Μοντελοποίηση και έλεγχος φωτοβολταϊκών συστημάτων σε συνθήκες σκίασης

Abstract

This dissertation contributes to the modeling and control of photovoltaic (PV) systems under uniform illumination and partial shading conditions. Analytical models and equations are introduced that are accurate and easy to use, while new control techniques for the converter of the system are proposed that guarantee optimal operation under partial shading and provide active power reserves capability.A complete model for a PV system operating under uniform illumination is presented, based on the single-diode PV model. The current-voltage relation is explicitly formulated using the newly introduced Lambert W function, while expressions to extract the five model parameters in a straightforward manner are derived. Furthermore, simple equations to determine the voltage and current at the short circuit, open circuit and maximum power point are proposed, which are explicit functions of either the five parameters or the irradiance and temperature.The electrical response of a PV system operating under partial shading conditions is thoroughly investigated. For this reason, an analytical model is constructed and used to simulate several shading scenarios, in order to investigate the way that the I-V and P-V characteristics are modified. This analysis leads to characterization of the local maximum power points (MPPs) presented and derivation of simple mathematical formulae to determine their voltage and current. These expressions permit calculation of the energy yield at partial shading conditions in a direct and easy way, avoiding laborious simulations. All proposed models and equations are experimentally validated in actual PV systems.Thereafter, the results of the theoretical investigation are used to develop efficient control algorithms for the converter of a PV system at partial shading conditions. A simple and generally applicable shading detection technique is proposed, while two maximum power point algorithms (MPPT) are introduced that guarantee optimal operation under partial shading.Finally, the possibilities for a PV system to maintain active power reserves are investigated, in order to provide auxiliary services to the electric grid. A new control strategy is developed that permits operation at the entire power range from 0% to 100% of the maximum available power, employing a single power PI controller and continuously estimating the MPP in real time. The proposed control scheme is experimentally evaluated in a 2 kW prototype.

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.