• 1. 1. دسته‌بندی کلی سیستم‌های فتوولتائیک

   

   

سیستم‌های فتوولتائیک به دو صورت متصل به شبکه و مستقل از شبکه مورد استفاده قرار می‌گیرند. البته گاهی از ترکیب این دو نیز بهره برده شده‌ است. سیستم‌های فتوولتائیک مستقل در گذشته، بیشتر برای برق‌رسانی به مناطق دورافتاده مورد استفاده قرار گرفته‌اند. امروزه بیشتر سیستم‌های فتوولتائیک به صورت متصل به شبکه می‌باشد زیرا نیازی به باتری‌های بزرگ پشتیبانی ندارند، سیستم کنترلی ساده‌ای دارند و هزینه‌های نگه‌داری در آنها پایین‌تر است.[۲]

تولید اینورترهای فتوولتائیک ارزان و با قابلیت اطمینان بالا به عنوان یک چالش بسیار مهم برای بسیاری از محققان معرفی شده است که خود باعث افزایش گوناگونی و تعداد این اینورترها شده است. به طور کلی اینورترهای فتوولتائیک دو وظیفه‌ی مهم را باید به درستی باید انجام دهند:[۳]

• دنبال کردن نقطه‌ی حداکثر توان آرایه‌ی خورشیدی

آرایه‌های خورشیدی دارای رفتار غیر خطی هستند و در یک ولتاژ و جریان خاص بیش‌ترین توان ممکن را منتقل می‌کنند که به نقطه‌ی بیشینه‌ی توان^[۳] شناخته شده است. این ولتاژ و جریان خاص ثابت نیستند و به عوامل متعددی بستگی دارند و در طول روز با تغییر شدت و زاویه‌ی تابش نور خورشید تغییر می‌کنند. یک وظیفه‌ی مهم سیستم‌های کنترلی در سیستم‌های فتوولتائیک، کار کردن در نقطه‌ی توان بیشیمه در کلیه‌ی ساعات می‌باشد. برای تسهیل تنظیم ولتاژ نقطه‌ی کار، میان آرایه‌ای خورشیدی و اینورترهای فتوولتائیک از خازن‌هایی موسوم به خازن‌های باس dc استفاده می‌شود.

• تزریق جریان سینوسی با کیفیت بالا به شبکه

در هر سامانه خورشیدی از یک اینورتر منبع ولتاژ کنترل شده با جریان، برای تزریق جریان سینوسی با کیفیت بالا و با اعوجاج هارمونیکی حداقل (ضمن رعایت استانداردها) و تا حد امکان هم‌فاز با ولتاژ شبکه استفاده می‌شود.
در حالت کلی سیستم‌های فتوولتائیک متصل به شبکه نیاز به یک مرحله بوست ولتاژ برای کنترل دامنه‌ی ولتاژ دارند و به همین دلیل تا کنون شاهد سیستم‌های به طور عام دو طبقه^[۴] بوده‌ایم. یک طبقه‌ی اختصاص به مبدل DC/DC برای افزایش سطح ولتاژ و جست‌وجوی نقطه‌ی توان بیشینه و طبقات دیگر برای تبدیل ولتاژ مستقیم به متناوب DC/AC می‌باشد.

اینورتر فتوولتائیک دو طبقه‌ی متصل به شبکه با اینورتر دو سطحی
ساختار دو طبقه مزایایی از جمله آرایش ساده، فرکانس کلیدزنی بالا، قابلیت انعطاف زیاد از نظر اعمال شیوه‌های مختلف کنترلی و کنترل مستقل از هم MPPT و اینورتر را دارد. اما معایبی از جمله استفاده از تعداد بیشتر عناصر الکترونیک قدرت، تلفات زیاد، بازده کمتر، تداخلات الکترومغناطیسی بالا، وزن و سایز بزرگتر منجر به زیاد شدن هزینه‌ها شده است. از این رو تحقیقات متعددی به منظور کاهش تعداد طبقات از دو طبقه به یک طبقه انجام گرفته است (شکل ۱-۴) که منجر به دستیابی به آرایش‌های متفاوتی شده است، که در زیر خلاصه می‌شود.[۴]

• استفاده از اینورتر پل معمولی به همراه یک ترانسفورماتور افزاینده

• استفاده از تعداد زیادی سلول‌های خورشیدی به صورت سری با یکدیگر برای افزایش ولتاژ باس dc

• استفاده از ساختارهای اینورتر-بوست یک طبقه

استفاده از ترانسفورماتورهای فرکانس پایین باعث افزایش وزن و کاهش بازده‌ی اینورتر می‌شود. تعداد زیاد سلول‌های سری با یکدیگر نیز باعث کاهش بازده سیستم می‌شود، به خصوص در مواقعی که برخی از سلول‌ها دچار پدیده‌ی سایه جزئی می‌شوند. ساختار‌های یک طبقه پیش از این به دلیل فرکانس کلیدزنی زیاد و EMI زیاد دارای محدودیت هایی بوده است که رفته‌رفته در حال برطرف شدن است و امروز اینورترهای یک طبقه با آرایش H5 به صورت صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

اینورتر فتوولتائیک یک طبقه‌ی متصل به شبکه
اینورترهای چند سطحی با مزایایی همچون اعوجاج هارمونیکی کمتر، توان بالاتر و قابلیت اطمینان بالاتر جایگزین اینورتر‌های سنتی سه سطحی شدند (شکل ۱-۵). از دیگر مزایای این اینورترها می‌توان به فرکانس کلید زنی پایین‌تر، نیاز به فیلتر خروجی کوچکتر و قابلیت کاربرد در توان‌های بالا اشاره کرد. این مزایا باعث شده است که توجه زیادی به استفاده از اینورترهای چند سطحی در سیستم های فتوولتائیک شود.

کاربرد اینورتر تمام پل متوالی در سیستم‌های فتوولتائیک یک طبقه‌ی متصل به شبکه
از بین آرایش‌های چند سطحی رایج می‌توان به مبدل چندسطحی مهار دیودی، مبدل چندسطحی خازن شناور و مبدل چند سطحی تمام پل اشاره کرد که تمام آن ها توسط محققان مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به این که مبدل تمام پل متوالی دارای باس‌های لینک dc مجزا است، بهترین گزینه برای استفاده در کاربردهای فتوولتائیک به نظر می‌رسد زیرا که امکان ردیابی نقطه‌ی توان بیشینه را برای چندین آرایه به صورت مجزا فراهم می‌کند و می‌تواند در شرایط رخداد سایه‌جزئی عملکرد بهتری داشته باشد.
مشکل بزرگی که در استفاده از اینورترهای پل متوالی در کاربرد فتوولتائیک وجود دارد سیستم کنترلی پیچیده برای عملکرد مناسب این اینورترها در تمام شرایط است. به عبارت دیگر در شرایط توزیع نامتعادل توان بین پل­ها، مانند شرایط سایه­جزئی، این اینورترها دارای مشکل ناپایداری خواهند شد و البته این مساله چندان مورد توجه محققین قرار نگرفته­است. همچنین با توجه به مشخصات غیر خطی آرایه­های خورشیدی و غیر قابل پیش ­بینی بودن آن­ها، پیاده­سازی روش­های جدید پیشنهادی با موفقیت همراه نمی­ شود.

• 1. 1. سیستم­های متصل به شبکه

   

   

با وجود مزیت­های فراوان سیستم­های فتوولتائیک ، افزایش ظرفیت آن­ها در شبکه موجب برخی مشکلات شده­است که اخیرا به دلیل افزایش قابل توجه نصب این سیستم­ها، مورد توجه قرار گرفته­است. مطالعات صورت گرفته در این زمینه را به سه بخش کلی تقسیم می­کنیم. [۵]

• سیستم­های تولید

• سیستم­های انتقال و فوق توزیع

• سیستم­های توزیع

در ادامه به بررسی هریک خواهیم پرداخت.

• • 1. 1. اثر سیستم­های فتوولتائیک بر بخش تولید