، برای تعیین چالش ها و الزامات استقرار سخت افزار ارائه شده است.

برای بررسی جامع سیستم های PV متصل به شبکه، نزدیک به 200 مقاله تحقیقاتی، گزارش های فنی، آمارهای به روز انرژی های تجدیدپذیر، سیاست های ترویج انرژی های تجدیدپذیر دولتی و استانداردها/دستورالعمل های مختلف به طور کامل بررسی و خلاصه شده است تا بهترین نتیجه را به دست آورید. اینها. این مقاله استانداردهای مختلفی از اینورترهای فتوولتائیک خورشیدی تعاملی شبکه و تجزیه و تحلیل دقیق آنها را در بخش 2 ارائه می کند. الزامات سیستم برق خورشیدی متصل به شبکه و ویژگی های مختلف آنها در بخش 3 مقاله تحلیل شده است. علاوه بر این، پیکربندی‌های مختلف سیستم‌های PV خورشیدی و طبقه‌بندی‌های مربوط به آن‌ها به ترتیب در بخش‌های ۴ و ۵ آورده شده‌اند. مهمتر از آن، بخش 6 شامل بخش های مختلف کنترل سیستم PV متصل به شبکه و الگوریتم های کنترل مربوطه مورد استفاده برای سیستم های PV است. مقایسه دقیق تکنیک های کنترل موجود نیز در این بخش ارائه شده است. در پایان، بخش 7 خدمات جانبی مختلف سیستم متصل به شبکه را از جنبه‌های مختلف برجسته می‌کند و مطالعه مقایسه‌ای مفصل آنها نیز برای مرجع آماده ارائه شده است. در نهایت، نکات پایانی برای خواننده ارائه می شود تا بینشی از اثر موجود در نسخه خطی پیدا کند.