Grid-Friendly High-Reliability Photovoltaic Systems

Abstract

Solcelle (PV) systemer har potentiale til at udgøre en anselig vedvarende kilde til produktion af ren elektricitet, og de forventes at bidrage til en betydelig andel af efterspørgslen af elektricitet i fremtiden. Der er derfor igangsat flere bestræbelser for at øge udbredelsen af PV-systemer og indføre flere vedvarende energikilder. For at muliggøre flere PV-installationer, så bør udfordringer vedrørende tekniske og økonomiske aspekter behandles grundigt. For det første, set fra et teknisk perspektiv, er der en stor bekymring relateret til integrationen af solcelle-systemerne i elnettet. Da energiproduktionen er stærk afhængig af de omgivende forhold (fx solindstråling og temperatur), kan effekten, der leveres af solcelle-systemerne variere betydeligt i løbet af en dag. I tilfælde af at solcelle-systeminstallationer er i stor skala, vil der blive leveret en betydelig mængde varierende effekt til elnettet. Dette kan fremkalde overbelastninger under spidsproduktionsperioder og medføre spændingsudsving, hvilket udfordrer systemoperatørerne af el-nettet. Derudover er det obligatorisk at opretholde en høj strømkvalitet til fremtidige installationer af solcelle-systemer tilsluttet el-nettet. Solcelle-systemerne er allerede blevet rapporteret som årsag til uønskede harmoniske svingninger i elnettet, herunder inter-harmoniske svingninger. Derfor er løsninger på de ovennævnte udfordringer nødvendige. Et andet vigtigt aspekt for at muliggøre flere PV-installationer er at reducere omkostningerne af solcelle-energien. For en applikation med relativt lang forventet levetid som f.eks. solcelle-systemer (20-25 års drift) spiller drifts- og vedligeholdelsesomkostningerne en stor rolle i den samlede energiomkostning. PV-inverteren er ifølge felt-oplevelser blevet rapporteret, som en af de mest kritiske komponenter, der ofte forårsager fejl i sådanne systemer. Konsekvensen af PV-inverterfejl vil ikke kun medføre en ekstra økonomisk og arbejdsmæssig indsats, men vil også føre til tab af indtægter i den tid inverteren ikke er funktionsdygtig. Derfor kræves der pålidelig drift af solcelle omformeren, da dette har et stort potentiale for at reducere omkostningerne af solcelle-energi. v For at løse disse problemer og dermed muliggøre flere PV-systemer diskuterer denne Ph.D. afhandling mulige løsninger til forbedring af styringsfunktionaliteten og pålideligheden af effektelektronikken i PV-systemer. Igennem dette projektet er der udviklet en fleksibel styringsstrategi for PV-systemer. En effekt-begrænsende kontrolstrategi er blevet foreslået til at begrænse PV-systemets maksimale optagelse effekt til et bestemt niveau. En kontrolløsning til at begrænse raten af PV-udgangseffekten er også foreslået, nemlig en strategi til styring af effekten. Derefter er der også foreslået to løsninger til realisering af effekt-reservekontrol: 1) Koordinering af styringen mellem forskellige solcelle-enheder med styringen af konstant effekt generering (CPG) og maksimal effekt udbytte (MPPT) og 2) Kombinering af CPG-styringen og MPPT-operationen til rutinemæssigt at estimere den tilgængelige effekt ved brug af kun en solcelle-enhed. Funktionaliteten af de foreslåede kontrolstrategier er blevet valideret eksperimentelt under flere driftsbetingelser. I dette projekt analyseres også strømkvalitetsproblemet af solcelle-systemer, specifikt interharmoniske svingninger. Dette er bekræftet eksperimentielt, at forstyrrelser i DC-spændingen under MPPT-operation er en hovedårsag til interharmoniske svingninger i den strøm der leveres til elnettet. For at løse dette problem er der opstillet en model til forudsigelse af interharmoniske svingninger i henhold til kontrolparametrene brugt i inverteren. Effektiviteten af den foreslåede interharmoniske model er blevet valideret, og det er vist at de varslede interharmoniske svingninger stemmer godt overens med hvad er set i de eksperimentelle målinger. Pålideligheden af solcelle inverteren er ligeledes analyseret, hvor solcellesystemernes missions-profiler (belastning) er inkluderet. Ud fra et pålideligheds-synspunkt er nedbrydning og overdimensionering af solcellepaneler de to hovedaspekter, der kan påvirke PV-omformernes pålidelighed. Resultaterne har vist, at nedbrydningen af et solcellepanel kan reducere PV-omformernes pålidelighed med mere end 50 % sammenlignet med det tilfælde, hvor nedbrydning af panelet ikke er inkluderet. Den effekt, som størrelsen af solcellepaneler har på PV inverterens pålidelighed er også blevet analyseret, hvilket viser, at PV-inverterens levetid kan risikere at falde med mere end 40 % i forhold til tilfældet uden at overdimensionere solcellepanelerne, især for en missions-profil med lavt solbestrålingsbetingelser. Desuden udforskes løsninger på pålidelighedsforøgelse af solcelle inverteren med integrationen af batterisystemer. Med det integrerede batterisystem kan belastningen af solcelle inverteren ændres på en måde, der kan forbedre PV-omformernes pålidelighed. I så fald kan nede-tiden af solcelleomformeren reduceres med 50 % sammenlignet med tilfældet uden et batteri. Integrerede lagringssystemer kan således være en lovende løsning for at øge PV-omformerens pålidelighed i fremtiden.Photovoltaic (PV) systems have much potential to become a major renewable source for clean electricity and they are expected to provide a significant share in the electricity demand in the future. Accordingly, several efforts have been initiated to increase the penetration level of PV systems and introduce more renewables. In order to enable more PV installations, challenging issues in both technical and economic aspects should be properly addressed. Firstly, seen from the technical perspective, one major concern is related to the integration of the PV systems to the electricity grid. Since the PV power production is strongly dependent on the environmental conditions (e.g., solar irradiance and ambient temperature), the power injected from the PV systems can vary considerably during a day. In the case of wide-scale PV system installations, a considerable amount of fluctuating power will be delivered to the grid which may induce overloading during peak-power generation periods and voltage fluctuations, challenging the system operators. On the other hand, maintaining a high-level of power quality is always mandatory for the future installation of the PV systems. The PV systems have been reported as one source of harmonics including interharmonics delivered to the grid. Thus, solutions to the above challenges are demanded. Secondly, the cost reduction of PV energy is another important aspect to enable more PV installations. For the application with relatively long expected lifespan such as PV systems (e.g., 20-25 years of operation), the operation and maintenance costs play a major part in the overall cost of energy. According to the field experience, the PV inverter has been reported as one of the most critical components that cause failures in the PV systems. The consequence of the PV inverter failure will not only lead to extra financial and labor efforts to the inverter replacement but also the loss of revenue from the reduced energy yield during the inverter downtime. Therefore, ensuring a highly reliable operation is strongly demanded for the PV inverter, since it has high potential for reducing the cost of PV energy. iii To tackle those issues and thus enable more PV systems, this Ph.D. project discusses solutions to improve the control functionality and reliability of power electronics in PV systems. Throughout this project, a flexible power control strategy of PV systems has been developed. A power limiting control strategy has been proposed to limit the maximum feed-in power of the PV system to a certain level. A control solution to limit the ramp-rate of the PV output power is also proposed, namely, a power ramp-rate control strategy. Then, two solutions to realize the power reserve control have also been proposed: 1) Coordinating the control of different PV units with the Constant Power Generation (CPG) control and the Maximum Power Point Tracking (MPPT) operation and 2) Combining the CPG control and the MPPT operation to routinely estimate the available power using only one PV unit. The performance of the proposed control strategies has been validated experimentally under several operating conditions. Furthermore, the power quality issue of the PV systems, specifically interharmonics is also analyzed in this project. It is confirmed by the experiments that the perturbation of the DC-link voltage during the MPPT operation is one main cause of interharmonics in the grid current. To address this issue, a model to predict interharmonics according to the control parameters has been proposed. The effectiveness of the proposed interharmonic model has been validated. It has been demonstrated that the predicted interharmonics and the experimental measurements are in close agreement. The reliability of the PV inverter is also analyzed in this project, where the mission profiles of the PV systems are considered. From a reliability point of view, the PV array degradation and oversizing are the two main aspects that can strongly affect the reliability of PV inverters, whose impact has thus been investigated in this project. The results have shown that the PV array degradation can deviate the reliability performance of the PV inverters (i.e., B10 lifetime) by more than 50 % compared to the case without considering the degradation. The impact of PV array sizing on the PV inverter reliability has also been analyzed, which shows that the B10 lifetime of the PV inverter may decrease by more than 40 % compared to the case without oversizing PV arrays, especially, for the mission profile with low solar irradiance conditions. Moreover, the solution to the reliability enhancement of PV inverters with the integration of battery systems is also explored in this Ph.D. project. With the integrated battery system, the loading of the PV inverter can be modified in a way to benefit the reliability of the PV inverter. In that case, the damage of the PV inverter can be reduced by 50 % compared to the case without battery systems. Thus, integrating energy storage systems may be a promising solution to enhance the reliability of PV inverters