Βέλτιστος σχεδιασμός μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback για τη σύνδεση φωτοβολταϊκού πλαισίου με το δίκτυο χαμηλής τάσης

Abstract

Contrary to other energy sources, photovoltaic (PV) systems may be installed in residential areas (building integrated photovoltaics), where the main electrical consumption exists. In order to inject the harvested electrical power to the utility grid, a DC/AC power electronics converter (inverter) is needed. This conversion can be done for the sum of the PV panels using a centralized inverter (string inverter), or by using separate and independently operated converters for each PV panel (micro-inverters).The main objective of this PhD dissertation is the thorough investigation and improvement of the behavior and performance of the flyback micro-inverter, in order to achieve maximum weighted efficiency.A new hybrid modulation method is proposed for the flyback micro-inverter, called DBCM, which inherits the merits of both existing methods DCM and i-BCM. Using the hybrid DBCM, the maximum switching frequency of the converter is limited for lower power levels, as well as on the edges of the sinusoidal wave, resulting to an efficiency improvement, especially for low power levels. At the same time, the converter output power quality is improved, compared to i-BCM.For the proposed modulation method, the power losses for each converter component are analyzed, together with the calculation of the rms or average current values. After that, the derived formulas as well as the inverter specifications and constraints are integrated into an optimization algorithm, specifically created for DBCM, which determines the component design values to achieve the maximum weighted efficiency for the given specifications.Furthermore, the application of the hybrid modulation is extended for the use on an interleaved flyback micro-inverter and the methodology to determine the suitable activation intervals is analyzed. Moreover, the timing equations for the interleaved operation are extracted, together with the determination of the rms and average current values, as well as the components power losses as a function of the converter design parameters. With the proposed technique, the weighted efficiency is significantly increased.As a next step, the mandatory control algorithms are implemented in the converter’s microcontroller (MPPT, anti-islanding) and the protection circuits are added, in order for the converter to meet the safety standards and requirements for PV inverters, connected to the utility grid. What is more, the possibility of reactive power injection is investigated for the current topology and the equations that describe the operation as well as the required circuit modifications are analyzed. In addition, an improved control method for the use of an active filter, connected in parallel to the PV panel output, is presented, which improves the system reliability and performance. This filter replaces the electrolytic capacitor, which was necessary to reduce the PV output current ripple, but had a severe impact on the converter reliability.The mathematical analysis presented in this dissertation is validated using simulation results, as well as experimentally, through developed laboratory prototypes, in order to quantify the performance improvements using the proposed methods.

Σε αντίθεση με τις συνήθεις μορφές παραγωγής ενέργειας, φωτοβολταϊκά (Φ/Β) συστήματα δύναται να εγκατασταθούν εντός κατοικημένων περιοχών (κτηριακά Φ/Β συστήματα), όπου βρίσκεται και το μεγαλύτερο ποσοστό της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας. Για τη παροχή της ενέργειας των Φ/Β πλαισίων στο δίκτυο, απαιτείται η χρήση ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος (αντιστροφέα), ώστε η τάση εξόδου του πλαισίου να μετατραπεί σε εναλλασσόμενη. Η συγκεκριμένη μετατροπή μπορεί να γίνει είτε με τη χρήση ενός αντιστροφέα για το σύνολο των Φ/Β πλαισίων (αντιστροφέας αλυσίδας), είτε χρησιμοποιώντας ένα ξεχωριστό και αυτόνομο μετατροπέα για κάθε Φ/Β πλαίσιο (μικρο‑αντιστροφέας). Βασικός σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η ενδελεχής διερεύνηση και βελτίωση της λειτουργικής συμπεριφοράς του μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback, με στόχο την επίτευξη του υψηλότερου δυνατού σταθμισμένου βαθμού απόδοσης.Προτείνεται μία νέα υβριδική μέθοδος παλμοδότησης του μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback, η DBCM, η οποία συνδυάζει τα πλεονεκτήματα των ήδη υπαρχουσών μεθόδων DCM και i‑BCM. Μέσω της συγκεκριμένης μεθόδου περιορίζεται η μέγιστη διακοπτική συχνότητα λειτουργίας του αντιστροφέα, με αποτέλεσμα τη βελτίωση του βαθμού απόδοσης, ειδικά για χαμηλά επίπεδα ισχύος. Παράλληλα, βελτιώνεται και η ποιότητα ισχύος εξόδου του μετατροπέα, σε σχέση με την i-BCM.Για τη συγκεκριμένη μέθοδο παλμοδότησης διατυπώνονται αναλυτικές εξισώσεις για όλα τα μεγέθη που διέπουν τη λειτουργία του μετατροπέα. Μέσω αυτού του υπολογισμού περιγράφονται οι απώλειες που εμφανίζονται στα επί μέρους στοιχεία του αντιστροφέα, ώστε να εφαρμοστεί ένας αλγόριθμος βέλτιστης επιλογής των λειτουργικών και κατασκευαστικών παραμέτρων του μετατροπέα, με σκοπό την επίτευξη του μέγιστου δυνατού σταθμισμένου βαθμού απόδοσης για τις εκάστοτε προδιαγραφές.Στη συνέχεια, αναλύεται η εφαρμογή της υβριδικής μεθόδου σε μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback πολλαπλών κλάδων και προτείνεται μία μεθοδολογία βέλτιστης ενεργοποίησης ενός εκάστου. Εξάγονται οι σχέσεις που περιγράφουν την ορθή λειτουργία του μετατροπέα για αυτή την περίπτωση, καθώς και τις απώλειες που εμφανίζονται στα στοιχεία, με σκοπό ο αλγόριθμος βελτιστοποίησης να επεκταθεί και για έναν τέτοιου τύπου μετατροπέα, ώστε να αυξηθεί σημαντικά ο σταθμισμένος βαθμός απόδοσής του.Σε επόμενο βήμα, διερευνάται η εφαρμογή μεθόδων ελέγχου και πρόσθετων κυκλωμάτων ώστε ο μικρο-αντιστροφέας να ανταποκρίνεται στις σύγχρονες προδιαγραφές και απαιτήσεις για τους αντιστροφείς με εφαρμογή σε Φ/Β συστήματα συνδεδεμένα με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Πιο συγκεκριμένα, εξετάζεται η δυνατότητα παροχής άεργου ισχύος από ένα μικρο‑αντιστροφέα τύπου Flyback, οι μαθηματικές σχέσεις που περιγράφουν τον τρόπο παλμοδότησής του, καθώς και οι κυκλωματικές τροποποιήσεις που απαιτούνται για την ορθή λειτουργία του. Επιπρόσθετα, προτείνεται και αναλύεται ένας βελτιωμένος τρόπος ελέγχου για ενεργό φίλτρο που συνδέεται παράλληλα στην έξοδο του Φ/Β πλαισίου και είσοδο του μικρο‑αντιστροφέα. Με το ενεργό φίλτρο αντικαθίσταται ο ηλεκτρολυτικός πυκνωτής που ήταν απαραίτητος για τη μείωση της κυμάτωσης του ρεύματος εξόδου του Φ/Β πλαισίου αλλά λόγω των περιορισμών στο χρόνο ζωής του επιβάρυνε την αξιοπιστία της όλης διάταξης.Τα συμπεράσματα και τα θεωρητικά αποτελέσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής επιβεβαιώνονται μέσω προσομοίωσης καθώς και μέσω πειραματικών αποτελεσμάτων εργαστηριακών πρωτοτύπων τα οποία κατασκευάστηκαν για το σκοπό αυτό.