Design of a photovoltaic microinverter for active and reactive power injection

Abstract

The integration of photovoltaic (PV) systems into the power grid marks a significant stride towards renewable energy adoption, necessitating advancements in power conversion technologies. An important technology to this development are microinverters, which facilitate DC to AC conversion directly at the PV panel level. This dissertation explores the design, modeling in small and large signal, and implementation of photovoltaic microinverters with a focus on their capabilities for active and reactive power injection, a feature that enhances grid stability and efficiency. Microinverters offer a multitude of advantages over traditional centralized inverter systems. By optimizing the performance of individual solar panels, they mitigate issues such as shading and ensure a more reliable and efficient energy production. The ability of microinverters to inject reactive power into the grid is particularly beneficial, as it aids in voltage regulation and grid stability. The dissertation presents an state-of-the-art review of inverter technologies capable of reactive power control, including a detailed examination of a commercial inverter and its computational modeling. This groundwork helps for understanding the current landscape of inverter technology. The exploration of power converters for DC-DC conversion, such as the Flyback converter and a resonant converter variant, highlight the objectives of this dissertation in improving the efficiency of PV systems. A novel nonlinear averaged model for the Flyback converter, developed as part of this research, facilitates the simulations of power systems in extended time without increment the computational complexity. The detailed analysis of the resonant converter highlights its suitability for optimizing PV system performance through Maximum Power Point Tracking (MPPT) algorithms while maintain high efficiency. Further, the dissertation introduces two inverter (DC-AC) designs: the Dual Buck (DB) and the Full Bridge (FB) inverters. These designs are analyzed due to its extended use and increased efficiency when operated with unipolar commutation. Also, an innovative commutation technique for the FB to address zero-crossing distortion is presented, exemplifiying the potential of this inverter technologies to maintain the benefits of the Dual Buck design while enhancing grid stability and power quality. The analysis also shows the advantages of FB over DB in terms of grid support functionalities. Integrating the DC-DC and DC-AC stages, the dissertation culminates in a comprehensive microinverter design. This integration, detailed through control techniques and four-quadrant switching analysis for reactive power injection, confirms the microinverter’s capability to support grid stability. The theoretical models and control strategies proposed are substantiated through simulation results and experimental setups, validating the practical applicability of the research findings. In this way, this dissertation contributes to the field of renewable energy by advancing the understanding and capabilities of microinverters, not only as efficient power converters but also as key components for ensuring the stability and reliability of energy networks. The research also presents a design and control concepts that contribute to the construction of robust microinvertes based in power converters (Texto tomado de la fuente).

La integración de los sistemas fotovoltaicos (PV) en la red eléctrica representa un avance significativo hacia la adopción de energías renovables, lo que requiere avances en las tecnologías de conversión de energía. Una tecnología importante para este desarrollo son los microinversores, que facilitan la conversión de corriente continua (DC) a corriente alterna (AC) directamente a nivel del panel fotovoltaico. Esta disertación explora el diseño, modelado en pequeña y gran señal, e implementación de microinversores fotovoltaicos, con un enfoque en sus capacidades para la inyección de potencia activa y reactiva, una característica que mejora la estabilidad y eficiencia de la red. Los microinversores ofrecen múltiples ventajas sobre los sistemas de inversores centralizados tradicionales. Al optimizar el rendimiento de los paneles solares individuales, mitigan problemas como el sombreado y garantizan una producción de energía más confiable y eficiente. La capacidad de los microinversores para inyectar potencia reactiva a la red es especialmente beneficiosa, ya que contribuye a la regulación de voltaje y a la estabilidad de la red. La disertación presenta una revisión del estado del arte de las tecnologías de inversores capaces de controlar potencia reactiva, incluyendo un análisis detallado de un inversor comercial y su modelado computacional. Esta base ayuda a comprender el panorama actual de la tecnología de inversores. La exploración de convertidores de potencia para la conversión DC-DC, como el convertidor Flyback y una variante de convertidor resonante, resalta los objetivos de esta disertación para mejorar la eficiencia de los sistemas fotovoltaicos. Un nuevo modelo promediado no lineal del convertidor Flyback, desarrollado como parte de esta investigación, facilita las simulaciones de los sistemas de potencia en tiempos extendidos sin incrementar la complejidad computacional. El análisis detallado del convertidor resonante destaca su idoneidad para optimizar el rendimiento del sistema fotovoltaico a través de algoritmos de Seguimiento del Punto de Máxima Potencia (MPPT) mientras se mantiene una alta eficiencia. Además, la disertación presenta dos diseños de inversores (DC-AC): el inversor Dual Buck (DB) y el inversor Full Bridge (FB). Estos diseños se analizan debido a su uso extendido y a su alta eficiencia cuando operan con conmutación unipolar. También se propone una técnica de conmutación innovadora para el inversor FB que aborda el problema de la distorsión en el cruce por cero, ejemplificando el potencial de estas tecnologías de inversores para mantener los beneficios del diseño Dual Buck mientras se mejora la estabilidad de la red y la calidad de la energía. El análisis también muestra las ventajas del inversor FB sobre el DB en cuanto a las funcionalidades de soporte a la red. Integrando las etapas DC-DC y DC-AC, la disertación culmina en un diseño integral de microinversor. Esta integración, detallada a través de técnicas de control y un análisis de conmutación en cuatro cuadrantes para la inyección de potencia reactiva, confirma la capacidad del microinversor para respaldar la estabilidad de la red. Los modelos teóricos y las estrategias de control propuestas son validadas a través de resultados de simulación y configuraciones experimentales, lo que confirma la aplicabilidad práctica de los hallazgos de la investigación. De este modo, esta disertación contribuye al campo de la energía renovable al avanzar en la comprensión y las capacidades de los microinversores, no solo como convertidores de energía eficientes, sino también como componentes clave para garantizar la estabilidad y la fiabilidad de las redes energéticas. La investigación también presenta conceptos de diseño y control que contribuyen a la construcción de microinversores robustos basados en convertidores de potencia.