Tesis:
Highly Efficient, Full ZVS, Hybrid, Multi-Level DC/DC Topology for Two-Stage Grid-Connected 1500-V Solar String Inverter
- Autor: STEVANOVIC, Branislav
- Título: Highly Efficient, Full ZVS, Hybrid, Multi-Level DC/DC Topology for Two-Stage Grid-Connected 1500-V Solar String Inverter
- Fecha: 2021
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: AUTOMATICA, INGENIERIA ELECTRONICA E INFORMATICA INDUSTRIAL
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/69294/
- Director/a 1º: ALOU CERVERA, Pedro
- Director/a 2º: VASIC, Miroslav
- Resumen: La energía solar ha experimentado un crecimiento exponencial en la contribución en el consumo total de energía global en los últimos 10 años. Las razones principales de esta mejora son el desarrollo rápido tecnológico de los materiales fotovoltaicos y los materiales usados en electrónica de potencia, y el progreso rápido en las técnicas de procesamiento de energía. En los últimos 10 años, la eficiencia de los módulos fotovoltaicos de silicio basados en obleas comerciales promedio aumentó de aproximadamente un 12% a un 17% (super-mono 21%). Además, el precio ha bajado más de 5 veces durante el mismo período. Esto ha llevado tanto a una disminución en el precio total del sistema fotovoltaico como a una disminución en la participación del precio total del sistema relacionado con el módulo fotovoltaico. En 2015, el precio de estos módulos representó el 19,26% de los costes totales del sistema fotovoltaico. El resto estuvo relacionado con los precios instalados de no módulos: costos de hardware, como inversores y equipos de estanterías; y la amplia variedad de costos indirectos, incluidos aspectos como marketing y adquisición de clientes, diseño de sistemas, mano de obra de instalación, costos de permisos e inspección y márgenes de instalación. Según esto, el cuello de botella para la disminución adicional en el costo y la eficiencia del sistema fotovoltaico y, por lo tanto, para el aumento adicional de la instalación fotovoltaica global y la disminución del precio de la electricidad proporcionada a partir de energía fotovoltaica está relacionado con la unidad de acondicionamiento de energía, la parte del sistema entre la cadena/matriz fotovoltaica y la carga. El objetivo principal de esta disertación es investigar las contribuciones de la aplicación combinada de las tecnologías en desarollo (dispositivos de banda amplia de 650V y 900V y topologías de procesamiento de energía parcial de varios niveles) en los emergentes sistemas fotovoltaicos de 1500V conectados a la red eléctrica. El foco principal se coloca en una etapa CC/CC de un inversor solar trifásico conectado a la red eléctrica sin transformador para uso en aplicaciones comerciales/residenciales que está diseñado para funcionar en un rango de potencia de 10 kW- 30 kW. Para justificar el uso de una etapa CC/CC en un sistema fotovoltaico conectado a la red eléctrica, se realiza un análisis muy detallado a nivel del sistema. Tras una exhaustiva revisión de la literatura actual, se observa una escasez de información en la comparación de sistemas fotovoltaicos de 1000V y 1500 V. Debido a esto, la investigación de diferentes arquitecturas de un inversor de cadena solar conectado a la red eléctrica conocidas por la literatura y el mercado comercial se comparan en términos de la energía recolectada durante el año. La comparación se basa en las mediciones reales de las condiciones ambientales en la ubicación de la muestra, modelos detallados de los paneles fotovoltaicos disponibles comercialmente y modelos de pérdidas muy precisos en los dispositivos semiconductores y elementos pasivos del circuito. El análisis se realiza para diferentes conexiones de red eléctrica de CA (400 V, 480 V, 600V y 800 V) en combinación con sistemas fotovoltaicos de 1000V y 1500 V. Además, también se investiga el impacto de una etapa CC/CC en la compacidad de la parte del inversor. El filtro de salida de la etapa CC/CA está diseñado para cumplir con los requisitos diversos de los sistemas conectados a la red eléctrica y está totalmente optimizado para el caso en el que el bus de CC está muy bien controlado al valor operativo mínimo y cuando varía en todo el rango operativo. Los resultados de estos dos casos se comparan en términos de pérdidas y volumen. Siguiendo el análisis y las conclusiones a nivel del sistema, se propone una topología híbrida CC/CC de procesamiento parcial de potencia, multinivel, como candidata para su uso en un inversor solar de cadena de 1500V conectado a la red eléctrica. El principio de funcionamiento y las diferentes variaciones de esta topología se discuten en detalle y se abordan los principales aspectos de diseño que influyen en la eficiencia y la compacidad. Se lleva a cabo una optimización multivariable completa y los resultados se comparan con las topologías de última generación optimizadas para las mismas condiciones de funcionamiento. Finalmente, todo el análisis teórico realizado en esta tesis está confirmado por las simulaciones detalladas en el paquete PSIM y un conjunto completo de medidas de varios prototipos en el rango de potencia de 7 kW a 10 kW. ----------ABSTRACT---------- Solar energy has experienced an exponential growth in the contribution in the total global energy consumption in the last 10 years. The main reasons for this improvement are the fast technological development of both, photovoltaic and power electronics materials, and rapid progress in power processing techniques. In the last 10 years, the efficiency of average commercial wafer-based silicon photovoltaic modules increased from about 12% to 17% (super-mono 21%). Additionally, the price has dropped more than 5 times for the same period. This has led to both, decrease in the total photovoltaic system price and to decrease in the share of the total system price related to photovoltaic module. In 2015 module price represented 19.26% of total photovoltaic system costs. The rest was related to the installed non-module prices: hardware costs, such as inverters and racking equipment; and the wide assortment of soft costs, including such things as marketing and customer acquisition, system design, installation labor, permitting and inspection costs, and installer margins. According to this, the bottleneck for the further decrease in photovoltaic system cost and efficiency and, thus, for the further increase in the global photovoltaic installation and decrease in the price of the electricity provided from photovoltaic is related to the power conditioning unit, the part of the system between photovoltaic string/array and the load. The main goal of this dissertation is to investigate the contributions of the combined application of the growing technologies (650-V and 900-V wide bandgap devices and multi-level, partial power processing topologies) into the emerging 1500-V grid-connected photovoltaic systems. The main focus is placed on a dc/dc stage of a transformerless, string/multi-string, three-phase-grid-connected solar inverter for use in commercial/residential applications that is designed for operation in power range of 10 kW- 30 kW. In order to justify the use of a dc/dc stage in a grid-connected photovoltaic system, a very detailed analysis on the system level is conducted. The void in the comprehensively reviewed literature on the comparison of 1000-V and 1500-V photovoltaic systems is detected related to the subject of energy harvesting. Due to this, the investigation of different architectures of a grid-connected solar string inverter known from the literature and commercial market are compared in terms of the energy harvested during the year. The comparison is based on the real measurements of the environmental conditions in the sample location, detailed models of the commercially available photovoltaic panels and very precise loss models in the semiconductor devices and passive circuit elements. The analysis is conducted for different ac grid connections (400-V, 480-V, 600-V and 800-V) in combination with 1000-V and 1500-V PV systems. Additionally, the impact of a dc/dc stage on the compactness of the inverter part is also investigated. Output filter of the dc/ac stage is designed to comply with the several requirements for grid-connected systems and fully optimized for the case when dc bus is very well controlled to the minimum operating value and when it varies in the full operating range. Results for these two cases are compared in terms of losses and volume. Following the analysis and conclusions on the system level, hybrid, multi-level, partial power processing dc/dc topology is proposed as a candidate to be used in a 1500-V grid-connected solar string inverter. Operating principle and different variations of this topology are discussed in details and main design aspects that influence the efficiency and compactness are addressed. Full multivariable optimization is conducted and results are compared with the state-of-the-art topologies optimized for the same operating conditions. Finally, all the theoretical analysis conducted in this thesis is confirmed by the detailed simulations in PSIM package and comprehensive set of measurements of the several prototypes in the power range 7 kW- 10 kW. ----------Сажетак---------- Соларна енергија је у последњих 10 година доживела експоненцијални раст у погледу доприноса у укупној глобалној потрошњи енергије. Главни разлози за ово побољшање су брзи технолошки развој, и фотонапонских и материјала енергетске електронике, те брз напредак у техникама процесирања енергије. У последњих 10 година просечна ефикасност комерцијалних соларних силицијумских модула повећала се са око 12% на 17% (супер-моно 21%). Осим тога, цена истих је пала више од 5 пута у истом периоду. То је довело до оба, смањења укупне цене фотонапонских система и смањења удела у укупној цени система која се односи на фотонапонски модул. Цена модула у 2015. представљала је 19,26% укупних трошкова фотонапонских система. Остатак се односио на цене инсталирања које нису директно повезане са модулима: трошкови хардвера, попут претварача и ормара; и широк асортиман осталих трошкова, укључујући ствари попут маркетинга и аквизиције купаца, пројектовање система, рад на инсталацији, трошкове издавања дозвола и прегледа, те марже за инсталатере. Према томе, уско грло за даље смањење цене и ефикасности фотонапонског система, те стога и за даље повећање глобалне фотонапонске инсталације и смањење цене електричне енергије добијене из фотонапонских панела директно је повезано с јединицом за процесирање енергије, делом система између фотонапонског низа и потрошача. Главни циљ ове дисертације је истражити допринос комбиноване примене растућих технологија (уређаји широког енергетског процепа 650-V и 900-V и вишестепене топологије са парцијалним процесирањем енергије) у растућим 1500- V системима. Главни фокус стављен је на а!с/а!с етапу соларног претварача без изолације и трофазног мрежног прикључка за примену у комерцијалним/стамбеним апликацијама који је дизајниран за рад у распону снаге од 10 кЛ^ - 30 кЛ^. Како би се оправдала употреба а!с/а!с етапе у фотонапонском систему повезаном на мрежу, спроведена је врло детаљна анализа на нивоу система. Откривена је празнина у опсежно прегледаној литератури о поређењу фотонапонских система од 1000 V и 1500 V која се односи на тему прикупљања енергије. Због тога се пореде резултати анализа различитих архитектура соларног претварача повезаног на електричну мрежу познатих у литератури и на комерцијалном тржишту у смислу енергије прикупљене током године. Поређење се темељи на стварним мерењима амбијенталних услова на насумично изабраној локацији, детаљним моделима комерцијално доступних фотонапонских панела и врло прецизним моделима губитака у полупроводничким компонентама и пасивним елементима кола. Анализа се спроводи за различите прикључке наизменичне мреже (400-У, 480-У, 600-V и 800- V) у комбинацији с 1000-V и 1500-V соларним системима. Додатно се истражује и утицај а!с/а!с етапе на компактност дела инвертора. Излазни филтар с!с/ас етапе дизајниран је тако да задовољава неколико захтева за системе повезане на мрежу и потпуно је оптимизован за случајеве када је напон на улазу у инвертор врло добро контролисан на минималну радну вредност и када варира у пуном радном опсегу. Резултати за ова два случаја пореде се у смислу губитака и компактности. Након анализе и закључака на нивоу система, предложена је хибридна, вишестепена с!с/с!с топологија са парцијалним процесирањем снаге која ће се користити у 1500-V соларном претварачу прикљученом на мрежу. Принцип рада и различите варијације ове топологије детаљно се анализирају и разматрају се главни аспекти дизајна који утичу на ефикасност и компактност. Спроведена је потпуна мултиваријабилна оптимизација и резултати се пореде с најсавременијим топологијама оптимизованим за исте радне услове. Коначно, сва теоријска анализа представљена у овој дисертацији потврђена је детаљним симулацијама у Р81М пакету и опсежним скупом мерења неколико прототипова у распону снаге од 7к\\^- 10к\\^.