SUPERVISOR
Gholamreza Yousefi,Ahmadreza Tabesh
غلامرضا یوسفی (استاد راهنما) احمدرضا تابش (استاد راهنما)
STUDENT
Zahra Moradi Shahrbabak
زهرا مرادی شهربابک
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
System Design and Dynamic Analysis of Utility Scale PV Energy Systems
Advances in silicon-base photovoltaic cells and incentive policies for deployment of renewable energy systems have rapidly increased the installed capacity of photovoltaic (PV) energy systems during the last decade. Utility-scale PV power plants in the range of tens of MW have been installed and currently operational all over the world. Upgrading the size of PV power plants to hundreds of MW requires establishing and complying specific grid codes to maintain the integrity and security of the modern power systems including renewable energy systems. High cost of investments and non-dispatchable features of PV energy systems introduce new challenges in topology design and grid-integration of these systems compared to the conventional power plants. Various topologies including centeralised, string, multi-string and modular topologies have been suggested for utility-scale PV plants which offer different investment costs. Levelized Cost Of Energy (LCOE) index has been commonly used to compare the cost of energy in different topologies for PV power plants. The LCOE index represents the total life cycle cost of a system including investment and maintenance costs per total amount of generated energy over the system physical lifetime. This thesis, in the first part, deals with system design of a utility-scale PV power plant that is identifying the best topology and the optimum size of PV strings and inverters for a large-scale PV plant. The thesis introduces an improved cost index so-called Effective LCOE (ELCOE) which calculates the cost per unit of energy. This index estimates the total amount of generated energy by considering the probability of operation of the PV system. To investigate the capability of the improved index, both LCOE and ELCOE have been calculated and compared for various PV topologies using a case study. It will be shown that ELCOE compares PV plant topologies more accurately from techno-economical point of view. Using this index, the multi-string topology is identified as the best topology for implementation of utility-scale PV plants. The thesis also presents an effective cost criterion which mathematically formulates the cost of energy in a PV plant based on different size of inverters. This criterion is used to develop an algorithm to find the best size of inverters based on cost and voltage data of the commercially available solar inverters. The second part investigates a method for dynamic analysis of a grid connected utility-scale PV plant. The dynamics of an electronically interfaced PV energy system stem from multiple feedback loops for the control of real/reactive powers injected to the grid. The PV system dynamics are integral parts of the power system dynamics and due to high penetration level of utility-scale PV plants and fluctuation of generated solar power during a day, it is necessary that the system remains stable regardless of changes in the generated power of the PV system. The thesis presents a method for small-signal modeling and frequency-domain analysis of a power system including a PV power plant. The accuracy of the method is investigated via comparing the frequency-domain analysis results with time-domain simulation results of a study system. Keywords: Photovoltaic energy systems; PV plants; PV Topology design; Small-signal dynamics; Techno-economical analysis;
پیشرفت های دو دهه اخیر در فناوری ساخت سلول های فتوولتائیک، نیروگاه های فتوولتائیک چند ده مگاواتی را به عنوان یکی از منابع تولید پراکنده در بسیاری از کشورهای صنعتی و در حال توسعه مطرح نموده است. یکی از چالش های اصلی در نیروگاه های فتولتائیک توان بالا، مسأله طراحی سیستمی آن ها می باشد. تاکنون مطالعات فراوانی در رابطه با ساختارهای نیروگاه های فتوولتائیک صورت گرفته است. از دیدگاه مبدل های الکترونیک قدرت می توان ساختارهای موجود در نیروگاه های خورشیدی را در چهار گروه متمرکز، رشته ای، چندرشته ای و مدولار طبقه بندی نمود که این ساختارها از لحاظ هزینه و بازده با یکدیگر متفاوت می باشندکه مقایسه بین ساختارها با استفاده از معیار "هزینه انرژی تراز شده" صورت می گیرد. این معیار به صورت نسبت کل هزینه در طول عمر مفید یک نیروگاه بر کل انرژی تولیدی از نیروگاه در طول عمر مفید آن تعریف می گردد.از سوی دیگرنحوه برقراری اتصالات میان اینورترها و پانل های فتوولتائیک، تأثیر چشم گیری بر قابلیت اطمینان کلی سیستم دارد و قابلیت اطمینان ساختارهای مختلف با یکدیگر متفاوت می باشند، این در حالی است که اثر قابلیت اطمینان سیستم در شاخص هزینه انرژی تراز شده لحاظ نگردیده است. در این پایان نامه، ابتدا نحوه محاسبه قابلیت اطمینان ساختارهای مرسوم فتوولتائیک با استفاده از روش مارکوف بیان می شود. سپس به منظور مقایسه فنی- اقتصادی میان این ساختارها، معیار هزینه انرژی تراز شده به گونه ای بازتعریف می شود که علاوه بر در نظر گرفتن عواملی همچون هزینه سرمایه گذاری و بازده، در برگیرنده پارامتر قابلیت اطمینان ساختار نیز باشد. این معیار، هزینه انرژی تراز شده مؤثرنامیده می شود. در ادامه، بر مبنای ایده پیشنهاد شده در این شاخص، روشی برای طراحی بهینه یک نیروگاه فتوولتائیک از لحاظ هزینه سرمایه گذاری و بازدهی اقتصادی پیشنهاد می گردد. در این روش، مسأله طراحی سیستمی یک نیروگاه فتوولتائیک به صورت یک مسأله ریاضی فرمول بندی می شود که با حل این مسئله، متناسب با سطح توان نیروگاه، بهترین سایز اینورتر و همچنین مناسب ترین نحوه چیدمان پانل های فتوولتائیک مشخص می شود. چالش دیگری که با افزایش ضریب نفوذ نیروگاه های خورشیدی متصل به شبکه مطرح می گردد تاثیر دینامیکی متقابل این نیروگاه ها با شبکه قدرت می باشند، که دینامیک آن ها به طور غالب، متأثر از دینامیک فیلترهای مبدل های الکترونیک قدرت و مدارهای کنترل آن می باشد. در ساختارهای غیر متمرکز، تعداد مبدل ها و کنترل کننده های آنها به طور چشمگیری افزایش می یابد که در اثر افزایش درجه سیستم قدرت، این مبدل های الکترونیکی می توانند بالقوه بر دینامیک کل سیستم قدرت تاثیر گذار باشند. با توجه به ماهیت انرژی خورشیدی، نقطه کار نیروگاه های فتوولتائیک در طول روز در محدوده وسیعی تغییر می کند. تغییرات وسیع نقطه کار نیروگاه خورشیدی به ویژه در توان های بالا می تواند بر رفتار دینامیکی سیستم قدرت متصل به نیروگاه تاثیر گذار باشد. دربخش دوم این پایان نامه یک سیستم نمونه، متشکل از منابع سوخت فسیلی و نیروگاه های فتوولتائیک مورد مطالعه قرار می گیرد که در این مطالعه، ابتدا مدل خطی سیستم را بدست آورده، سپس با استفاده از آنالیز سیگنال کوچک، اثر تغییر نقاط عملکرد نیروگاه های فتوولتائیک بر پایداری دینامیکی شبکه قدرت بررسی می شود. در ادامه به منظور اطمینان از صحت مدل تحلیلی ارائه شده، سیستم را به صورت غیرخطی شبیه سازی نموده وبا اعمال یک اختلال کوچک به سیستم، پایداری دینامیکی آن ارزیابی گردید. کلمات کلیدی: بازده؛ ساختارهای اینورتری؛ ضریب نفوذ؛ قابلیت اطمینان؛ مدلسازی دینامیکی؛ مدل مارکوف؛ نیروگاه های خورشیدی فتوولتائیک؛ هزینه انرژی تراز شده؛