Suuritehoisten aurinkosähkösuuntaajien verkkosuodinratkaisut

Abstract

Tämän diplomityön tarkoituksena on selvittää erilaisten verkkosuodinratkaisujen soveltuvuutta suuritehoisiin kaksitasoisiin aurinkosähkösuuntaajiin. Työssä esitellään oleellisimmat modulointimenetelmät ja tuodaan esille aurinkosähkösovelluksille tyypillisen laajan modulointialueen vaikutus suodatustarpeeseen. Tutkittavat suodinrakenteet ovat LCL-, LC- ja LLC-suotimet. Työssä tarkastellaan järjestelmää kokonaisuutena, jolloin tyypillisen aurinkosähkössä käytetyn verkkomuuntajan impedanssi selvitetään ja huomioidaan tarkastelussa. Suodinten vertailu toteutetaan analyyttisesti ja simuloimalla. Analyyttisessa tarkastelussa suotimille määritetään yksivaiheisten sijaiskytkentöjen perusteella tarvittavat siirtofunktiot, joiden avulla eri suotimien toimintaa tutkitaan. Lisäksi tarkastellaan verkkovirran spektrejä. Analyyttisen tarkastelun jälkeen vastaava tarkastelu tehdään aikatasossa simuloimalla ja verkkovirroissa näkyviä yliaaltoja verrataan standardissa esitettyihin vaatimuksiin. Aikatason simuloinneissa tutkitaan myös yksi verkon häiriötilanne ja dynaaminen tilanne eri suotimilla. Tulosten perusteella modulointimenetelmällä ja modulointi-indeksillä oli vaikutusta suodatustarpeeseen. LC- ja LLC-suotimien suodatuskyky riippui lisäksi merkittävästi käytetystä muuntajasta. LCL-suotimen suodatuskykyyn ei muuntajalla nähty suurta vaikutusta. Pienitehoisella muuntajalla eri suotimien väliset eivät olleet suuria, mutta suuritehoisilla muuntajilla suotimien väliset erot korostuivat. Tällöin erityisesti LC- ja LLC-topologioilla lähtövirrassa suotimien resonanssitaajuudella esiintyi suuria yliaaltovirtoja ja virran laatu ei täyttänyt standardin vaatimuksia.

The purpose of this study is to compare different line filter topologies and to see how well they can be applied in two-level high power solar inverters. The most relevant modulation strategies are introduced, and for solar inverters, a typical wide-range modulation index is considered. The examined filter topologies are LCL, LC and LLC filters. Medium voltage (MV) transformers and their impedances are an essential part of the study. Thus, the impedances are included in the examined cases. Filter comparison is implemented with analytically calculated transfer functions and time domain simulations. Transfer functions are calculated from single-phase equivalent filter models. Also, analytically produced grid current spectrums are studied. In the time domain simulations, grid current is simulated and the magnitudes of the harmonic currents in the grid current are compared to the limits of the standard. In addition, one grid disturbance and one fast-power reference variation are simulated. According to the results, modulation strategy and modulation index affect the filtering demand. The MV transformer impacted the filtering capability of the LC and LLC filters. However, the MV transformer did not significantly influence the LCL filter. Little differences between the filter topologies were detected when nominal power of the transformer was close to the nominal power of the examined inverter. However, differences between filter topologies were greater when nominal power of the transformer was much greater than the nominal power of the examined inverter. In that case, with LC and LLC filters, high harmonic currents were seen in the grid currents – especially at resonance and modulating frequencies. The filters also did not pass the standard limits.