Βέλτιστος σχεδιασμός μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback για τη σύνδεση φωτοβολταϊκού πλαισίου με το δίκτυο χαμηλής τάσης
Authors: Χρηστίδης Γεώργιος 
Published: September 2021

Σε αντίθεση με τις συνήθεις μορφές παραγωγής ενέργειας, φωτοβολταϊκά (Φ/Β) συστήματα δύναται να εγκατασταθούν εντός κατοικημένων περιοχών (κτηριακά Φ/Β συστήματα), όπου βρίσκεται και το μεγαλύτερο ποσοστό της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας. Για τη παροχή της ενέργειας των Φ/Β πλαισίων στο δίκτυο, απαιτείται η χρήση ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος (αντιστροφέα), ώστε η τάση εξόδου του πλαισίου να μετατραπεί σε εναλλασσόμενη. Η συγκεκριμένη μετατροπή μπορεί να γίνει είτε με τη χρήση ενός αντιστροφέα για το σύνολο των Φ/Β πλαισίων (αντιστροφέας αλυσίδας), είτε χρησιμοποιώντας ένα ξεχωριστό και αυτόνομο μετατροπέα για κάθε Φ/Β πλαίσιο (μικρο‑αντιστροφέας). Βασικός σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η ενδελεχής διερεύνηση και βελτίωση της λειτουργικής συμπεριφοράς του μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback, με στόχο την επίτευξη του υψηλότερου δυνατού σταθμισμένου βαθμού απόδοσης.Προτείνεται μία νέα υβριδική μέθοδος παλμοδότησης του μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback, η DBCM, η οποία συνδυάζει τα πλεονεκτήματα των ήδη υπαρχουσών μεθόδων DCM και i‑BCM. Μέσω της συγκεκριμένης μεθόδου περιορίζεται η μέγιστη διακοπτική συχνότητα λειτουργίας του αντιστροφέα, με αποτέλεσμα τη βελτίωση του βαθμού απόδοσης, ειδικά για χαμηλά επίπεδα ισχύος. Παράλληλα, βελτιώνεται και η ποιότητα ισχύος εξόδου του μετατροπέα, σε σχέση με την i-BCM.Για τη συγκεκριμένη μέθοδο παλμοδότησης διατυπώνονται αναλυτικές εξισώσεις για όλα τα μεγέθη που διέπουν τη λειτουργία του μετατροπέα. Μέσω αυτού του υπολογισμού περιγράφονται οι απώλειες που εμφανίζονται στα επί μέρους στοιχεία του αντιστροφέα, ώστε να εφαρμοστεί ένας αλγόριθμος βέλτιστης επιλογής των λειτουργικών και κατασκευαστικών παραμέτρων του μετατροπέα, με σκοπό την επίτευξη του μέγιστου δυνατού σταθμισμένου βαθμού απόδοσης για τις εκάστοτε προδιαγραφές.Στη συνέχεια, αναλύεται η εφαρμογή της υβριδικής μεθόδου σε μικρο-αντιστροφέα τύπου Flyback πολλαπλών κλάδων και προτείνεται μία μεθοδολογία βέλτιστης ενεργοποίησης ενός εκάστου. Εξάγονται οι σχέσεις που περιγράφουν την ορθή λειτουργία του μετατροπέα για αυτή την περίπτωση, καθώς και τις απώλειες που εμφανίζονται στα στοιχεία, με σκοπό ο αλγόριθμος βελτιστοποίησης να επεκταθεί και για έναν τέτοιου τύπου μετατροπέα, ώστε να αυξηθεί σημαντικά ο σταθμισμένος βαθμός απόδοσής του.Σε επόμενο βήμα, διερευνάται η εφαρμογή μεθόδων ελέγχου και πρόσθετων κυκλωμάτων ώστε ο μικρο-αντιστροφέας να ανταποκρίνεται στις σύγχρονες προδιαγραφές και απαιτήσεις για τους αντιστροφείς με εφαρμογή σε Φ/Β συστήματα συνδεδεμένα με το δίκτυο χαμηλής τάσης. Πιο συγκεκριμένα, εξετάζεται η δυνατότητα παροχής άεργου ισχύος από ένα μικρο‑αντιστροφέα τύπου Flyback, οι μαθηματικές σχέσεις που περιγράφουν τον τρόπο παλμοδότησής του, καθώς και οι κυκλωματικές τροποποιήσεις που απαιτούνται για την ορθή λειτουργία του. Επιπρόσθετα, προτείνεται και αναλύεται ένας βελτιωμένος τρόπος ελέγχου για ενεργό φίλτρο που συνδέεται παράλληλα στην έξοδο του Φ/Β πλαισίου και είσοδο του μικρο‑αντιστροφέα. Με το ενεργό φίλτρο αντικαθίσταται ο ηλεκτρολυτικός πυκνωτής που ήταν απαραίτητος για τη μείωση της κυμάτωσης του ρεύματος εξόδου του Φ/Β πλαισίου αλλά λόγω των περιορισμών στο χρόνο ζωής του επιβάρυνε την αξιοπιστία της όλης διάταξης.Τα συμπεράσματα και τα θεωρητικά αποτελέσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής επιβεβαιώνονται μέσω προσομοίωσης καθώς και μέσω πειραματικών αποτελεσμάτων εργαστηριακών πρωτοτύπων τα οποία κατασκευάστηκαν για το σκοπό αυτό.