Μοντελοποίηση Και Έλεγχος Φωτοβολταϊκών Συστημάτων Σε Συνθήκες Σκίασης

Abstract

Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται ζητήματα μοντελοποίησης και ελέγχου φωτοβολταϊκών (ΦΒ) συστημάτων σε συνθήκες ομοιόμορφης ακτινοβολίας και μερικής σκίασης. Προτείνονται νέα μαθηματικά μοντέλα και εξισώσεις που συνδυάζουν ακρίβεια και ευκολία χρήσης, ενώ αναπτύσσονται τεχνικές ελέγχου του μετατροπέα ισχύος για βέλτιστη λειτουργία σε συνθήκες σκίασης και για τήρηση εφεδρείας ισχύος.Αρχικά, παρουσιάζεται μια ολοκληρωμένη μεθοδολογία μοντελοποίησης του ΦΒ συστήματος σε ομοιόμορφη ακτινοβολία, βασισμένη στο μοντέλο μίας διόδου (single-diode PV model). Η θεμελιώδης εξίσωση ρεύματος-τάσης διατυπώνεται σε ευθεία μορφή με χρήση της νεοεισαχθείσας συνάρτησης Lambert W και δίνονται απλές εξισώσεις για την εύρεση των πέντε παραμέτρων του μοντέλου με ευθύ τρόπο. Επίσης, προτείνονται αναλυτικές εκφράσεις υπολογισμού της τάσης και του ρεύματος στα σημεία βραχυκύκλωσης (SC), ανοιχτοκύκλωσης (OC) και μέγιστης παραγωγής (MPP), συναρτήσει είτε των πέντε παραμέτρων είτε απευθείας της ακτινοβολίας και θερμοκρασίας.Στη συνέχεια, μελετάται ενδελεχώς η επίδραση του φαινομένου της μερικής σκίασης στην ηλεκτρική απόκριση ενός ΦΒ συστήματος. Δομείται ένα κατάλληλο ηλεκτρικό μοντέλο αναλυτικής μορφής, το οποίο χρησιμοποιείται για προσομοίωση πληθώρας σεναρίων σκίασης και συστηματική καταγραφή της τροποποίησης που υφίστανται οι χαρακτηριστικές I-V και P-V. Η ανάλυση οδηγεί σε χαρακτηρισμό όλων των τοπικών κορυφών ισχύος (MPPs) που εμφανίζονται στην καμπύλη P-V και στην ανάπτυξη απλών περιγραφικών σχέσεων προσδιορισμού των χαρακτηριστικών τους. Με τις προτεινόμενες εκφράσεις, καθίσταται δυνατός ο υπολογισμός της ενεργειακής απόδοσης ενός ΦΒ συστήματος που υπόκειται σε σκίαση, με ευθύ τρόπο και χωρίς κοπιώδεις προσομοιώσεις. Όλα τα μοντέλα και οι εξισώσεις που εισάγονται, επιβεβαιώνονται πειραματικά με μετρήσεις σε υφιστάμενες ΦΒ διατάξεις.Επιπλέον, τα κεκτημένα της θεωρητικής μελέτης αξιοποιούνται στην ανάπτυξη έξυπνων αλγορίθμων ελέγχου του μετατροπέα ισχύος σε συνθήκες σκίασης. Διατυπώνεται μία απλή και γενικά εφαρμόσιμη τεχνική αναγνώρισης σκίασης, ενώ αναπτύσσονται δύο αλγόριθμοι ανίχνευσης του σημείου μέγιστης παραγωγής (maximum power point tracking – MPPT) που εγγυώνται καθολικά βέλτιστη λειτουργία σε συνθήκες σκίασης.Τέλος, διερευνάται το αντικείμενο της τήρησης εφεδρείας ισχύος από ένα ΦΒ σύστημα προς παροχή επικουρικών υπηρεσιών στο ηλεκτρικό δίκτυο. Αναπτύσσεται μία νέα τεχνική ελέγχου που επιτρέπει λειτουργία σε όλο το εύρος ισχύος από 0% έως 100% της μέγιστης παραγωγής, προσφέροντας παράλληλα συνεχή εκτίμηση του MPP σε πραγματικό χρόνο. Ο προτεινόμενος αλγόριθμος ελέγχου επιβεβαιώνεται σε πειραματική διάταξη 2 kW.