Ανάλυση ρευμάτων διαρροής σε φωτοβολταϊκά συστήματα χωρίς μετασχηματιστή απομόνωσης

Abstract

Αντικείμενο αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η ανάλυση των ρευμάτων διαρροής προς τον αγωγό γείωσης που εμφανίζονται σε φωτοβολταϊκά συστήματα συνδεδεμένα στο δίκτυο λόγω της απουσίας μετασχηματιστή απομόνωσης. Οι δύο κυριότεροι παράγοντες που επηρεάζουν το πλάτος και το φάσμα συχνοτήτων του ρεύματος διαρροής είναι η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών πλαισίων και η τοπολογία του αντιστροφέα που θα χρησιμοποιηθεί. Τοπολογίες όπως η διάταξη πλήρους γέφυρας (Full Bridge), η διάταξη τριών επιπέδων (NPC) και άλλες διερευνώνται και συγκρίνονται ως προς τα ρεύματα διαρροής στη συνέχεια της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Πιο συγκεκριμένα, στο πρώτο κεφάλαιο παρατίθενται οι λόγοι που οδηγούν στην παράληψη του μετασχηματιστή απομόνωσης στα σύγχρονα φωτοβολταϊκά συστήματα και αναλύονται οι παράγοντες που επηρεάζουν την τιμή της παρασιτικής χωρητικότητας των πλαισίων και κατά συνέπεια τα ρεύματα διαρροής. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναπτύσσεται το απλοποιημένο ισοδύναμο κύκλωμα της φωτοβολταϊκής γεννήτριας. Παρουσιάζονται επίσης όλες οι τοπολογίες αντιστροφέων dc/ac που θα σχεδιαστούν και θα διερευνηθούν ως προς τα ρεύματα διαρροής και αναλύονται οι αρμονικές συνιστώσες της τάσης και του ρεύματος εξόδου κάθε τοπολογίας. Επιπρόσθετα, μελετάται η λειτουργία του dc/dc μετατροπέα ανύψωσης τάσης και η απόκριση συχνοτήτων του LC φίλτρου διασύνδεσης στο δίκτυο. Στο τρίτο κεφάλαιο αναλύονται όλα τα επιμέρους συστήματα ελέγχου, απαραίτητα για την άρτια λειτουργία ολόκληρης της φωτοβολταϊκής εγκατάστασης. Συγκεκριμένα, θα μελετηθούν οι τεχνικές ελέγχου ρεύματος PI current control και Hysteresis control, η διάταξη συγχρονισμού της εγκατάστασης με το δίκτυο και τέλος περιγράφεται ο αλγόριθμος μέγιστης απολαβής ισχύος. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων, αναλύονται τα ρεύματα διαρροής ως προς το αρμονικό τους περιεχόμενο και συγκρίνονται οι διάφορες τοπολογίες μετατροπέων dc/ac. Ένα πλήρες μοντέλο του φωτοβολταϊκού συστήματος υλοποιήθηκε με τη βοήθεια του σχεδιαστικού προγραμματιστικού πακέτου PSpice. Τις προσομοιώσεις σε υπολογιστή διαδέχονται οι πειραματικές μετρήσεις σε διασυνδεδεμένο φωτοβολταϊκό σύστημα, εγκατεστημένο στο χώρο του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου. Τα πειραματικά αποτελέσματα βρίσκονται στο πέμπτο κεφάλαιο. Στο τελευταίο κεφάλαιο εξάγονται τα συμπεράσματα της μελέτης και προτείνονται ιδέες για μελλοντική έρευνα.

Purpose of this Diploma Thesis is the analysis of the leakage ground current shown in photovoltaic systems connected to the grid due to the lack of an isolation transformer. The two main factors affecting the amplitude and the frequency spectrum of leakage currents are the technology of photovoltaic modules and the chosen inverter topology. Topologies such as the Full Bridge, NPC etc. are investigated and compared in terms of the leakage currents in the rest of this thesis. More specifically, the first chapter sets out the reasons for omitting the isolation transformer in modern photovoltaic systems and analyzes the factors affecting the value of the parasitic capacitance and therefore the value of the ground currents. The second chapter describes the simplified equivalent circuit of the photovoltaic generator. It also presents all the inverter topologies that will be developed and explored in terms of leakage currents and analyzes the harmonic components of output voltage and output current of each topology. Furthermore, the function of the dc/dc boost converter and the frequency response of the LC filter are being studied. The third chapter analyzes all the individual control systems that are necessary for the proper functioning of the entire PV system. Specifically, both current control techniques: PI control and Hysteresis control are being studied. It also describes the operation of Phase Locked Loop and Maximum Power Point Tracking devices. In the fourth chapter, the simulation results are presented, the leakage currents are analyzed in terms of their harmonic content and different inverter topologies are being compared. A complete model of the solar system was implemented with the help of the designing program PSpice. Computer simulations are followed by experimental measurements on a grid connected photovoltaic system installed at the National Technical University of Athens. The experimental results are in the fifth chapter. In the final chapter, conclusions of the study are drawn and ideas for future research are being suggested.