Analytical and detailed evaluation of power and energy losses in PV plants aiming at their integration in future ancillary services markets

Abstract

In this doctoral Thesis analytical expressions are derived for the power and energy losses in the electrical parts of Photovoltaic Power Plants (PVPPs) - fixed-mounted and two-axis tracking. The main objective is the utilization of these expressions, in order to maximize the profit of the PV owners at distribution system level. Currently, the policy framework requires the PVPPs to operate at Maximum Power Point (MPP) and at unity Power Factor (PF), in order to harvest the highest possible amount of PV power. Initially, in this Thesis, analytical expressions are developed for the power losses in the PV converters, the DC and AC cables and the distribution transformer (whenever present), as well as for the annual Power Duration Curves (PDCs) of the PVPPs. Based on them, as well as on the PV converter efficiency curve and the transformer energetic class, the annual energy losses in the aforementioned parts of the PVPP are analytically derived targeting to estimate the optimum PV inverter size, the optimum transformer size and the optimal selection of cables within the PV installation. The analytical expressions are validated via field measurements. The optimum design is performed for both fixed-mounted and two-axis tracking PVPPs aiming at the minimization of the electrical losses within the PVPP, thus, maximization of the PV owner profit. Although for the fixed-mounted PVPPs many studies exist in the technical literature, two-axis tracking PVPPs have been mainly studied with respect to their performance and not their proper design. Both methodologies can be implemented in simple spreadsheets by the design engineer without the need of specialized optimization tools or time-consuming calculations. Due to several problems caused by the increased penetration of Distributed Renewable Energy Sources, recent Grid Codes require the PVPPs to shift their operational mode away from the MPP or to provide reactive power. These functions deteriorate the performance of the PVPPs. This fact has been studied in a very limited extent in the technical literature. Towards this direction, in this Thesis a new analytical tool is developed for the estimation of PV converter losses when the PV converter provides reactive power. This tool is based on the limited data of the PV converter datasheets, the technical constraints, and basic operating principles of power electronics. The novelty lies on the separation of the losses between the losses in the DC/DC converter and the losses in the inverter, which compose the PV converter. The tool is validated via simulations and field measurements. In the near future it is expected that the PV owners will be remunerated for these new AS provided by their PVPPs. In this Thesis it is shown via detailed working examples how the proposed power losses models can be used for the estimation of the operational losses and costs in future AS markets.

Η παρούσα διατριβή έχει ως αντικείμενο την ανάπτυξη προσεγγιστικών αναλυτικών μαθηματικών εκφράσεων που αφορούν τις επιμέρους απώλειες ισχύος και ενέργειας σε Φωτοβολταϊκά (ΦΒ) συστήματα (ΦΒΣ) σταθερών πλαισίων και ΦΒΣ κινούμενα σε δύο άξονες. Ο βασικός στόχος είναι η αξιοποίηση αυτών των εκφράσεων για την αύξηση του κέρδους των ΦΒ παραγωγών (ιδιοκτήτες ΦΒΣ). Σήμερα, το νομοθετικό πλαίσιο προδιαγράφει τη λειτουργία των ΦΒΣ σε Σημείο Μέγιστης Ισχύος και σε συντελεστή ισχύος ίσο με τη μονάδα, ούτως ώστε να γίνεται πλήρης εκμετάλλευση της ενέργειας που παράγεται από τον ήλιο. Αρχικά, σε αυτή τη διατριβή, αναπτύσσονται αναλυτικές εκφράσεις για τις απώλειες ισχύος στους ΦΒ μετατροπείς, στα DC και AC καλώδια, και στους μετασχηματιστές (ΜΣ) διανομής, καθώς και για την καμπύλη διάρκειας ισχύος των ΦΒΣ. Έπειτα, λαμβάνοντας υπόψη αυτές τις εκφράσεις και εκφράσεις σχετικές με την απόδοση του ΦΒ μετατροπέα και την ενεργειακή κλάση των ΜΣ, οι ετήσιες ενεργειακές απώλειες στα επιμέρους μέρη των ΦΒΣ εκτιμώνται αναλυτικά με στόχο την ανάπτυξη μεθοδολογιών για τη βέλτιστη διαστασιολόγηση – από την άποψη της ενεργειακής απόδοσης- των ΦΒ μετατροπέων, των ΜΣ και των καλωδίων για ΦΒΣ σταθερών πλαισίων και ΦΒΣ κινούμενα σε δύο άξονες. Οι εκφράσεις αυτές επικυρώνονται με μετρήσεις σε ΦΒΣ στην Κεντρική και Νότια Ελλάδα. Ο βέλτιστος σχεδιασμός έχει ως στόχο την ελαχιστοποίηση των ηλεκτρικών απωλειών του ΦΒΣ, και ως εκ τούτου, την μεγιστοποίηση της ΦΒ παραγωγής και του κέρδους των ΦΒ παραγωγών. Στην τεχνική βιβλιογραφία υπάρχουν αρκετές εργασίες για το βέλτιστο σχεδιασμό ΦΒΣ σταθερών πλαισίων, όμως για τα κινούμενα ΦΒΣ η διεθνής βιβλιογραφία έχει επικεντρωθεί στη λειτουργία τους και το επιπρόσθετο κόστος τους, και όχι στο ενεργειακά βέλτιστο σχεδιασμό τους. Οι αναλυτικές εκφράσεις μπορούν να αποτελέσουν ένα χρήσιμο εργαλείο, για τους μηχανικούς που σχεδιάζουν ΦΒΣ, για να συγκρίνουν ενεργειακά διαφορετικούς ΦΒ μετατροπείς, καλώδια και ΜΣ χωρίς να χρειάζεται να καταφεύγουν σε πολλαπλές προσομοιώσεις εκτενείς υπολογισμούς (όπως μέχρι σήμερα γίνεται), ή πολύπλοκα εργαλεία μαθηματικής βελτιστοποίησης που προτείνονται από τη διεθνή βιβλιογραφία.Η διείσδυση των ΦΒΣ στα ηλεκτρικά δίκτυα Διανομής προκαλεί προβλήματα ποιότητας ισχύος, όπως η ανύψωση της τάσης, τα οποία περιορίζουν τον βαθμό διείσδυσής τους. Για αυτό το λόγο, πρόσφατα Πρότυπα και Κώδικες Ηλεκτρικών Δικτύων παγκόσμια, προδιαγράφουν αλλαγές στην «παραδοσιακή» λειτουργία των ΦΒΣ, και προτείνουν είτε να εγχέουν λιγότερη ενεργό ισχύ ή/και την παροχή άεργης ισχύος. Αυτές οι νέες λειτουργίες όμως προκαλούν μείωση της ενεργειακής απόδοσης των ΦΒΣ. Αυτό το θέμα δεν έχει μελετηθεί σε βάθος στην τεχνική βιβλιογραφία. Για αυτό το λόγο, στην παρούσα διατριβή, αναπτύσσεται μια νέα μεθοδολογία βασισμένη σε αναλυτικές εκφράσεις για την εκτίμηση των απωλειών ισχύος όταν ο ΦΒ μετατροπέας παρέχει άεργο ισχύ. Η μεθοδολογία αυτή βασίζεται στα περιορισμένα τεχνικά χαρακτηριστικά που δίνονται στα φυλλάδια των κατασκευαστών, και σε βασικούς κανόνες και τεχνικούς περιορισμούς των ηλεκτρονικών ισχύος. Αυτή η μεθοδολογία επικυρώθηκε μέσω προσομοιώσεων και με πραγματικές μετρήσεις σε ΦΒΣ. Η καινοτομία της μεθόδου αυτής εστιάζει στο διαχωρισμό των απωλειών σε απώλειες μέσα στον αντιστροφέα και στις απώλειες μέσα στο μετατροπέα ανύψωσης. Στο εγγύς μέλλον προβλέπεται ότι θα αναπτυχθούν αντίστοιχες αγορές για τις νέες αυτές λειτουργίες των ΦΒΣ, καθώς αυτές θα λογαριάζονται σαν επικουρικές υπηρεσίες που παρέχονται από τα ΦΒΣ στο ηλεκτρικό δίκτυο διανομής. Οι ΦΒ παραγωγοί θα αποζημιώνονται για αυτές τις υπηρεσίες, αυξάνοντας με αυτό τον τρόπο το εισόδημα τους, σε αντίθεση με σήμερα. Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζεται με παραδείγματα πως οι αναλυτικές εκφράσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εκτίμηση των απωλειών κατά την παροχή των νέων επικουρικών υπηρεσιών και τα επιμέρους λειτουργικά κόστη που θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη στις μελλοντικές αγορές ηλεκτρικής ενέργειας.