Βέλτιστος σχεδιασμός υψίσυχνου μονοφασικού αντιστροφέα για τη διασύνδεση φωτοβολταϊκών συστημάτων μικρής ισχύος με το δίκτυο χαμηλής τάσης

Abstract

The scope of the present work is to contribute in the sector of the Dispersed Power Generation PV systems with the development of an inverter that will be used for the interconnection of small PV generators with the electric network of urban regions. In more details the development of an inverter with electrical isolation is investigated which on the one hand it will ensure high power factor regulation and high efficiency for wide power range and on the other hand it will be characterised by simple power electronic circuit structure in order to ensure high reliability. Moreover, particular characteristics of this inverter should be the small volume and the small weight attributes very important considering its applications (incorporation in PV generators that will be placed in aspects or roofs of buildings). The interest of present work is focused in the high frequency current source Flyback inverter. For this topology two different control techniques were investigated leading to different operation modes. Moreover, their suitability is studied for different power levels. For both control techniques mathematic models were developed connecting the transferred power in the public grid with the inverter operational parameters as well as criteria for the inverter safe operation area were exported considering the acceptable peak voltage and current values for the semiconductor switches. Moreover, the combined application of two control techniques is proposed and an optimum inverter design strategy is presented aiming to the development of an inverter with the smallest possible volume as well as to the achievement of high power factor regulation and high efficiency for wide power range Last but not least a current pulsation smoothing active filter is investigated and developed which permits the elimination of the low frequency inverter input current. The current pulsation is a result of the power pulsation due to the single phase power generation and its elimination is of great importance in order to exploit the maximum PV generated electricity power. The active filter configuration is independent from the inverter topology and its operation mode and hence it can be applied for various single stage topologies. The precision of the mathematic models the correctness of the proposed design strategy and the effectiveness of the proposed active filter are validated via simulation and experimental results. Finally, the conclusions of whole study are exhibited.

Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η συμβολή της στον τομέα των φωτοβολταϊκών μονάδων διεσπαρμένης παράγωγης με την αναζήτηση μιας διάταξης διασύνδεσης Φ/Β γεννητριών μικρής ισχύος με το ηλεκτρικό δίκτυο των αστικών περιοχών. Συγκεκριμένα διερευνάται η δυνατότητα ανάπτυξης μιας ηλεκτρονικής διάταξης με απομόνωση η οποία αφ’ ενός μεν θα εξασφαλίζει υψηλό συντελεστή ισχύος και υψηλό βαθμό απόδοσης για ευρύ φάσμα λειτουργίας αφ’ ετέρου δε θα διέπεται από μικρό βαθμό πολυπλοκότητας στο κύκλωμα ισχύος της προκείμενου να εξασφαλίζεται υψηλή αξιοπιστία. Το ενδιαφέρον της εργασίας εστιάσθηκε στον υψίσυχνο αντιστροφέα ρεύματος τοπολογίας Flyback. Για τη διάταξη αυτή διερευνήθηκαν δύο διαφορετικές τεχνικές ελέγχου (οι οποίες οδηγούν σε διαφορετικές καταστάσεις λειτουργίας) και ελέγχθηκε η καταλληλότητά τους για διαφορετικά επίπεδα ισχύος. Για τις δυο αυτές τεχνικές ελέγχου αναπτύχθηκαν μαθηματικά μοντέλα που συνδέουν τη μεταφερομένη στο δίκτυο ισχύ με τις κατασκευαστικές παραμέτρους του αντιστροφέα και εξήχθησαν κριτήρια για τα ασφαλή όρια λειτουργίας του αντιστροφέα με γνώμονα την καταπόνηση των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος. Επιπλέον, προτάθηκε η συνδυασμένη εφαρμογή των δύο τεχνικών ελέγχου και παρουσιάστηκε μια στρατηγική σχεδιασμού του αντιστροφέα ώστε να γίνεται βέλτιστη επιλογή όλων των επιμέρους λειτουργικών του στοιχείων με ταυτόχρονη ελαχιστοποίηση του όγκου του, επίτευξη υψηλού συντελεστή ισχύος καθώς και υψηλού βαθμού απόδοσης για ευρύ φάσμα της παραγόμενης ισχύος. Τέλος, διερευνήθηκε η δυνατότητα ανάπτυξης ενός ενεργού φίλτρου για την αποτελεσματική εξομάλυνση της έντονης κυμάτωσης του ρεύματος εισόδου του προτεινομένου αντιστροφέα. Η κυμάτωση αυτή είναι αποτέλεσμα της τροφοδότησης του μονοφασικού ηλεκτρικού δικτύου Ε.Ρ. από τη συνεχή τάση και το συνεχές ρεύμα που παράγουν οι φωτογεννήτριες και ο περιορισμός της είναι ιδιάζουσας σημασίας προκείμενου να καταστεί δυνατή η αποδοτική λειτουργία της όλης διάταξης. Η λειτουργία του προτεινομένου ενεργού φίλτρου είναι ανεξάρτητη τόσο των καταστάσεων λειτουργίας του αντιστροφέα τύπου Flyback όσο και γενικότερα της τοπολογίας του αντιστροφέα καθιστώντας την έτσι ως μια ελκυστική λύση και για διαφορετικές τοπολογίες μετατροπέων. Η ακρίβεια των μαθηματικών μοντέλων, η ορθότητα της προτεινομένης στρατηγικής σχεδιασμού και η αποτελεσματικότητα του προτεινομένου ενεργού φίλτρου επιβεβαιώθηκαν μέσω προσομοίωσης και πειραματικών δοκιμών ενώ τέλος παρατίθενται τα συμπεράσματα από το σύνολο της εργασίας.