کتاب توان خروجی ماکزیمم در نیروگاه خورشیدی

فصل 1 10
تاریخچه استفاده از انرژی های خورشید ی ………………………………………….. 10
فصل 2 17
طرز کار سلول خور شید ……………………………………………………………… 17
تاثیر تغییرات در درخشندگی خورشید ……………………………………………… 20
تاثیر تغییرات در دما ………………………………………………………………… 22
انواع سلول خورشید ی ………………………………………………………………. 23
مبدل بوست DC-DC ……………………………………………………………….. 25
فصل 3 31
اینورتره ا …………………………………………………………………………….. 31
روال کار کلی اینورترها ……………………………………………………………… 34
ترانزیستور دو قطبی با درگاه عا یق شده IGBT : ……………………………………. 35
ساختار IGBT…………………………………………………………………….. 37
نحوه انتخاب سوئیچ های قدرت …………………………………………………… 39
ویژگی های اساسی ، مزایا و معا یب استفاده از IGBT ……………………………… 40
اینورترهای دو سطحی ………………………………………………………………. 42
اینورترهای چند سطحی …………………………………………………………….. 43
اینورتر چند سطحی با دیود نگهدارنده …………………………………………….. 45
اینورتر چند سطحی با خازن شناور ……………………………………………….. 49
اینورتر چند سطحی سلسله مرات بی ……………………………………………….. 52
اینورتر چند سطحی ترکیبی ………………………………………………………. 53
بررسی سطوح مختلف اینورتر سلسله مراتبی ……………………………………….. 59
اینورتر 7 سطحی سلسله مراتبی …………………………………………………… 60
اینورتر 11 سطحی سلسله مراتبی ………………………………………………….. 61
اینورتر 15 سطحی سلسله مراتبی ………………………………………………….. 62
اینورتر 17 سطحی سلسله مراتبی ………………………………………………….. 64
بررسی اعوجاج هارمونیکی در اینورتر سلسله مراتب ی ………………………………… 65
روش های کنترلی در اینورترها ………………………………………………………. 67
مزایای اینورترهای چند سطحی نسبت به اینورترهای دو سطحی …………………… 69
معرفی ساختار مناسب جهت نیروگاه خورشید ی …………………………………….. 69
فصل 4 73
ساختارهای نیروگاه خورشیدی ……………………………………………………… 73
رفتار رشته و آرایه ها در نیروگاه ها …………………………………………………. 79
انواع ساختارهای نیروگاه های خورشیدی …………………………………………… 83
مدل اینورتر مرکزی ……………………………………………………………….. 83
مدل اینورتر با مبدل افزاینده مرکز ی ……………………………………………… 85
مدل مبدل افزاینده در هر رشته ……………………………………………………. 86
مدل مبدل افزاینده در هر ماژول ………………………………………………….. 88
فصل 5 91
مدار معادل سلول خورشیدی ……………………………………………………. 91
مدل سازی ماژول فتوولتائیک ………………………………………………………. 94
ساختار آرایه فتوولتائی ک …………………………………………………………….. 95
شبیه سازی سلول خور شیدی ………………………………………………………… 96
شبیه سازی آرایه خورشید ی ………………………………………………………… 99
شبیه سازی اینورترها ……………………………………………………………….. 99
طرز کار مدار اینورترها …………………………………………………………….105
بررسی اعوعاج هارمونیکی …………………………………………………………108
شبیه سازی نیروگاه خورشید ی ……………………………………………………..112
توان خروجی در نیروگاه خورشیدی …………………………………………………115
فصل 6 117
نتیجه گیر ی …………………………………………………………………………117
منابع

روال کار کلی اینورترها

قسمت اصلی اینورترها یک پل دیودی است که مداری ساده متشکل از چهار سوئیچ قدرت است که این سوئیچ های قدرت می توانند MOSFET, BJT و یا هر سوئیچ الکترونیک- قدرت دیگر باشند.

عمدتا در کاربردهای ولتاژ بالا IGBT ها مورد استفاده قرار می گیرند. دیودهای D₁ تا D₄ معمولا داخل خود سوئیچ قدرت تعبیه شده و وجود آنها نقش حیاتی در عملکرد مدار ایفا می کند.

اصول کار این مدار بسیار ساده بوده و اگر سوئیچ های S₁ و S₄ با هم روشن شوند ، نقطه بالایی مدار به V_cc و نقطه پائینی مدار به زمین^[1] وصل می شود و ولتاژ V_cc  بر روی بار قرار می گیرد و بدینوسیله جریان با گذشتن از S₁ وارد بار شده و از طریق S₄ به زمین باز می گردد. در حالتیکه سوئیچ های S₂ و S₃ روشن شوند، ولتاژ S₃ بر روی بار افت نموده و در این حالت جریان با گذشتن از سوئیچ S₃ وارد بار شده و به وسیله سوئیچ S₂ به زمین باز می گردد، و به این ترتیب ولتاژهای – V_cc  و +V_cc به تناوب بر روی بار می افتد.

توجه به این نکته حائز اهمیت می باشد که می توان ولتاژ صفر را بر روی بار قرار داد. برای اینکار کافی است سوئیچ های S₁  و S₃ همزمان روشن گردند. در این حالت دو سر بار به +V_cc وصل شده و در نتیجه اختلاف پتانسیل دو سر بار صفر می گردد. به همین روش، با روشن شدن سوئیچ های S₂ و S₄ می توان این کار را به انجام رسانید و در این حالت نیز هر دو سر بار به زمین وصل شده و اختلاف پتانسیل دو سر مدار صفر خواهد شد.

در قسمت بعد به چگونگی انتخاب سوئیچ های قدرت و دلایل آنها پرداخته شده است.

ترانزیستور دو قطبی با درگاه عایق شده IGBT:

ترانزیستور دو قطبی با درگاه عایق شده IGBT- Insolated Gate Bipolar Transistor جز نیمه هادی های قدرت بوده و در درجه اول به عنوان یک سوئیچ الکترونیکی استفاده می شود. این سوئیچ در بسیاری از لوازم مدرن از جمله : خودروهای برقی، یخچال ها، دستگاه های تهویه مطبوع و حتی سیستم های تقویت کننده استفاده می شود. همچنین از این سوئیچ می توان در ساخت اینورترها، ترانس های جوش و UPS استفاده نمود.

مدل های ابتدایی از این وسیله در سال های 1970-1990 به بازار عرضه گردید که به دلیل ایجاد جریان قفل شونده^[1] ( خاموش نشدن قطعه تا مادامی که جریان در آن جاری است) و نیز شکست ثانویه ( به دلیل گرم شدن نقطه کانونی در جریان های بالا) با شکست مواجه شد.

نسل دوم و سوم این قطعه ارتقا یافته و دارای استحکام بالایی نسبت به نسل اول گردید. درجه بندی پالس^[2] در نسل دوم و سوم باعث شد تا پالس با توان بالا که در فیزیک پلاسما بسیار مورد استفاده قرار می گیرد، تولید شود. ایجاد پالس با توان بالا باعث شد تا از این وسیله در ولتاژهای بالا به منظور کنترل وسایلی که نیاز به توان بالا دارند، استفاده گردد.

با بالا رفتن فرکانس در ترانزیستورهای معمولی و خطی عمل نکردن و نویزی شدن شدید آنها، از MOSFET های قدرت در فرکانس های مذکور، جهت کلید زنی استفاده می گردد. این موضوع به دلیل بالا رفتن تلفات این قطعات در توان های بالا معضلاتی را در سوئیچینگ ایجاد می نماید که به همین دلیل از قطعات کلیدزنی جدید (IGBT) استفاده می شود.

IGBT (ترانزیستور دو قطبی با گیت عایق شده) از ترکیب دو نوع ترانزیستور BJT^[3]  و MOSFET^[4] ساخته شده است. در این ترانزیستورها از دید ورودی یک MOSFET و از نظر خروجی یک BJT دیده می شود و از خصوصیات هر یک در این قطعه نوین استفاده گردیده است.

همانگونه که می دانیم BJT ها در حالت روشن (وصل) دارای تلفات هدایتی کمی بوده و این در حالیست که زمان سوئیچینگ آنها به خصوص در زمان خاموش شدن طولانی تر می باشد. MOSFETها قادر هستند که به ممراتب سریع تر قطع و وصل کنند بنابراین تلفات هدایت آنها بیشتر می شود. بنابراین می توان گفت با ترکیب ویژگی های، افت ولتاژ و تلفات و ولتاژ حالت روشن کم در یک BJT و نیز امپدانس ورودی بالا در یک MOSFET می توان قطعه جدیدی جهت سوئیچینگ با ویژگی های مناسب تری داشت که مهم ترین ویژگی آن سوئیچینگ در جریان های بالا است.

ساختار  IGBT

این ترانزیستور یک ترانزیستور قطبی است که فرمان اعمال شده به آن از طریق پایه گیت^[5] می باشد و این ترانزیستور از دیدگاه خروجی مانند یک ترانزیستور دو قطبی و از دیدگاه ورودی ویژگی های یک FET را داراست. پایه گیت از دو صفحه فلزی رسانا تشکیل شده که این صفحات جهت ایجاد میدان الکترومغناطیسی به کار می روند. سطح این صفحات توسط لایه نازکی از اکسید سیلیکون پوشانده شده است و هریک از این صفحات عایق به سه نیمه هادی در ساختار داخلی IGBT متصل شده است. دو نیمه های نوع N و یک نیمه هادی نوع P توسط اتصال این دو صفحه عایق به نیمه هادی ها، شش ساختار خازنی به وجود می آورند. شرط عملکرد این ترانزیستور این است که دو صفحه گیت به صورت مثبت شارژ گردند.

با اعمال پتانسیل مثبت به گیت، صفحات گیت به صورت مثبت شارژ می شوند. حامل های اکثریت در نیمه هادی های نوع P حفره ها بوده لذا میدان الکتروستاتیکی بین صفحات گیت و نیمه هادی نوع P ( که کمبود الکترون دارند)، ایجاد می گردد اینن نیروی جاذبه که در بین الکترون های شارژ شده در گیت و حفره ها ایجاد گشته باعث جمع شدن یون های مثبت در نزدیکی گیت می گردد.

نقطه نظراتی جهت روشن و خاموش کردن IGBT مد نظر قرار داده می شود که در زیر به چندی از آنها اشاره می کنیم:

• تهیه ولتاژ گیت – امیتر مناسب به منظور روشنی کامل
• تهیه جریان اولیه نسبتا زیاد در فرایند روشنی به جهت کاهش در اتلاف
• تامین ولتاژ معکوس در طی زمان خاموشی به جهت بهبود ولتاژ گذرا در واحد زمان dv/dt، نویز EMI^[1] کاهش اتلاف زمان خاموشی
• فراهم آوردن ایزولاسیون کافی میان مدار قدرت و کنترل
• محافظت IGBT هنگام اتصال کوتاه

جهت روشن شدن این قطعه هنگامی که در انسداد مستقیم است، اگر ولتاژ گیت بیش از ولتاژ آستانه شود، ناحیه P به عقب رانده شده و کانالی از نوع N در آن ایجاد می شود لذا جریان از طریق این کانال برقرار می شود. در این حالت آند به کاتد باید بیشتر از 0.7 ولت (سد پتانسیل)، باشد تا پیوند بین بستر P⁺ و ناحیه رانشی N^– به صورت مستقیم بایاس شود. جریان الکترون ها که از ناحیه N⁺ امیتر از طریق کانال به سمت ناحیه رانشی N^–  برقرار است، جریان تحریک بین ترانزیستور PNP می باشد. جریان الکتورن ها باعث القا شدن جریانی از حفره ها از ناحیه P⁺ به سمت ناحیه N^– بیس می شود. که بر اثر تزریق این حامل های اقلیت ، مدوله کننده رسانندگی و رسانایی ناحیه رانشی افزایش یافته و این موضوع IGBT را قادر می سازد تا در کاربردهای ولتاژ بالا با کاهش چشمگیر مقاومت ناحیه رانشی ، مورد استفاده قرار گیرند.

برای خاموش کردن این قطعه گیت با اعمال ولتاژ با امیتر اتصال کوتاه می شود. با کمتر شدن ولتاژ گیت از ولتاژ آستانه، منبع الکترون در ناحیه رانشی N^–  مسدود می شود. و در این زمان فرایند خاموش شدن آغاز می گردد. به علت تجمع زیتد حامل های اقلیت تزریق شده در لایه رانشی N^– در زمان هدایت مستقیم، فرایند خاموش شدن به یکباره صورت نگرفته و جریان کلکتور به دلیل پایان الکترون ها در کانال ابتدا به سرعت و سپس همزمان با کاهش چگالی حامل های اقلیت بر اثر باز ترکیب شدن، به تدریج کاهش می یابد.

نحوه انتخاب سوئیچ های قدرت

در انتخاب سوئیچ های قدرت در پل دیودی می بایست به سه مورد زیر توجه نمود:

• جریان و ولتاژ کارکرد
• فرکانس سوئیچینگ
• مقاومت حالت روشن سوئیچینگ

در اکثر این موارد IGBT ها برای این منظور انتخاب خوبی می باشند. در بیشتر MOSFET های قدرت زمان عملکرد سوئیچینگ دارای دو حالت روشن و خاموش می باشند.

در حالت روشن رفتار MOSFET ها مانند یک مقاومت بوده و این امر مقاومت در اصطلاح، مقاومت کانال نامیده می شود (R_ds) . پر واضح است که هرچه مقاومت حالت روشن R_ds  یک MOSFET بیشتر باشد ، در نتیجه تلفات سوئیچینگ بیشتر شده و نهایتا بازدهی کاهش خواهد یافت.

علاوه بر این مقاومت حالت روشن (R_{ds ON}) بسیار وابسته به دما و در طراحی ها فاکتور دما بسیار حائز اهمیت می باشد.

گرچه مقاومت حالت روشن در N_{Channel MOSFET} ها کمتر از P_{Channel MOSFET} ها است ولی کنترل آنها در طبقه بالایی^[2] پل دیودی ( یعنی سوئیچ های S₃ ,S₁) مشکل بوده، و در نتیجه سوئیچ های طبقه پائینی ^[3]

(یعنی سوئیچ های S₂ , S₄) می بایست همیشه از نوع N_Channel  باشد در حالیکه سوئیچ های S₃ ,S₁ در طبقه بالا در پاره ای از موارد N_Channel بوده و گاهی از اوقات نیز از نوع P_Channel است.

ویژگی های اساسی، مزایا و معایب استفاده از IGBT

IGBT به طور قابل ملاحظه ای دارای افت ولتاژ کمی در مقایسه با MOSFET می باشد.در نیمه هادی های توان، هرچقدر ولتاژ مسدود کننده بالا می رود، میزان عمق ناحیه N افزایش یافته و میزان ناخالص سازی کاهش می یابد که این موضوع باعث افزایش ولتاژ مستقیم در مقابل ولتاژ مسدود سازی می شود و در مقایسه با قطعات کنترل شونده بوسیله جریان (تریستور و BJT) در ولتاژ و جریان بالا بسیار آسانتر قابلیت کنترل شوندگی دارند.

با توجه به مشخصه های خروجی که در شکل (3-4) نشان داده شده است، دارای قابلیت هدایت جریان بهتر و قابلیت انسداد معکوس و مستقیم متمایزتری نسبت به ترانزیستورهای دو قطبی بوده لذا ناحیه عملکرد ایمن وسیع تری را ایجاد می نماید.

از طریق تزریق حامل های اقلیت (حفره ها) از ناحیه کلکتور (P⁺ ) به ناحیه (N⁺) در هنگام بایاس مستقیم، مقاومت ناحیه به میزان قابل توجهی کاهش می یابد.

در هر اتصال P-N، شار جریان معکوس را بلوک می نماید و این موضوع مبین این است که بر خلاف یک MOSFET، یک IGBT در جهت معکوس کار نمی کند. بنابراین در مدارهایی که به جریان معکوس نیاز داریم، می بایست یک دیود اضافه ، تحت عنوان دیود هرز گرد^[4] به صورت موازی با IGBT ، جهت هدایت جریان معکوس قرار داده شود. به همین منظور در ولتاژهای بالا که معمولا دیود اتصال جداگانه نیاز است از IGBT استفاده می گردد (3-4).

از مزایای IGBT نسبت به مافست ها می توان به اختصار به موارد زیر اشاره نمود:

• قدرت بلوک سازی جریان بالاتر
• سرعت سوئیچینگ بیشتر
• توان تلفاتی سوئیچینگ و هدایتی کمتر
• قابلیت استفاده در ولتاژ و جریان های بال