The grid connected PV plants comprising of the PV cells and the power electronic inverters are a widely used technology in distributed power generation systems based on renewable energy sources. Microinverters form an extensive part of the ongoing research in this field. This thesis focuses on the inverter section of the microinverter. The cost and efficiency of the grid connected inverter is a chief contributing factor in the overall system price. The MOSFETs used in the DC/AC inverter are usually hard switched causing a lot of EMI noise and losses in the inverter. This is true for both, single and three phase inverters. A low switching frequency is desirable to increase the efficiency, which in turn imposes a large compromise in designing the output filter. In this thesis, switching losses have been minimized by incorporating zero voltage switching at switch turn on and variable dead-time control at switch turn off. The soft switching technique is based on control algorithms and involves no use of any auxiliary circuit. Also, the size of the output filter is reduced without increasing the switching frequency, by employing multiple paralleled inverters. The interleaving technique that is usually used in dc/dc converters is extended for dc/ac inverters and is well employed to maintain the quality of the current fed into the utility grid. In this way, at low switching frequency, high efficiency and reduced cost and sizes are achieved. The study is validated through simulation and lab experiments. The novel control circuit was first implemented using analog circuitry. After assessing the performance of the analog version of the proposed controller, it was then digitally implemented through the Field Programmable Gate Array (FPGA) technique. / Thesis (Master, Electrical & Computer Engineering) -- Queen's University, 2012-04-30 15:06:26.071

Microinverter has become a new trend for photovoltaic (PV) grid-tie systems due to its advantages which include greater energy harvest, simplified system installation, enhanced safety, and flexible expansion. Since an individual microinverter system is typically attached to the back of a PV module, it is desirable that it has a long lifespan that can match PV modules, which routinely warrant 25 years of operation. In order to increase the life expectancy and improve the long-term reliability, electrolytic capacitors must be avoided in microinverters because they have been identified as an unreliable component. One solution to avoid electrolytic capacitors in microinverters is using a two-stage architecture, where the high voltage direct current (DC) bus can work as a double line ripple buffer. For two-stage electrolyte-free microinverters, a high boost ratio dc-dc converter is required to increase the low PV module voltage to a high DC bus voltage required to run the inverter at the second stage. New high boost ratio dc-dc converter topologies using the hybrid transformer concept are presented in this dissertation. The proposed converters have improved magnetic and device utilization. Combine these features with the converter's reduced switching losses which results in a low cost, simple structure system with high efficiency. Using the California Energy Commission (CEC) efficiency standards a 250 W prototype was tested achieving an overall system efficiency of 97.3%. The power inversion stage of electrolyte-free microinverters requires a high efficiency grid-tie inverter. A transformerless inverter topology with low electro-magnetic interference (EMI) and leakage current is presented. It has the ability to use modern superjunction MOSFETs in conjunction with zero-reverse-recovery silicon carbide (SiC) diodes to achieve ultrahigh efficiency. The performance of the topology was experimentally verified with a tested CEC efficiency of 98.6%. Due to the relatively low energy density of film capacitors compared to electrolytic counterparts, less capacitance is used on the DC bus in order to lower the cost and reduce the volume of electrolyte-free microinverters. The reduced capacitance leads to high double line ripple voltage oscillation on DC bus. If the double line oscillation propagates back into the PV module, the maximum power point tracking (MPPT) performance would be compromised. A control method which prevents the double line oscillation from going to the PV modules, thus improving the MPPT performance was proposed. Finally, a control technique using a single microcontroller with low sampling frequency was presented to effectively eliminate electrolyte capacitors in two-stage microinverters without any added penalties. The effectiveness of this control technique was validated both by simulation and experimental results. / Ph. D.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αναφέρεται σε οικιακά Φ/Β συστήματα συνδεδεμένα στο δίκτυο χαμηλής τάσης, τα οποία αξιοποιούν την τεχνολογία των Φ/Β Πλαισίων Εναλλασσομένου Ρεύματος (Φ/Β Πλαίσια Ε.Ρ. – AC-PV Modules). Πρόκειται για Φ/Β διατάξεις μικρής ισχύος (έως 300W), οι οποίες δημιουργούνται από την ενσωμάτωση ενός μόνο Φ/Β πλαισίου και ενός μετατροπέα (ενός η πολλών σταδίων) συνεχούς τάσης σε μονοφασική εναλλασσόμενη τάση, σε μια αυτοτελή ηλεκτρονική διάταξη. Για το λόγο αυτό ονομάζονται και Φ/Β πλαίσια με ενσωματωμένο μετατροπέα (Module Integrated Converters, MIC). Στα συστήματα αυτά οι απαιτήσεις για επίτευξη υψηλού βαθμού απόδοσης, για την καλύτερη εκμετάλλευση της παρεχόμενης ηλιακής ενέργειας, καθώς και ρεύματος ημιτονοειδούς μορφής στην έξοδο είναι αδιαμφισβήτητες. Βασικός σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η συμβολή της στον τομέα των Φ/Β μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής και επικεντρώνεται στην ενδελεχή ανάλυση, στη βελτιστοποίηση της λειτουργικής συμπεριφοράς, στον υπολογισμό των απωλειών στα στοιχεία του μετατροπέα, στην παραμετροποίηση και τελικά στο βέλτιστο σχεδιασμό ενός αντιστροφέα ρεύματος τύπου Flybcak (Flyback Current Source Inverter – Flyback CSI). Οι κύριοι στόχοι που έπρεπε να εκπληρωθούν για την ολοκλήρωση της παρούσας διατριβής ήταν:  Η ενδελεχής ανάλυση της λειτουργίας του αντιστροφέα για δύο διαφορετικές στρατηγικές ελέγχου που εφαρμόζονται σε αυτόν.  Ο κατά το δυνατόν ακριβέστερος υπολογισμός των απωλειών στα στοιχεία του Flyback CSI, καθώς και η παραμετροποίηση των σχέσεων αυτών.  Ο βέλτιστος σχεδιασμός του Flyback CSI, ο οποίος βασίζεται στη διατύπωση της μεγιστοποίησης του σταθμισμένου βαθμού απόδοσης ως πρόβλημα βελτιστοποίησης.  Η υλοποίηση του ελέγχου της λειτουργίας του μετατροπέα μέσω ψηφιακού μικροελεγκτή, καταργώντας τον ήδη υφιστάμενο αναλογικό έλεγχο. Αρχικά η μελέτη επικεντρώνεται σε μία πρώτη τεχνική ελέγχου, η οποία ωθεί τον μετατροπέα να λειτουργεί στην περιοχή της ασυνεχούς αγωγής (Discontinuous Conduction Mode, DCM). Στη συνέχεια προτείνεται μία δεύτερη τεχνική ελέγχου η οποία, αφ' ενός μεν αναγκάζει το μετατροπέα να λειτουργεί στο όριο συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής (Boundary between Continuous and Discontinuous Conduction Mode, BCM), αφ' ετέρου δε παρέχει καθαρά ημιτονοειδές ρεύμα στην έξοδο. Με την προτεινόμενη νέα τεχνική ελέγχου, που ονομάσθηκε i-BCM (improved BCM) και αποτελεί βελτίωση της υπάρχουσας στη βιβλιογραφία τεχνικής ελέγχου BCM, βελτιώνεται σημαντικά ο συντελεστής ισχύος στην έξοδο του αντιστροφέα, παρέχοντας στο δίκτυο καθαρά ημιτονοειδές ρεύμα. Οι δύο διαφορετικές στρατηγικές ελέγχου διαμορφώνουν διαφορετικές κυκλωματικές συνθήκες. Για τις δύο περιπτώσεις αναπτύσσονται αναλυτικές εκφράσεις τόσο για τη μέση, όσο και για την ενεργό τιμή των ρευμάτων που διαρρέουν όλα τα στοιχεία του μετατροπέα (ημιαγωγικά στοιχεία, Μ/Σ κλπ). Επιπρόσθετα, εξάγονται κριτήρια για τα ασφαλή όρια λειτουργίας του μετατροπέα με γνώμονα την καταπόνηση των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος από υψηλές τιμές τάσης και ρεύματος. Ιδιαίτερο βάρος δίνεται στον υπολογισμό της διακύμανσης της τάσης του πυκνωτή του φίλτρου εξόδου, η οποία αναπτύσσεται και πάνω στα ημιαγωγικά στοιχεία του μετατροπέα, επηρεάζοντας την επιλογή τους. Στην συνέχεια, προσδιορίζονται μέσω αναλυτικών μαθηματικών σχέσεων οι απώλειες αγωγής και οι διακοπτικές απώλειες των ημιαγωγικών στοιχείων και προσεγγίζονται, με ιδιαίτερη λεπτομέρεια, οι απώλειες του μετασχηματιστή (τυλιγμάτων και πυρήνα) και για τις δύο προαναφερθείσες στρατηγικές ελέγχου, δεδομένου ότι η διακοπτική συχνότητα λειτουργίας του μετατροπέα είναι υψηλή. Για το λόγο αυτό απαιτείται εις βάθος μελέτη της υπάρχουσας βιβλιογραφίας, επιλογή ή επινόηση των κατάλληλων μοντέλων απωλειών σε ένα Μ/Σ (πυρήνα και χαλκού) και προσήκουσα προσαρμογή αυτών στις κυκλωματικές συνθήκες του αντιστροφέα Flyback. Παράλληλα με την ανάλυση των απωλειών πραγματοποιείται και η παραμετροποίηση του συστήματος. Η διαδικασία αυτή στηρίζεται στη διαχείριση των εξισώσεων κατά τέτοιο τρόπο ώστε να προσδιορίζονται όλες οι μεταβλητές και οι σταθερές του μετατροπέα, καθώς και οι παράμετροι από τις οποίες εξαρτώνται οι απώλειες, με τον απλούστερο δυνατό τρόπο. Συνεπώς, έχει δοθεί ιδιαίτερη έμφαση στην διαχείριση των αναλυτικών σχέσεων ώστε οι απώλειες, χωρίς έκπτωση στην ακρίβεια, να εξαρτώνται από τον ελάχιστο δυνατό αριθμό παραμέτρων. Με αυτό τον τρόπο η μελέτη είναι πλήρης αλλά περιορίζεται η πολυπλοκότητα, με αποτέλεσμα να προκύπτουν μόνο τέσσερις ανεξάρτητες σχεδιαστικές μεταβλητές. Στο επόμενο στάδιο, πραγματοποιείται ο βέλτιστος σχεδιασμός του Flyback CSI, ο οποίος βασίζεται στη διατύπωση της μεγιστοποίησης του σταθμισμένου βαθμού απόδοσης ως πρόβλημα βελτιστοποίησης. Αυτό, πρακτικά, σημαίνει τον προσδιορισμό της αντικειμενικής συνάρτησης (objective ή cost function), των σχεδιαστικών μεταβλητών και σταθερών, των περιοριστικών συνθηκών και τον ορισμό του πεδίου τιμών αυτών. Ο σταθμισμένος βαθμός απόδοσης αποτελεί την αντικειμενική συνάρτηση, ενώ οι προδιαγραφές εισόδου και εξόδου του μετατροπέα αποτελούν τις σχεδιαστικές σταθερές.. Με τη χρήση μίας στοχαστικής μεθόδου βελτιστοποίησης, η οποία αναδείχτηκε ως η πιο κατάλληλη έπειτα από εκτεταμένη βιβλιογραφική αναζήτηση, προσδιορίζονται οι τιμές των τεσσάρων σχεδιαστικών μεταβλητών και επιτυγχάνεται ο μέγιστος δυνατός σταθμισμένος βαθμός απόδοσης. Η επίτευξη του στόχου ολοκληρώνεται με την ανάπτυξη ενός νέου επαναληπτικού αλγορίθμου, με τον οποίο, βάσει των εξισώσεων των απωλειών, επιτυγχάνεται ο βέλτιστος σχεδιασμός του Flyback CSI και για τις δύο διαφορετικές τεχνικές ελέγχου. Επιπροσθέτως, υλοποιείται ο έλεγχος της λειτουργίας του μετατροπέα μέσω ψηφιακού μικροελεγκτή, καταργώντας τον ήδη υφιστάμενο αναλογικό έλεγχο. Η αλλαγή της φιλοσοφίας υλοποίησης του ελέγχου προσφέρει μεγαλύτερη ευελιξία και ανεξάντλητες δυνατότητες στην κατάστρωση και υιοθέτηση διαφορετικών στρατηγικών ελέγχου. Ιδιαίτερα, κατά τη λειτουργία στο όριο μεταξύ συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής (i-BCM), με κατάλληλο προγραμματισμό του μικροελεγκτή εξαλείφεται η ανάγκη για μέτρηση των ρευμάτων στα τυλίγματα του μετασχηματιστή. Ο μικροελεγκτής που χρησιμοποιείται είναι ο dspic30F4011 της εταιρείας Microchip ο οποίος διαθέτει μεγάλη υπολογιστική ικανότητα και μία πληθώρα περιφερειακών που επιτρέπουν αυτοματοποίηση κάποιων λειτουργιών, όπως η διαδικασία σύνδεσης και αποσύνδεσης με το δίκτυο και η δυνατότητα ενσωμάτωσης της μονάδας ανίχνευσης του μέγιστου σημείου ισχύος (M.P.P.T) της Φ/Β γεννήτριας στην ίδια ψηφιακή μονάδα. Τέλος, υλοποιήθηκαν εργαστηριακά πρωτότυπα με βάση τις βέλτιστες παραμέτρους που υπολογίσθηκαν σε κάθε περίπτωση σύμφωνα την προτεινόμενη μέθοδο βελτιστοποίησης και ακολούθησε πειραματική επιβεβαίωση με χρήση ενός αναλυτή ισχύος υψηλής ακρίβειας, για την επιβεβαίωση των θεωρητικών προσεγγίσεων. Επιπλέον, μελετήθηκε η ευεργετική επίδραση της συνδυαστικής χρήσης των δύο τεχνικών ελέγχου στην πυκνότητα ισχύος / This thesis pertains to domestic on-grid PV systems that utilize the AC-PV Modules technology. These low power PV topologies (up to 300W) are implemented by integrating one PV Module and a single phase inverter (one or multi stage), in one independent electronic apparatus. For this reason they are called Module Integrated Converters (MIC). The most important requirements for these systems are the higher possible efficiency - in order to take advantage of the supplied solar energy – and the pure sinusoidal output current. The main purpose of this thesis is to contribute to the field of the dispersed PV power generation. Thus, it focuses on the thorough analysis, the behaviour optimization, the components losses estimation, the parameterization and finally the optimal design of Flyback current source inverter (Flyback CSI). The main objectives fulfilled in this thesis are: • The detailed analysis of the inverter behaviour for two different semiconductor control strategies. • The precise losses calculation of all the components of the Flyback CSI. • The optimal design of the Flyback CSI, which is based on maximizing the weighted efficiency. • The implementation of the semiconductor control via a digital microcontroller, eliminating the existing analogue control. Initially, the study focuses on a first control technique that forces the inverter to function in Discontinuous Conduction Mode (DCM). On the other hand, a second control technique that forces the inverter to function on the Boundary between Continuous and Discontinuous Mode (BCM) is proposed. This new control technique is named i-BCM (improved BCM) and it is an improved version of the BCM control technique found in the literature. This new control scheme significantly improves the power factor of the inverter output. The inverter injects pure sinusoidal current to the grid. The two different control strategies form different circuit conditions. Analytical expressions for the average and the rms value of the current, flowing through the components (semiconductors, transformers e.t.c), for both cases are developed. In addition, new operating boundaries of the semiconductors for the safe operation of the inverter based on the analysis of the voltage and current that stresses the semiconductors, are proposed. Special attention is given on the calculation of the voltage deviation on the output filter capacitor. This voltage deviation is caused by the switching operation of the inverter and affects the selection of the semiconductors and the voltage level that can handle. Furthermore, the conduction losses and the switching losses of the semiconductors are determined through analytical, mathematical equations. Because of the inverter high switching frequency, the transformer losses (copper and core), are calculated with special attention to detail. For this reason, an in depth examination of the existing literature takes place that leads to the selection of the appropriate core and copper loss models. The models are adequately adjusted to the circuit conditions of the Flyback inverter topology. The system is parameterized along with the losses analysis. All the equations are manipulated in such a way that simplifies the determination of all the variables and all the constants of the inverter and the loss dependent parameters. Consequently, special emphasis is given to the manipulation of the analytical equations, without affecting the accuracy, in order to express the losses using the minimum number of independent variables. Therefore, the study is complete but the complexity is eliminated and the independent design variables are only four. The optimization problem is the maximization of the weighted efficiency. The optimal design of the Flyback CSI is implemented based on this formulation. As a next step, the objective (or cost) function, the design variables and constants, the constraints and their range need to be defined. The weighted efficiency is the objective function whereas the input and the output specifications of the inverter are the design constants. After an extensive literature research, a stochastic optimization method is chosen as the most appropriate to determine the values of the four design variables in order to achieve the highest weighted efficiency. A new iterative algorithm, which uses the losses equations, is developed to achieve the optimal design of the Flyback CSI for both control strategies. Moreover, the control of the inverter is implemented via a digital microcontroller, eliminating the existing analogue control. This changes the way of controlling the inverter and offers flexibility and limitless possibilities in implementing and adopting various control strategies. Specifically, under the i-BCM control scheme, the need for measuring the current of the transformer windings is eliminated by using an appropriate algorithm. The microcontroller used in this research is dspic30F4011 developed by Microchip. Its good computational capacity and the variety of peripherals enable the automation of some functions such as connection and disconnection from the grid and the integration of the maximum power point tracking (M.P.P.T.) on the same digital unit. Finally, laboratory prototypes are implemented, based on the optimal parameters calculated for every case, using the proposed optimization method. The experimental procedure confirmed the theoretical approximations. A high precision power analyser was used. Furthermore, the beneficial effect of the combined use of the two control power techniques on the power density is also studied.