Grid-Friendly High-Reliability Photovoltaic Systems

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.