Συμβολή στο σχεδιασμό ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος για διασυνδεδεμένα με το δίκτυο χαμηλής τάσης φωτοβολταϊκά συστήματα

Abstract

The present Ph.D thesis deals with distributed, building-integrated, 1–20kW Photovoltaic (PV) Systems that are connected to the low voltage distribution network. More specifically, the focus of this research lies on the investigation of control methodology and inverter behavior, through which PV arrays are connected to the low voltage distribution network, following the emergence of fault in one of the connection points between the PV systems and the network. The main purpose of this thesis is to contribute to the field of dispersed PV Systems’ development by aiming at the achievement of building-integrated PV systems’ high level penetration to the low voltage distribution network. Such an achievement is integrally connected to the appropriate design and control of PV inverters, so that, in case of a disturbance, they may respond in a supplementary fashion, consonant to the demands of the latest grid codes. The successful completion of this research was dependent on the accomplishment of the following stages and goals:Bibliographical research pertaining to the latest grid codes, in particular with reference to Fault Ride Through Capability (FRTC) of dispersed generation units in case of network fault.Investigation of the dispersed, connected to a low voltage distribution network, PV Systems’ conduct in case of permanent fault, following the implementation of a control methodology that will result in the systems’ functioning as conventional synchronous generators; furthermore, the systems’ design parameters’ impact is a seminal factor that also needs to be taken into consideration. Exploration of the capability of achieving a high level penetration of PV low voltage units into a radial distribution network, through their optimized design.Formulation of a control methodology referring to low voltage distribution network PV systems that will enable the unobstructed operation of the system when at steady state, while at the same time contributing to the FRTC demand when in faulty state. In accordance with the goals and research procedures outlined above, this dissertation first presents a bibliographical review of the heretofore implemented rules and regulations related to dispersed units, predominantly grid-connected low voltage PV Systems, in case of network fault. Next, this review looks into network codes that have been developed in the past decade, which introduce the demand for Fault Ride Through Capability (FRTC) into high power, distributed generation units, while, finally, delineating the most recent developments pertaining to the newly-introduced codes applied by certain energy markets on low voltage network, particularly those related to PV systems. Secondly, while considering the implementation of the latest grid codes into low voltage PV systems, as well as conventional generators’ response to higher voltage levels with reference to meeting the FRTC demand, this dissertation investigates low voltage PV systems’ behavior when controlled in such a way that their operational response during disturbances simulates that of a conventional generator. To this end, the investigation parameters used consist in the penetration level, dispersion, as well as the impedance of inductance that is included in the dispersed PV generators’ converter.This investigation stems from the formulation of analytical calculation equations of bus voltages and PVs converter current, when these are faced with permanent three-phase short circuits faults, in any one of the bus bars composing a radial distribution network. For the needs of this research, PV units are regarded as models of voltage sources in series with the impedance included in the converter through which they are connected to the network. The second step of this investigation pertains to the exploration of the parameters’ impact on the above-mentioned electric quantities and to the deduction of important conclusions related to the selection of these parameters, as well as the possibility of achieving the FRTC demand.Having established the aforementioned criteria and goals, and with a view to exploring the possibility of achieving a high level penetration of PV low voltage units into a radial distribution network, this research proceeds to suggest an optimized PV unit design, whose parameters consist in converter-included impedance value, as well as penetration levels. In this way, is ensured that, should permanent fault in any of the bus bars comprising a distribution network occurs, the PV unit points of common coupling will be functioning at the highest possible voltage. Thus, in consonance with FRTC demand, the duration of the PV unit’s connection to the network will be extended to its greatest possible length. In addition, taking the optimization results, as well as the restrictions imposed with reference to PV inverter contribution in case of fault, into consideration, this research delineates the appropriate converter design, so that the demands raised by the new grid codes are met. Founded on extensive bibliographical research, the next stage of this work consists in the design, modelling and analysis of a control methodology that may apply to a complete PV system, consisting of a 6kWp PV array and inverter, connected to a low voltage distribution network, and supplying a load. This stage commences with a description and simulation of the PV system synchronization and control process in normal operating conditions, followed by the determination of the system’s proper functioning in both stable and changing environmental conditions. In conjunction with the conclusions drawn during the investigation of PV systems’ performance as conventional synchronous generators in case of fault, this thesis promotes a significant improvement of the initial control process, in order for the PV system to respond appropriately in transient situations that result from fault in the points of common coupling. The differentiated control method in question ensures the PV system’s equable operation—within the inherent restrictions imposed by PV arrays and converter behavior—while simultaneously satisfying the FRTC demand, particularly in relation to reactive power injection at the coupling point in case of fault. Furthermore, this study extends to the system’s transient response in various cases of fault and diverse impedance values, as well as during the reinstatement of the initial operating levels. In addition, an account of the conclusions drawn is provided with a view to clearly highlighting the suggested method’s advantages in comparison to other such processes presented in related literature. Considering diverse values of the PV inverter-included impedance, this research is concluded by simulating and analyzing the performance of multiple dispersed PV units that are connected to a low voltage radial distribution network, following the implementation of the suggested control methodology. The conclusions drawn from this analysis underline the positive effects resulting from the implementation of the suggested, improved control process in relation to both the PV systems’ response and the extension of their connection to the network in case of fault.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αναφέρεται σε διεσπαρμένες Φωτοβολταϊκές (Φ/Β) μονάδες (κτιριακά Φ/Β συστήματα) ισχύος 1–20kW, που συνδέονται στο δίκτυο διανομής χαμηλής τάσης. Ειδικότερα, το αντικείμενο της εργασίας εστιάζεται στη διερεύνηση της μεθοδολογίας ελέγχου και της συμπεριφοράς των αντιστροφέων, μέσω των οποίων συνδέονται οι Φ/Β συστοιχίες με το δίκτυο διανομής χαμηλής τάσης, ύστερα από σφάλμα σε κάποιο από τα σημεία σύνδεσης των μονάδων αυτών με το δίκτυο.Βασικός σκοπός της διατριβής είναι η συμβολή της στον τομέα των Φ/Β μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής και επικεντρώνεται στην επίτευξη υψηλού επιπέδου διείσδυσης των κτιριακών Φ/Β μονάδων στο δίκτυο διανομής χαμηλής τάσης. Η πραγματοποίηση αυτού του σκοπού προϋποθέτει τον κατάλληλο σχεδιασμό και έλεγχο των Φ/Β αντιστροφέων, ώστε να ανταποκρίνονται με τρόπο επικουρικό ως προς το δίκτυο σε περίπτωση διαταραχής (disturbance), σύμφωνα με τις απαιτήσεις των νέων κωδικών δικτύου.Οι κύριοι στόχοι που έπρεπε να εκπληρωθούν για την επιτυχή ολοκλήρωση της παρούσας διατριβής ήταν οι ακόλουθοι:Η βιβλιογραφική διερεύνηση των νέων κωδικών δικτύου και ειδικότερα της απαίτησης για ικανότητα αδιάλειπτης λειτουργίας (Fault Ride Through Capability, FRTC) των μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής σε περίπτωση σφάλματος του δικτύου.Η διερεύνηση της συμπεριφοράς, καθώς και των επιπτώσεων των παραμέτρων σχεδιασμού, των συνδεδεμένων διεσπαρμένων Φ/Β συστημάτων στο δίκτυο διανομής χαμηλής τάσης, σε περίπτωση μόνιμου σφάλματος, όταν εφαρμόζεται μια μεθοδολογία ελέγχου τέτοια, ώστε να αποκρίνονται ως συμβατικές σύγχρονες γεννήτριες .Η διερεύνηση της ικανότητας επίτευξης υψηλού επιπέδου διείσδυσης των Φ/Β μονάδων χαμηλής τάσης σε ένα ακτινικό δίκτυο διανομής μέσω ενός βέλτιστου σχεδιασμού τους.Η επινόηση μιας μεθοδολογίας ελέγχου για τα Φ/Β συστήματα ενός δικτύου διανομής χαμηλής τάσης, η οποία θα πρέπει αφενός μεν να ικανοποιεί την εύρυθμη λειτουργία του Φ/Β συστήματος σε μόνιμη κατάσταση, αφετέρου δε να συμβάλει στην ικανοποίηση της απαίτησης FRTC σε περίπτωση σφάλματος.Αρχικά, διενεργείται μια βιβλιογραφική ανασκόπηση των μέχρι πρότινος κανόνων λειτουργίας των διεσπαρμένων μονάδων και κυρίως των διασυνδεδεμένων Φ/Β συστημάτων χαμηλής τάσης, σε περίπτωση σφάλματος του δικτύου. Κατόπιν, παρουσιάζονται οι κώδικες δικτύου της τελευταίας δεκαετίας, με τους οποίους εισάγεται σε υψηλής ισχύος μονάδες διεσπαρμένης παραγωγής, η απαίτηση FRTC. Τέλος, παρουσιάζονται οι πρόσφατες εξελίξεις που αφορούν τους νεοεισαχθέντες κώδικες ορισμένων ενεργειακών αγορών για το δίκτυο χαμηλής τάσης και ιδίως αυτούς που αφορούν τα Φ/Β συστήματα.Έπειτα, λαμβάνοντας υπόψη την ενσωμάτωση των νέων κωδικών δικτύου στα Φ/Β συστήματα χαμηλής τάσης και την απόκριση των κλασσικών γεννητριών σε υψηλότερα επίπεδα τάσης όσον αφορά την ικανοποίηση της απαίτησης FRTC, διερευνάται η συμπεριφορά των Φ/Β συστημάτων χαμηλής τάσης, όταν ελέγχονται κατά τέτοιο τρόπο ώστε η λειτουργική τους συμπεριφορά κατά τη διάρκεια διαταραχών, να είναι παρόμοια με αυτή των συμβατικών γεννητριών. Ως παράμετροι της διερεύνησης χρησιμοποιούνται το επίπεδο διείσδυσης, η διασπορά και η εμπέδηση της επαγωγής που εμπεριέχεται στο μετατροπέα των διεσπαρμένων Φ/Β γεννητριών.Ως πρώτο βήμα της διερεύνησης, εξάγονται αναλυτικοί τύποι υπολογισμού των τάσεων των ζυγών και των ρευμάτων των Φ/Β μετατροπέων, σε περιπτώσεις μόνιμων τριφασικών σφαλμάτων σε οποιοδήποτε ζυγό ενός ακτινικού δικτύου διανομής χαμηλής τάσης. Για τις ανάγκες της διερεύνησης αυτής, οι Φ/Β μονάδες μοντελοποιούνται ως πηγές τάσης σε σειρά με την εμπέδηση που εμπεριέχεται στο μετατροπέα μέσω του οποίου συνδέονται στο δίκτυο.Ως δεύτερο βήμα της διερεύνησης, εξετάζεται η επίδραση των παραμέτρων στις προαναφερθείσες ηλεκτρικές ποσότητες και εξάγονται σημαντικά συμπεράσματα όσον αφορά την επιλογή των παραμέτρων και τις δυνατότητες ικανοποίησης της απαίτησης FRTC.Στη συνέχεια, διερευνάται η ικανότητα επίτευξης υψηλού επιπέδου διείσδυσης των Φ/Β μονάδων χαμηλής τάσης σε ένα ακτινικό δίκτυο διανομής χαμηλής τάσης. Για το σκοπό αυτό, προτείνεται ένας βέλτιστος σχεδιασμός των Φ/Β μονάδων με παραμέτρους την τιμή της εμπέδησης που εμπεριέχεται στο μετατροπέα, καθώς και το επίπεδο διείσδυσης, ούτως ώστε να επιτυγχάνεται η μέγιστη δυνατή τάση στους ζυγούς διασύνδεσης των Φ/Β μονάδων, κατά τη διάρκεια ενός μόνιμου σφάλματος σε οποιοδήποτε ζυγό του δικτύου διανομής. Με τον τρόπο αυτό πραγματοποιείται η όσο το δυνατόν μεγαλύτερη επιμήκυνση του χρόνου παραμονής των Φ/Β μονάδων στο δίκτυο, σύμφωνα με την απαίτηση FRTC. Λαμβάνοντας υπόψη τα αποτελέσματα της βελτιστοποίησης και τους περιορισμούς που τίθενται αναφορικά με τη συνεισφορά των Φ/Β αντιστροφέων σε περίπτωση σφάλματος, προτείνεται κατάλληλος σχεδιασμός του μετατροπέα, ούτως ώστε να ικανοποιούνται οι απαιτήσεις που τίθενται από τους νέους κώδικες δικτύου.Σε επόμενο στάδιο, με τη βοήθεια μια εκτενούς βιβλιογραφικής αναζήτησης, σχεδιάζεται, μοντελοποιείται και αναλύεται η μεθοδολογία ελέγχου ενός πλήρους Φ/Β συστήματος αποτελούμενου από Φ/Β συστοιχία ισχύος 6kWp και αντιστροφέα, το οποίο συνδέεται σε δίκτυο διανομής χαμηλής τάσης και τροφοδοτεί ένα φορτίο. Αρχικά, περιγράφεται και προσομοιώνεται η διαδικασία συγχρονισμού και ελέγχου του Φ/Β συστήματος σε συνθήκες κανονικής λειτουργίας, ενώ πιστοποιείται η ορθή λειτουργία του τόσο σε σταθερές, όσο και σε μεταβαλλόμενες περιβαλλοντικές συνθήκες.Κατόπιν, λαμβάνοντας υπόψη τα συμπεράσματα που προέκυψαν από τη διερεύνηση, σε περίπτωση σφάλματος, της συμπεριφοράς των Φ/Β συστημάτων ως συμβατικές σύγχρονες γεννήτριες, προτείνεται μια σημαντική βελτίωση του αρχικού ελέγχου, ώστε το κάθε Φ/Β σύστημα να αποκρίνεται κατάλληλα και σε μεταβατικές καταστάσεις που οφείλονται σε σφάλματα στο ζυγό διασύνδεσης. Με τον διαφοροποιημένο αυτόν έλεγχο επιτυγχάνεται η λειτουργία του Φ/Β συστήματος εντός των εγγενών περιορισμών που τίθενται από τη συμπεριφορά των Φ/Β συστοιχιών και του μετατροπέα, ενώ παράλληλα ικανοποιείται και η απαίτηση FRTC, με έμφαση στην έγχυση αέργου ισχύος στο σημείο διασύνδεσης κατά τη διάρκεια του σφάλματος. Επιπλέον, μελετάται η μεταβατική απόκριση του συστήματος για διάφορες περιπτώσεις σφάλματος και τιμών της εμπέδησης που εμπεριέχεται στον αντιστροφέα, καθώς και κατά την επαναφορά της στα αρχικά επίπεδα λειτουργίας. Ακόμα, παρατίθενται τα συμπεράσματα που προκύπτουν αναφορικά με τα πλεονεκτήματα της προτεινόμενης μεθόδου σε σχέση με άλλες που έχουν παρουσιαστεί στη βιβλιογραφία.Τέλος, θεωρώντας διαφορετικές τιμές της εμπέδησης που εμπεριέχεται στους Φ/Β αντιστροφείς, προσομοιώνεται και αναλύεται η συμπεριφορά πολλαπλών διεσπαρμένων Φ/Β μονάδων που συνδέονται σε ακτινικό δίκτυο διανομής χαμηλής τάσης, στις οποίες εφαρμόζεται η προταθείσα μεθοδολογία ελέγχου. Από την ανάλυση αυτή αναδεικνύονται οι θετικές επιδράσεις εφαρμογής του προτεινόμενου βελτιστοποιημένου ελέγχου, όσον αφορά την απόκριση και την παραμονή των Φ/Β συστημάτων στο δίκτυο μετά από σφάλμα.