Photovoltaic power converter for large scale applications

Abstract

Most of large scale photovoltaic systems are based on centralized configurations with voltage source converters of two or three output voltage levels connected to photovoltaic panels. With the development of multilevel converters, new possible topologies have come out to replace current configurations in large scale photovoltaic applications, reducing filter requirements in the ac side, increasing the voltage level operation and improving power quality. One of the main challenges of implementing multilevel converter in large scale photovoltaic power plants is the appearance of high leakage currents and floating voltages due to the significant number of power modules in series connection. To solve this issue, multilevel converters have introduced high or low frequency transformers, which provide inherent galvanic isolation to the photovoltaic panels. The Cascaded H-Bridge converter (CHB) with high frequency transformers in a second conversion stage has provided a promising solution for large scale application, since it eliminates the floating voltage problem and provides an isolated control stage for each dc side of the power modules. In an effort to integrate ac transformers to reduce the requirement of a second conversion stage, Cascaded Transformer Multilevel Inverters (CTMI) have been propose for photovoltaic applications. These configurations use the secondary side of the ac transformers to create the series connection, while the primary side is connected to each power module, satisfying isolation requirements and providing different possibilities of winding connections for symmetrical and asymmetrical configurations. Based on the requirements of multilevel converters for large scale photovoltaic applications, the main goal of this PhD dissertation is to develop a new multilevel converter which provides galvanic isolation to all power modules, while allowing an independent control algorithm for their power generation. The configuration proposed is called Isolated Multi-Modular Converter (IMMC) and provides galvanic isolation through ac transformers. The IMMC comprises two group of series connected power modules referred as arm, which are electrically interconnected in parallel. The power modules are based on three-phase voltage source converters connected to individual group of photovoltaic panels in the dc side, while the ac side is connected to three-phase low frequency transformers. Therefore, several isolated modules can be connected in series. Because the power generated by photovoltaic panels may be affected by environmental conditions, power modules are prone to generate different power levels. This scenario must be covered by the IMMC, thus providing high flexibility in the power regulation. In this regard, this PhD dissertation proposes two control strategies embedded in each power module, whose role is to control the power flow based on the dc voltage level and the current arm information. The Amplitude Voltage Compensation (AVC) regulates the amplitude of the modulated voltage, while the Quadrature Voltage Compensation (QVC) regulates its phase angle by introducing a circulating current flowing through the arms. Additionally, it is demonstrated that combining both control strategies, the capability to withstand power imbalances increases, providing a higher flexibility. The IMMC was modelled and validated via simulation results. Besides, a control algorithm was proposed to regulate the total power generated. A downscale experimental setup of 10kW was built to endorse the analysis demonstrated via simulation. This study considers an IMMC connected to the electrical grid, which operates in balance and imbalance power scenarios, demonstrating the complete flexibility of the converter to be implemented in large photovoltaic applications.

La mayoría de los sistemas fotovoltaicos de gran escala tienen una configuraci ón centralizada con convertidores de dos otres niveles de tensión de salida conectados a paneles fotovoltaicos. Con el desarrollo de los convertidores multinivel, nuevas topologías han aparecido para reemplazar las configuraciones usadas actualmente en aplicaciones fotovoltaicas, reduciendo los requerimientos de grandes filtros, incrementando los niveles de tensi ón de operación y mejorando la calidad de la potencia. Uno de los mayores desafíos de los convertidores multinivel en aplicaciones fotovoltaicas de gran escala es la presencia de corrientes de fuga y tensiones de flotación debido al significante aumento de módulos de potencia conectados en serie. Para solucionar este problema, los convertidores multinivel incluyen transformadores de alta o baja frecuencia, los cuales proveen aislación galvánica a los paneles fotovoltaicos. El Convertidor Cascada con Puente H y transformadores de alta frecuencia en una segunda etapa de conversión ha proporcionado una solución prometedora para aplicaciones de gran escala, ya que elimina el problema de tensión de flotación y además proporciona una etapa de control independiente al bus dc. En un esfuerzo de integrar transformadores en el lado de corriente alterna para evitar una segunda etapa de conversión, los Convertidores Multinivel con Transformadores en Cascada (CTMI) han sido propuestos para aplicaciones fotovoltaicas. Estas configuraciones utilizan el secundario del transformador para crear la conexi ón serie, mientras que el primario es conectado a cada módulo de potencia, satisfaciendo los requisitos de aislaci ón y proporcionando diferentes posibilidades de conexiones en los devanados para generar configuraciones sim étricas y asimétricas. Considerando los requisitos de convertidores multinivel para aplicaciones fotovoltaicas de gran escala, el principal propósito de esta tesis es desarrollar una configuración de convertidor multinivel el cual proporcione aislación galvánica a todos sus módulos, además de un control independiente para la potencia generada. La configuraci ón propuesta se llama Convertidor Multi-Modular Aislado (IMMC) y proporciona aislaci ón galvánica a través de transformadores en el lado ac. El IMMC se conforma de dos grupos de módulos de potencia conectados en serie denominadas ramas, las cuales se interconectan en paralelo. Los módulos de potencia se conforman de convertidores fuente de tensi ón trifásicos conectados a grupos individuales de paneles fotovoltaicos, mientras que el lado ac se conecta a transformadores trif ásicos de baja frecuencia. Por lo tanto, varios módulos aislados pueden ser conectados en serie. Debido a que la potencia generada por los paneles fotovoltaicos depende de las condiciones ambientales, los m ódulos son propensos a generar diferentes niveles de potencia. Este escenario debe ser soportado por el IMMC, proporcionando alta flexibilidad en la regulación de potencia. Por lo tanto, esta tesis propone dos estrategias de control cuyo rol es regular el flujo de potencia de cada módulo mediante la tensión en la etapa continua y la corriente de rama. La compensaci ón por amplitud de tensión (AVC) regula la amplitud del índice de modulación, mientras que la compensación de la tensión en cuadratura (QVC) regula el ángulo de fase. Adicionalmente, se demuestra que, al combinar ambas estrategias de control, la capacidad para tolerar desbalances de potencia aumenta, proporcionando una mayor flexibilidad. El convertidor IMMC fue modelado y validado mediante resultados de simulaci ón. Además, una estrategia de control fue propuesta para regular la potencia total generada. Un prototipo de 10kW fue construido para respaldar los resultados presentados en simulación. Este estudio considera un convertidor IMMC conectado a la red el éctrica que opera en diferentes condiciones de potencia, demostrando una alta flexibilidad