Thesis:

Partial Power DC-DC Converters for Two-Stage Photovoltaic Energy Conversion Systems

En esta tesis se analiza la suficiencia energética del Sistema Interconectado Central chileno (SIC) frente a la incorporación de energía eólica. El análisis, basado en la simulación de Monte Carlo, considera variables estocásticas tales como la salida forzada de las unidades generadoras y la generación de centrales eólicas, y es capaz de evaluar el impacto de restricciones operacionales (tales como los límites de las líneas de transmisión y restricciones de las unidades térmicas), que son difíciles de capturar con las técnicas analíticas. Previo a la evaluación de la suficiencia, fue necesario crear perfiles eólicos sintéticos. Se contaba con información de diferentes centros de medición de la velocidad del viento en las regiones que componen el SIC. Como la velocidad estaba medida a 20 metros, pero las aspas de los generadores eólicos se encuentran a una altura promedio de 80 metros, se utilizó el método de Hellmann para extrapolar la velocidad. Posteriormente, se empleó un modelo SARIMA (1, 0, 1) x (1, 1, 1)₂₄ para predecir los datos, obteniéndose así un conjunto de perfiles eólicos sintéticos. Luego, estos perfiles de generación eólica sintéticos se usaron como entrada estocástica en un esquema de simulación Monte Carlo, que utiliza un modelo de producción del SIC para obtener métricas capaces de capturar el impacto de diferentes restricciones operacionales en la suficiencia del sistema. Al analizar el efecto de diferentes niveles de generación eólica, se pudo observar que la mayoría de los beneficios, en términos de incremento en la suficiencia, ocurren al incorporar cerca de 500 MW adicionales de generación eólica. Con mayor generación eólica, la suficiencia permanece prácticamente constante. Como el método propuesto fue capaz de captar restricciones operacionales, se observó que en algunos casos la conexión de una nueva planta eólica podría causar un aumento en la energía no servida del sistema. Por ejemplo, al conectar la central Lebu Sur en el nodo Hualpén 220, después de que las otras centrales eólicas ya estaban operando, se produjo un leve aumento en la energía no servida como resultado de un cambio en el predespacho y congestión en el sistema de transmisión. También se analizó la ventaja de la diversificación de la generación eólica. Por ejemplo, se observó que la energía no servida del sistema disminuye en cerca de un 7% cuando tres centrales eólicas de 100 MW son conectadas en diferentes nodos, en lugar de una sola central de 300 MW conectada en uno solo. Otro resultado de este estudio fue descubrir que, frente a una hidrología seca, la potencia eólica contribuye más a la suficiencia del sistema eléctrico que frente a una hidrología húmeda, como resultado de una mayor disponibilidad de la reserva en giro. Finalmente, se propuso un método basado en simulación para estimar el valor de capacidad de la potencia eólica. Se trabajó con tres centrales eólicas con diferentes factores de carga y diferentes tipos de correlación entre la demanda del sistema y la generación eólica. Con el propósito de validar el método, los resultados del modelo propuesto se compararon, y resultaron consistentes, con los obtenidos mediante el método recomendado por el IEEE Task Force on the Capacity Value of Wind Power. Los resultados mostraron que, con correlación positiva entre la generación y la demanda, el valor de capacidad puede mejorar en más de un 50% en comparación con una correlación negativa.

Two-stage photovoltaic (PV) con gurations (for microinverters, string or multistringinverters) have become increasingly popular due to the decoupling betweenthe inverter dc-link voltage and the PV voltage, adding exibility toextend the MPPT range. However, the additional dc-dc converter increases thecomponent count, reduces the volume and power converter losses. The conceptof partial power converters (PPC), which reduces the amount of power handledby the dc-stage can mitigate this eect. However, the type of topology, itspower and voltage rating, eciency, and operating range can vary signi cantlydepending on the type of PV application and scale. Furthermore, the type offunction of the dc-dc stage will also dier depending on the PV application.From boosting with a high step-up ratio for one module in a microinverter, to abuck mode for larger PV strings when using modern 1500V isolation modules.This thesis provides an analysis of the possible combinations of connectionsand corresponding applications based on the scale of the PV system. The threemost suitable solutions for practical PV systems are further elaborated, includingsimulations and experimental validation. Experimental results show thatthe PPC greatly improves the overall PV system eciency, even when the ef- ciency of the isolated dc-dc converter is low. An added bene t is that thedc-dc stage power rating achieved are only a fraction of the PV system, reducingsize and increasing power density of the power converter without aectingsystem performance.