Distributed power electronics for extended efficiency and lifetime of utility-scale photovoltaic systems

Abstract

Aquesta tesi es centra en la mitigació dels desequilibris deguts a l'envelliment dels sistemes fotovoltaics. La degradació de la corrent de curtcircuit s'ha considerat com el principal factor que afecta la producció d'energia de sistemes fotovoltaics a causa de l'envelliment. Encara que, en el passat, s'ha detectat la dispersió en corrent de curtcircuit actual i màxima, es va subestimar la pèrdua d'energia deguda a la dispersió. A més, la dispersió dels paràmetres de voltatge-corrent a nivell de mòdul s'ha considerat per a la mitigació dels desequilibris a nivell de submòdul, mentre que la potència recuperable a nivell de submòdul pot ser superior a la que s'ha estimat. Per tal de verificar el compliment de les dades del nivell del submòdul a les dades del nivell del mòdul, en aquesta investigació, s'han realitzat mesures a nivell de submòdul. Es mostra que l'estimació de pèrdua d'energia a causa de l'envelliment basat en dades de dispersió a nivell de mòdul, s'ha infravalorat i considerant que la millora de l'energia en temps de vida a nivell de submòdul és possible fins a un 4-6%. Per tal de mitigar el desequilibri per envelliment en el sistema fotovoltaic, es proposa un convertidor de guany d'unitat, bidireccional i aïllat de baixa potència. Es presenta el procediment de disseny i realització experimental del convertidor i del seu esquema de control. El transformador d'alta freqüència proporciona l'aïllament galvànic entre primària i secundària. A més, els inductors ressonants s'han integrat en el transformador, cosa que redueix la mida i el cost del convertidor. Els resultats experimentals mostren que les eficiències de transferència de potència superen el 90% per a càrregues entre 1 W i 8 W. Es verifica el rendiment del convertidor per a la mitigació de desajustos. Al laboratori, tres prototips s'han provat en un mòdul fotovoltaic seguint l'enfocament d'arquitectura DPP PV-IP. S'observa que aquests tres convertidors mitiguen les dispersions dels submoduls i proporcionen la màxima potència possible. També es discuteix l'impacte de la mitigació dels desequilibris per envelliment en el cost d'energia (LCOE).

Esta tesis se centra en la mitigación del desajuste debido al envejecimiento en los sistemas fotovoltaicos. La degradación de la corriente de cortocircuito se ha considerado el principal factor que afecta la producción de energía de los sistemas fotovoltaicos debido al envejecimiento. Aunque en el pasado se ha informado la dispersión en la corriente de cortocircuito y la corriente de potencia máxima, se ha subestimado la pérdida de energía debida a la dispersión. Además, se ha considerado la dispersión de los parámetros de voltaje-corriente a nivel de módulo para la mitigación de desajustes a nivel de submódulo, mientras que la potencia recuperable a nivel de submódulo puede ser mayor que la estimada. Para verificar la conformidad de los datos de nivel de submódulo a los datos de nivel de módulo, en esta investigación, las mediciones se han realizado a nivel de submódulo. Se muestra que la estimación de la pérdida de energía debido al envejecimiento basado en el nivel de módulo, los datos de dispersión han sido subestimados y, considerando los datos de desajuste de nivel de submódulos, la mejora de la vida útil de la energía puede ser de hasta 4-6%. Con el fin de mitigar los desequilibrios por envejecimiento en el sistema fotovoltaico, se propone un convertidor de ganancia unitaria,de baja potencia, aislado y bidireccional dc-dc. Se presenta el procedimiento de diseño y realización experimental del convertidor y su esquema de control. El transformador de alta frecuencia proporciona el aislamiento galvánico entre primario y secundario. Además, se han integrado inductores resonantes en el transformador, lo que reduce el tamaño y el coste del convertidor. Los resultados experimentales muestran una eficiencia de transferencia de potencia superior al 90% para cargas entre 1 W y 8 W. Se verifica el rendimiento del convertidor para la mitigación de desajustes. En el laboratorio, se han comprobado tres prototipos conectados con un módulo fotovoltaico siguiendo el enfoque de la arquitectura DPP PV-IP. Se observa que estos tres convertidores mitigan totalmente los desajustes entre los tres submódulos y proporcionan la máxima potencia posible. También se discute el impacto de la mitigación del desajuste por envejecimiento en el coste de la energia.

This thesis focused on mitigation of mismatch due to ageing in PV systems. Degradation of short circuit current has been considered the principle factor that affects the energy production of PV systems due to ageing. Although, dispersion in short circuit current and maximum power current has been reported in the past, the energy loss due to dispersion has been underestimated. Moreover, dispersion of voltage-current parameters at module level have been considered for mismatch mitigation at submodule level whereas the recoverable power at submodule level may higher than that has been estimated. In order verify the accordance of submodule level data to module level data, in this research, measurements have been done at submodule level. It is shown that estimation of energy loss due to ageing based on module level dispersion data has been underrated and considering submodule level mismatch data life time energy improvement an be possible up to 4-6 %. In order to mitigate the ageing mismatch in PV system, a dc-dc bidirectional isolated low power unity gain converter is proposed. Design procedure and experimental realization of the converter is presented. A control scheme that allows bidirectional power flow is also presented. High frequency ferrite ore transformer provides the galvanic isolation between primary and secondary. In addition, resonant inductors have been integrated in the transformer, which reduces the size and cost of the converter. Experimental results show power transfer efficiencies more than 90 % for loads between 1 W to 8 W. The performance of the converter for mismatch mitigation is verified. In the laboratory, three prototype converters are attached with a PV module following the DPP PV-IP architecture approach. It is observed that these three converters an fully mitigate mismatch among three submodules and provide maximum possible power. The impact of mitigation of ageing mismatch on levelized cost of energy (LCOE) is also discussed.