Βέλτιστος σχεδιασμός του αντιστροφέα ρεύματος flyback για εφαρμογή του σε φωτοβολταϊκά πλαίσια εναλλασσόμενου ρεύματος.

Abstract

This thesis pertains to domestic on-grid PV systems that utilize the AC-PV Modulestechnology. These low power PV topologies (up to 300W) are implemented by integratingone PV Module and a single phase inverter (one or multi stage), in one independent electronicapparatus. For this reason they are called Module Integrated Converters (MIC). The mostimportant requirements for these systems are the higher possible efficiency - in order to takeadvantage of the supplied solar energy – and the pure sinusoidal output current.The main purpose of this thesis is to contribute to the field of the dispersed PV powergeneration. Thus, it focuses on the thorough analysis, the behaviour optimization, thecomponents losses estimation, the parameterization and finally the optimal design of Flybackcurrent source inverter (Flyback CSI).The main objectives fulfilled in this thesis are: The detailed analysis of the inverter behaviour for two different semiconductor controlstrategies. The precise losses calculation of all the components of the Flyback CSI. The optimal design of the Flyback CSI, which is based on maximizing the weightedefficiency. The implementation of the semiconductor control via a digital microcontroller,eliminating the existing analogue control.Initially, the study focuses on a first control technique that forces the inverter to functionin Discontinuous Conduction Mode (DCM). On the other hand, a second control techniquethat forces the inverter to function on the Boundary between Continuous and DiscontinuousMode (BCM) is proposed. This new control technique is named i-BCM (improved BCM) andit is an improved version of the BCM control technique found in the literature. This newcontrol scheme significantly improves the power factor of the inverter output. The inverterinjects pure sinusoidal current to the grid.The two different control strategies form different circuit conditions. Analyticalexpressions for the average and the rms value of the current, flowing through the components(semiconductors, transformers e.t.c), for both cases are developed. In addition, new operatingboundaries of the semiconductors for the safe operation of the inverter based on the analysisof the voltage and current that stresses the semiconductors, are proposed. Special attention is given on the calculation of the voltage deviation on the output filter capacitor. This voltagedeviation is caused by the switching operation of the inverter and affects the selection of thesemiconductors and the voltage level that can handle.Furthermore, the conduction losses and the switching losses of the semiconductors aredetermined through analytical, mathematical equations. Because of the inverter highswitching frequency, the transformer losses (copper and core), are calculated with specialattention to detail. For this reason, an in depth examination of the existing literature takesplace that leads to the selection of the appropriate core and copper loss models. The modelsare adequately adjusted to the circuit conditions of the Flyback inverter topology.The system is parameterized along with the losses analysis. All the equations aremanipulated in such a way that simplifies the determination of all the variables and all theconstants of the inverter and the loss dependent parameters. Consequently, special emphasis isgiven to the manipulation of the analytical equations, without affecting the accuracy, in orderto express the losses using the minimum number of independent variables. Therefore, thestudy is complete but the complexity is eliminated and the independent design variables areonly four.The optimization problem is the maximization of the weighted efficiency. The optimaldesign of the Flyback CSI is implemented based on this formulation. As a next step, theobjective (or cost) function, the design variables and constants, the constraints and their rangeneed to be defined. The weighted efficiency is the objective function whereas the input andthe output specifications of the inverter are the design constants. After an extensive literatureresearch, a stochastic optimization method is chosen as the most appropriate to determine thevalues of the four design variables in order to achieve the highest weighted efficiency. A newiterative algorithm, which uses the losses equations, is developed to achieve the optimaldesign of the Flyback CSI for both control strategies.Moreover, the control of the inverter is implemented via a digital microcontroller,eliminating the existing analogue control. This changes the way of controlling the inverter andoffers flexibility and limitless possibilities in implementing and adopting various controlstrategies. Specifically, under the i-BCM control scheme, the need for measuring the currentof the transformer windings is eliminated by using an appropriate algorithm. Themicrocontroller used in this research is dspic30F4011 developed by Microchip. Its goodcomputational capacity and the variety of peripherals enable the automation of some functions such as connection and disconnection from the grid and the integration of the maximumpower point tracking (M.P.P.T.) on the same digital unit.Finally, laboratory prototypes are implemented, based on the optimal parameterscalculated for every case, using the proposed optimization method. The experimentalprocedure confirmed the theoretical approximations. A high precision power analyser wasused. Furthermore, the beneficial effect of the combined use of the two control powertechniques on the power density is also studied.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αναφέρεται σε οικιακά Φ/Β συστήματα συνδεδεμέναστο δίκτυο χαμηλής τάσης, τα οποία αξιοποιούν την τεχνολογία των Φ/Β ΠλαισίωνΕναλλασσομένου Ρεύματος (Φ/Β Πλαίσια Ε.Ρ. – AC-PV Modules). Πρόκειται για Φ/Βδιατάξεις μικρής ισχύος (έως 300W), οι οποίες δημιουργούνται από την ενσωμάτωση ενόςμόνο Φ/Β πλαισίου και ενός μετατροπέα (ενός η πολλών σταδίων) συνεχούς τάσης σεμονοφασική εναλλασσόμενη τάση, σε μια αυτοτελή ηλεκτρονική διάταξη. Για το λόγο αυτόονομάζονται και Φ/Β πλαίσια με ενσωματωμένο μετατροπέα (Module Integrated Converters,MIC). Στα συστήματα αυτά οι απαιτήσεις για επίτευξη υψηλού βαθμού απόδοσης, για τηνκαλύτερη εκμετάλλευση της παρεχόμενης ηλιακής ενέργειας, καθώς και ρεύματοςημιτονοειδούς μορφής στην έξοδο είναι αδιαμφισβήτητες.Βασικός σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η συμβολή της στον τομέα των Φ/Βμονάδων διεσπαρμένης παραγωγής και επικεντρώνεται στην ενδελεχή ανάλυση, στηβελτιστοποίηση της λειτουργικής συμπεριφοράς, στον υπολογισμό των απωλειών σταστοιχεία του μετατροπέα, στην παραμετροποίηση και τελικά στο βέλτιστο σχεδιασμό ενόςαντιστροφέα ρεύματος τύπου Flybcak (Flyback Current Source Inverter – Flyback CSI).Οι κύριοι στόχοι που έπρεπε να εκπληρωθούν για την ολοκλήρωση της παρούσαςδιατριβής ήταν: Η ενδελεχής ανάλυση της λειτουργίας του αντιστροφέα για δύο διαφορετικέςστρατηγικές ελέγχου που εφαρμόζονται σε αυτόν. Ο κατά το δυνατόν ακριβέστερος υπολογισμός των απωλειών στα στοιχεία τουFlyback CSI, καθώς και η παραμετροποίηση των σχέσεων αυτών. Ο βέλτιστος σχεδιασμός του Flyback CSI, ο οποίος βασίζεται στη διατύπωση τηςμεγιστοποίησης του σταθμισμένου βαθμού απόδοσης ως πρόβλημαβελτιστοποίησης. Η υλοποίηση του ελέγχου της λειτουργίας του μετατροπέα μέσω ψηφιακούμικροελεγκτή, καταργώντας τον ήδη υφιστάμενο αναλογικό έλεγχο.Αρχικά η μελέτη επικεντρώνεται σε μία πρώτη τεχνική ελέγχου, η οποία ωθεί τονμετατροπέα να λειτουργεί στην περιοχή της ασυνεχούς αγωγής (Discontinuous Conduction Mode, DCM). Στη συνέχεια προτείνεται μία δεύτερη τεχνική ελέγχου η οποία, αφ' ενός μεναναγκάζει το μετατροπέα να λειτουργεί στο όριο συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής (Boundarybetween Continuous and Discontinuous Conduction Mode, BCM), αφ' ετέρου δε παρέχεικαθαρά ημιτονοειδές ρεύμα στην έξοδο. Με την προτεινόμενη νέα τεχνική ελέγχου, πουονομάσθηκε i-BCM (improved BCM) και αποτελεί βελτίωση της υπάρχουσας στηβιβλιογραφία τεχνικής ελέγχου BCM, βελτιώνεται σημαντικά ο συντελεστής ισχύος στηνέξοδο του αντιστροφέα, παρέχοντας στο δίκτυο καθαρά ημιτονοειδές ρεύμα.Οι δύο διαφορετικές στρατηγικές ελέγχου διαμορφώνουν διαφορετικές κυκλωματικέςσυνθήκες. Για τις δύο περιπτώσεις αναπτύσσονται αναλυτικές εκφράσεις τόσο για τη μέση,όσο και για την ενεργό τιμή των ρευμάτων που διαρρέουν όλα τα στοιχεία του μετατροπέα(ημιαγωγικά στοιχεία, Μ/Σ κλπ). Επιπρόσθετα, εξάγονται κριτήρια για τα ασφαλή όριαλειτουργίας του μετατροπέα με γνώμονα την καταπόνηση των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύοςαπό υψηλές τιμές τάσης και ρεύματος. Ιδιαίτερο βάρος δίνεται στον υπολογισμό τηςδιακύμανσης της τάσης του πυκνωτή του φίλτρου εξόδου, η οποία αναπτύσσεται και πάνωστα ημιαγωγικά στοιχεία του μετατροπέα, επηρεάζοντας την επιλογή τους.Στην συνέχεια, προσδιορίζονται μέσω αναλυτικών μαθηματικών σχέσεων οι απώλειεςαγωγής και οι διακοπτικές απώλειες των ημιαγωγικών στοιχείων και προσεγγίζονται, μειδιαίτερη λεπτομέρεια, οι απώλειες του μετασχηματιστή (τυλιγμάτων και πυρήνα) και για τιςδύο προαναφερθείσες στρατηγικές ελέγχου, δεδομένου ότι η διακοπτική συχνότηταλειτουργίας του μετατροπέα είναι υψηλή. Για το λόγο αυτό απαιτείται εις βάθος μελέτη τηςυπάρχουσας βιβλιογραφίας, επιλογή ή επινόηση των κατάλληλων μοντέλων απωλειών σε έναΜ/Σ (πυρήνα και χαλκού) και προσήκουσα προσαρμογή αυτών στις κυκλωματικές συνθήκεςτου αντιστροφέα Flyback.Παράλληλα με την ανάλυση των απωλειών πραγματοποιείται και η παραμετροποίησητου συστήματος. Η διαδικασία αυτή στηρίζεται στη διαχείριση των εξισώσεων κατά τέτοιοτρόπο ώστε να προσδιορίζονται όλες οι μεταβλητές και οι σταθερές του μετατροπέα, καθώςκαι οι παράμετροι από τις οποίες εξαρτώνται οι απώλειες, με τον απλούστερο δυνατό τρόπο.Συνεπώς, έχει δοθεί ιδιαίτερη έμφαση στην διαχείριση των αναλυτικών σχέσεων ώστε οιαπώλειες, χωρίς έκπτωση στην ακρίβεια, να εξαρτώνται από τον ελάχιστο δυνατό αριθμόπαραμέτρων. Με αυτό τον τρόπο η μελέτη είναι πλήρης αλλά περιορίζεται η πολυπλοκότητα,με αποτέλεσμα να προκύπτουν μόνο τέσσερις ανεξάρτητες σχεδιαστικές μεταβλητές. Στο επόμενο στάδιο, πραγματοποιείται ο βέλτιστος σχεδιασμός του Flyback CSI, οοποίος βασίζεται στη διατύπωση της μεγιστοποίησης του σταθμισμένου βαθμού απόδοσης ωςπρόβλημα βελτιστοποίησης. Αυτό, πρακτικά, σημαίνει τον προσδιορισμό της αντικειμενικήςσυνάρτησης (objective ή cost function), των σχεδιαστικών μεταβλητών και σταθερών, τωνπεριοριστικών συνθηκών και τον ορισμό του πεδίου τιμών αυτών. Ο σταθμισμένος βαθμόςαπόδοσης αποτελεί την αντικειμενική συνάρτηση, ενώ οι προδιαγραφές εισόδου και εξόδουτου μετατροπέα αποτελούν τις σχεδιαστικές σταθερές.. Με τη χρήση μίας στοχαστικήςμεθόδου βελτιστοποίησης, η οποία αναδείχτηκε ως η πιο κατάλληλη έπειτα από εκτεταμένηβιβλιογραφική αναζήτηση, προσδιορίζονται οι τιμές των τεσσάρων σχεδιαστικώνμεταβλητών και επιτυγχάνεται ο μέγιστος δυνατός σταθμισμένος βαθμός απόδοσης. Ηεπίτευξη του στόχου ολοκληρώνεται με την ανάπτυξη ενός νέου επαναληπτικού αλγορίθμου,με τον οποίο, βάσει των εξισώσεων των απωλειών, επιτυγχάνεται ο βέλτιστος σχεδιασμός τουFlyback CSI και για τις δύο διαφορετικές τεχνικές ελέγχου.Επιπροσθέτως, υλοποιείται ο έλεγχος της λειτουργίας του μετατροπέα μέσω ψηφιακούμικροελεγκτή, καταργώντας τον ήδη υφιστάμενο αναλογικό έλεγχο. Η αλλαγή τηςφιλοσοφίας υλοποίησης του ελέγχου προσφέρει μεγαλύτερη ευελιξία και ανεξάντλητεςδυνατότητες στην κατάστρωση και υιοθέτηση διαφορετικών στρατηγικών ελέγχου. Ιδιαίτερα,κατά τη λειτουργία στο όριο μεταξύ συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής (i-BCM), με κατάλληλοπρογραμματισμό του μικροελεγκτή εξαλείφεται η ανάγκη για μέτρηση των ρευμάτων στατυλίγματα του μετασχηματιστή. Ο μικροελεγκτής που χρησιμοποιείται είναι ο dspic30F4011της εταιρείας Microchip ο οποίος διαθέτει μεγάλη υπολογιστική ικανότητα και μία πληθώραπεριφερειακών που επιτρέπουν αυτοματοποίηση κάποιων λειτουργιών, όπως η διαδικασίασύνδεσης και αποσύνδεσης με το δίκτυο και η δυνατότητα ενσωμάτωσης της μονάδαςανίχνευσης του μέγιστου σημείου ισχύος (M.P.P.T) της Φ/Β γεννήτριας στην ίδια ψηφιακήμονάδα.Τέλος, υλοποιήθηκαν εργαστηριακά πρωτότυπα με βάση τις βέλτιστες παραμέτρους πουυπολογίσθηκαν σε κάθε περίπτωση σύμφωνα την προτεινόμενη μέθοδο βελτιστοποίησης καιακολούθησε πειραματική επιβεβαίωση με χρήση ενός αναλυτή ισχύος υψηλής ακρίβειας, γιατην επιβεβαίωση των θεωρητικών προσεγγίσεων. Επιπλέον, μελετήθηκε η ευεργετικήεπίδραση της συνδυαστικής χρήσης των δύο τεχνικών ελέγχου στην πυκνότητα ισχύος.