Optimization of utility-scale PV plant design for three-phase string inverters

Abstract

The share of grid-connected PV systems has increased in the global electricity production due to the moving towards utilization of renewable energy to decelerate the climate change. By designing the PV systems properly, it is possible to achieve savings from the implementation of the system.

This thesis is commissioned by Ampner Oy and it concentrates to optimize utilityscale PV plant design for three-phase Ampner ACETM series string inverters. The thesis aims to determine the cost-effective PV system while considering technical restrictions set for grid-connected PV systems so that the energy injected to the grid still maximizes.

The optimization focused on to find the more cost-effective solution from the two system architectures implemented with string inverters, distributed structure and centralized structure called as virtual central. In addition, the optimization determined the optimal powerblock size, that is the amount of inverters connected to single transformer. The thesis dealt with an imaginary PV system installation in Portugal Centro region for illustrating the analysis. The work compared the profitability of the systems first as a cost per power unit, of which after the comparison was expanded also to investigate profitability as a cost per energy unit, due to the habit where PV systems sell the energy, not power. PVsyst simulation tool was used for PV system designs was used to determine the energy yield of the systems. The simulation tool was used also to find the most optimal ratio for oversizing the PV array over the power of the inverter.

It was found that the best system architecture is achieved by distributing the inverters over the PV field. Furthermore, the optimal powerblock size was found to be 10 or 11 inverters, 3 or 3.3 MW, depending if the cost per power unit or cost per energy unit was investigated. In the sensitivity analysis, it was noticed that the profitability of the system can be still improved with several methods by decreasing cabling of the system. Also, the optimal amount for oversizing the PV array over the inverter power was found between 1.3 and 1.4. Beyond, the oversizing losses and increased cabling losses decreased the profitability of oversizing. The tool for PV system design and optimization were implemented during the thesis for Ampner Oy in case of generating similar studies for the future projects.

Verkkoonkytkettyjen aurinkosähköjärjestelmien osuus on kasvanut merkittävälle tasolle globaalissa sähköntuotannossa uusiutuvien energiamuotojen suosimisen myötä ilmastonmuutoksen hidastamiseksi. Oikeanlaisella järjestelmämitoituksella on mahdollista saavuttaa suuria säästöjä aurinkosähköjärjestelmän toteutuksessa.

Tämä diplomityö on tehty Ampner Oy:n toimeksiantona optimoimaan verkkoonkytkettyjen suuritehoisten aurinkovoimaloiden järjestelmämitoitusta Ampner ACE$^{TM}$ sarjan paneeliketjuvaihtosuuntaajille. Tavoitteena oli määrittää kustannustehokas aurinkosähköjärjestelmä huomioiden PV järjestelmämitoitukselle asetetut rajoitteet siten, että järjestelmän verkkoon syötetty energia maksimoituu.

Optimointi keskittyi selvittämään kustannustehokkaammaan ratkaisun kahdesta paneeliketjuvaihtosuuntaajilla toteutetusta järjestelmäarkkitehtuurista: keskitetystä virtuaalikeskusinvertteristä ja hajautetusta rakenteesta. Sen lisäksi optimointi selvitti optimaalisimman teholohkon koon eli yhteen muuntajaan kytkettävien invertterien määrän. Havainnollisuuden vuoksi, työ käsitteli kuvitteellista aurinkosähköjärjestelmän asennusta Keski-Portugalin alueella. Työssä verrattiin järjestelmien kannattavuutta aluksi kustannusta tehoyksikköä kohden, minkä jälkeen tutkimusta laajennettiin kustannusta energiayksikköä kohden. Energiansaannin simuloimiseen käytettiin PV mitoituksissa yleisesti käytettävää PVsyst simulaatiotyökalua. Simulointityökalua käytettiin myös optimaalisen paneeliston ylimitoituksen löytämisessä.

Työssä havaittiin parhaaksi järjestelmäsuunnitteluksi invertterien hajauttaminen. Lisäksi työssä löydettiin optimaaliseksi lohkokooksi 10 tai 11 invertteriä, riippuen verrataanko kustannusta teho- vai energiayksikköön. Tehossa kyseinen lohkokoko tarkoittaa noin 3 tai 3.3 MW:tä. Työn herkkyystarkastelussa löytyi useita tekijöitä, joilla järjestelmää voidaan parantaa entisestään. Paneeliston ylimitoitukselle invertterin tehoon nähden löytyi myös selvä raja-arvo, joka asettui välille 1.3 ja 1.4. Tämän jälkeen ylimitoituksesta aiheutuvat teholeikkaukset sekä kasvanut kaapelihäviö laskevat ylimitoituksen kannattavuutta. Laskentatyökalu PV järjestelmien suunniteluun sekä optimointiin kehitettiin työn yhteydessä Ampner Oy:lle, jotta vastaavanlaisia tutkimuksia on mahdollista toteuttaa myös tulevaisuuden projekteihin.