The currently available tools to simulate solar photovoltaic (PV) systems do not offer a reliable solution to simulate string or module level inverter systems with partial shading and modules with mismatching electrical characteristics. The available methodologies to simulate this satisfying require computational power that is not commonly available. To make it possible to simulate these kinds of systems a methodology based around the software “System Advisory Model” (SAM) is proposed. The methodology assumes that shading is binary, meaning a module can either be fully shaded or not shaded at all. Two different global IV curve models are presented and evaluated in comparison with a more detailed Matlab global IV model based on the one diode equivalent circuit. All these methodologies disregards the impact of the bypass diodes in the PV module and this is considered a significant error, which has to be quantified. It is proposed that this should be done by using the two-diode equivalent circuit instead of the one diode model. Finally the methodology is not concluded to be reliable until verified in comparison with real world data. / De för närvarande tillgängliga simuleringsverktygen för solcellssystem erbjuder inte en tillförlitlig metod för simulering av delvis skuggade system eller system med moduler med olika elektriska egenskaper. De metoder som är tillgängliga för att simulera detta tillförlitligt kräver datorkraft som inte är allmäntillgänglig. För att göra det möjligt att simulera dessa typer av system föreslås en metod baserad kring programvaran "System Advisory Model" (SAM). Metoden utgår från antagandet att skuggning är binärt, vilket innebär att en modul kan antingen vara helt skuggad eller inte skuggad alls. Två olika globala IV-modeller presenteras och utvärderas i jämförelse med en detaljerad Matlab global IV-modell baserad på enkel-diods ekvivalenta kretsen. Denna metod bortser dock från effekterna av bypass-dioderna i PV-modulen och detta antas medföra betydande fel som måste kvantifieras, detta bör då göras med hjälp av två-diods ekvivalenta kretsen. Slutligen så kan metoden inte anses pålitlig förrän den har blivit verifierad med verkliga data.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη, την ανάλυση και την κατασκευή μιας καινοτόμας τοπολογίας μονοφασικού αντιστροφέα για τη διασύνδεση φωτοβολταϊκών γεννητριών, μικρής ισχύος, με το ηλεκτρικό δίκτυο των αστικών περιοχών. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Στα πλαίσια του θεσμού της πρακτικής άσκησης, ένα τμήμα της εκπονήθηκε στην τεχνική εταιρία Πάραλος Α.Ε. Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι συμβολή της στη μελέτη των νέων τεχνολογιών στον τομέα των φωτοβολταϊκών (Φ/Β) μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής, λαμβάνοντας υπόψιν τις υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας που μειώνουν δραστικά την διάρκεια ζωής των ηλεκτρολυτικών πυκνωτών και συνεπώς των ίδιων των μετατροπέων. Επί του πρακτέου διερευνάται και κατασκευάζεται μια βελτιωμένη εκδοχή του υψίσυχνου μονοφασικού αντιστροφέα ρεύματος βασιζόμενου στην τοπολογία Flyback. Η βελτίωση αφορά την ενσωμάτωση ενός κυκλώματος αποσύζευξης της ισχύος, που εξομαλύνει το ρεύμα εισόδου αναιρώντας την ανάγκη χρήσης ηλεκτρολυτικού πυκνωτή τόσο στην είσοδο, όσο και στο κύκλωμα αποσύζευξης αυξάνοντας έτσι τη διάρκεια ζωής του μετατροπέα, καθιστώντας τον με αυτόν τον τρόπο κατάλληλο για εφαρμογές «Φωτοβολταϊκών Πλαισίων Εναλλασσόμενου Ρεύματος» (AC-PV Modules). Ο συγκεκριμένος αντιστροφέας έχει προταθεί στη διεθνή επιστημονική βιβλιογραφία και στην παρούσα διπλωματική εργασία αναλύεται κατά κύριο λόγο η μεθοδολογία κατασκευής του ώστε να διευρευνηθεί η λειτουργία και η απόδοσή του Αρχικά έγινε μια διεξοδική θεωρητική ανάλυση και μελέτη των καταστάσεων λειτουργίας του αλλά και της συνολικής συμπεριφοράς του βελτιωμένου αντιστροφέα ρεύματος τοπολογίας Flyback. Με την εμπειρία που αποκτήθηκε στην διάρκεια της πρακτικής άσκησης, ακολούθησε η συσχέτιση των παραμέτρων του αντιστροφέα και η επιλογή αυτών ώστε να ανταποκριθεί στις προδιαγραφές που τέθηκαν και να ανταπεξέλθει στα δεδομένα του ηλεκτρικού δικτύου της Ελλάδας. Το επόμενο βήμα ήταν η προσομοίωση της τοπολογίας σε ηλεκτρονικό υπολογιστή με ειδικό πρόγραμμα προσομοιώσεων ηλεκτρικών κυκλωμάτων (PSpice). Επιβεβαιώθηκε η λειτουργία του, έγινε ο βέλτιστος σχεδιασμός και τέλος πραγματοποιήθηκε ο κατά το δυνατόν ακριβέστερος υπολογισμός των απωλειών στα διάφορα στοιχεία ώστε να γίνει ορθή επιλογή των ημιαγωγικών στοιχείων του μετατροπέα. Τέλος, έγινε η κατασκευή του αντιστροφέα με πυκνωτή αποσύζευξης της ισχύος και επιβεβαιώθηκε πειραματικά η ορθή λειτουργία του για διάφορες συνθήκες λειτουργίας. Έπειτα συγκεντρώθηκαν μετρήσεις, αφ’ ενός μεν για την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την απόδοση, αφ’ ετέρου δε για σύγκριση με τα αναμενόμενα θεωρητικά αποτελέσματα. / This diploma thesis deals with the study, analysis and implementation of a novel single phase inverter which is used for the interconnection of small photovoltaic (PV) generators with the electric utility grid of urban regions. This work was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion Department of Electrical and Computer Engineering, School of Engineering, University of Patras. The diploma thesis was also partially conducted within the internship at the engineering company Paralos S.A. This project pertains to the sector of Dispersed Power Generation PV systems, especially to Alternating Current Photovoltaic Modules (AC-PV Modules) systems in which a low power dc-ac utility interactive inverter is individually mounted on a PV module. Taking into account that the lifetime of the ac module inverter is shortened because it operates under very high atmospheric temperature, an improved Flyback-type single phase high frequency current source inverter is proposed. The improvement relies on the integration of a power pulsation decoupling circuit which aims at input current smoothing without using electrolytic capacitors and enables employment of film capacitors with small capacitance not only for the dc input line but also for the decoupling circuit. The additional circuit is expected to extend the lifetime of the inverter since the use of electrolytic capacitors under a high temperature environment drastically shortens their life.The proposed inverter circuit has already been presented in the international scientific community but the current thesis mainly analyzes the implementation methodology and investigates the inverter’s performance and behavior. Initially, a thorough theoretical analysis was made on the flyback-type utility interactive inverter’s operation and its circuit configuration. Subsequently, analytical mathematical equations were developed to describe the relationships between the parameters of the proposed inverter. Using these equations, the electric components were selected, as to meet up with the Greek electric utility grid specifications. The next step is the simulation of the topology, which was performed by a specialized on electric circuit simulation computer program (PSpice). The proper behavior of the simulated circuit was confirmed and the precise losses of the components were calculated through the program. Regarding this fact, the components were selected for an optimal design of the inverter. Last but not least, the Flyback-type current source inverter with decoupling capacitor was constructed and its operation was experimentally confirmed. Also, measurements of the inverter’s performance were collected.

abstract: This is a two part thesis: Part – I This part of the thesis involves automation of statistical risk analysis of photovoltaic (PV) power plants. Statistical risk analysis on the field observed defects/failures in the PV power plants is usually carried out using a combination of several manual methods which are often laborious, time consuming and prone to human errors. In order to mitigate these issues, an automated statistical risk analysis (FMECA) is necessary. The automation developed and presented in this project generates about 20 different reliability risk plots in about 3-4 minutes without the need of several manual labor hours traditionally spent for these analyses. The primary focus of this project is to automatically generate Risk Priority Number (RPN) for each defect/failure based on two Excel spreadsheets: Defect spreadsheet; Degradation rate spreadsheet. Automation involves two major programs – one to calculate Global RPN (Sum of Performance RPN and Safety RPN) and the other to find the correlation of defects with I-V parameters’ degradations. Based on the generated RPN and other reliability plots, warranty claims for material defect and degradation rate may be made by the system owners. Part – II This part of the thesis involves the evaluation of Module Level Power Electronics (MLPE) which are commercially available and used by the industry. Reliability evaluations of any product typically involve pre-characterizations, many different accelerated stress tests and post-characterizations. Due to time constraints, this part of the project was limited to only pre-characterizations of about 100 MLPE units commercially available from 5 different manufacturers. Pre-characterizations involve testing MLPE units for rated efficiency, CEC efficiency, power factor and Harmonics (Vthd (%) and Ithd (%)). The pre-characterization test results can be used to validate manufacturer claims and to evaluate the product for compliance certification test standards. Pre-characterization results were compared for all MLPE units individually for all tested parameters listed above. The accelerated stress tests are ongoing and are not presented in this thesis. Based on the pre-characterizations presented in this report and post-characterizations performed after the stress tests, the pass/fail and time-to-failure analyses can be carried out by future researchers. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Engineering 2015