Ontwerp en implementatie van hoogfrequente niet-geïsoleerde DC optimizatoren met grote versterking, voor modulaire PV toepassingen

Om aan de wereldwijd toenemende vraag naar elektriciteit te voldoen, wordt hernieuwbare energie sinds geruime tijd gezien als een zeer aantrekkelijke oplossing. Naast de tekorten in conventionele energiebronnen, creëren ook de toenemende gevolgen van de opwarming van de aarde en de klimaatverandering een nood aan alternatieve energiebronnen met een zo laag mogelijke uitstoot van broeikasgassen. Van deze alternatieve energiebronnen wordt fotovoltaïsche (FV) energie gezien als één van de meest belovende bron van elektriciteit van de toekomst omwille van het ontbreken van uitstoot en vervuiling tijdens de werking, de lage kosten in onderhoud, de geluidsvrije werking en de eenvoud van de installatie. Daarom wordt voorspeld dat FV energie een groot deel van de wereldwijde elektriciteitsproductie zal uitmaken in de nabije toekomst. Sinds 2010 is er meer FV capaciteit geïnstalleerd dan in de vorige vier decennia. De hoge vraag en de meerdere voordelen van de FV technologie doet ook het onderzoek naar het efficiënter gebruik van zonne-energie verder toenemen. Tegenwoordig ligt de focus van FV onderzoek op het verbeteren van de efficiëntie van het volledige systeem over een brede waaier van werkingsgebieden op een meer kost effectieve manier dan het bestaand systeem. Deze evolutie volgend, bestudeert deze PhD thesis een efficiënte manier van het omzetten van FV energie in elektriciteit door middel van het ontwerpen en ontwikkelen van een nieuwe vermogensomvormer om de elektriciteitsproductie van het hele FV systeem te verbeteren. Deze thesis stelt een hoog efficiënte, kleine, kost effectieve, DC-DC omvormer voor voor gedistribueerde FV toepassingen. In de FV elektriciteitsproductie is verlies door gedeeltelijke beschaduwing een gekend probleem. Dit leidt tot onaangepaste koppelingen van FV eenheden en zo tot een vermindering van de totale hoeveelheid opgewekte energie. Om dit probleem, en om schommelingen van de energie opgewekt door verschillende FV eenheden, aan te pakken, wordt gedistribueerde FV energieopwekking als mogelijke oplossing naar voren geschoven. De voordelen hiervan en van verschillende mogelijke configuraties worden in de thesis besproken. Eén van de opties, een DC-DC micro omvormer (ook gekend als DC optimizer), wordt verder onderzocht omdat het één van de meest veel belovende oplossingen is. Aangezien DC distributie netwerken een nieuwe opkomende technologie is in the FV markt, zijn DC-DC micro omvormers ook geschikt om in een DC distributie netwerk te integreren. In dit werk worden twee DC-DC micro omvormers voorgesteld voor twee verschillende toepassingen, één is voornamelijk geschikt voor een serieel geschakeld, gedistribueerd systeem en de andere voor een parallel geschakeld systeem. Een andere topologie voor een micro omvormer, die voordelen biedt op vlak van een groot bereik aan in- en uitgangsspanningen, wordt ook voorgesteld. Deze helpt bij het opwekken van FV energie in een breed werkingsgebied.

Om om te kunnen gaan met schommelingen en onaangepaste koppeling van de vermogens opgewekt door verschillende FV eenheden, stelt dit werk de ontwerpvereisten van een DC-DC micro omvormer voor de gedistribueerde FV toepassing voor. Deze ontwerpvereisten kunnen als richtlijn gebruikt worden bij het ontwerp van een FV omvormer. Deze in acht genomen, werd een niet geïsoleerde multiplier boost topologie geselecteerd. De gedetailleerde selectieprocedure en de geschiktheid van de topologie voor deze specifieke applicatie worden beschreven en uitgelegd in de volgende hoofdstukken.

Een 200W, hoog frequente, niet geïsoleerde DC-DC omvormer werd ontworpen en gebouwd voor energieomzetting op submodule niveau, voornamelijk voor serieel geschakelde systemen. Omdat de omvormer schakelt op hoge frequenties zijn hiervoor enkele maatregelen genomen tijdens het ontwerp. De verschillende stappen van ontwerp tot implementatie worden in detail besproken in de thesis. De meetresultaten in verband met de performantie van de omvormer, efficiëntie metingen over het hele vermogenbereik en thermische metingen worden hier ook gegeven. De omvormer werd ook getest met high band gap gallium nitride (GaN) schakelaars om de winst op vlak van efficiëntie te onderzoeken.

Daarnaast wordt een niet geïsoleerde omvormer met een breed bereik aan ingangsspanning, een hoge versterkingsfactor en een hoge efficiëntie, ontwikkeld voor gebruik als een module geïntegreerde omvormer voor een parallel geschakeld systeem. Deze omvormer vormt de interface tussen een FV module en een DC bus aangezien het in één stap energie kan omzetten van de lage spanning van de FV module naar een hoge DC bus spanning (360V). De omvormer werd verder geïntegreerd in een real-time FV systeem opstelling en getest onder statische en dynamische instraling voor de verschillende werkingsgebieden.

Tenslotte wordt een nieuwe DC-DC omvormer topologie voorgesteld met een groot bereik aan in- en uitgangsspanningen. Verschillende nieuwe ideeën worden voorgesteld om het bereik van versterkingsfactoren van de spanning, alsook het bereik van in- en uitgangsspanningen, te vergroten voor een niet geïsoleerde multiplier omvormer. Deze topologie is toepasbaar voor elke soort van schommelende spanningsbronnen. Al de hier voorgestelde topologieën hebben als doel het vergemakkelijken van het omzetten van FV energie en om de totale energie opbrengst van een FV systeem te verbeteren.