Modeling and Control of a PV Microinverter Architecture with Active Power Decoupling and Mismatch Mitigation

Abstract

Aquesta tesi explora la nova arquitectura d'un microinversor de dues etapes per a aplicacions fotovoltaiques (PV). La novetat rau en la integració de convertidors integrats de submòduls (subMIC) per a la mitigació de desajustaments i un convertidor de memòria intermèdia apilada en sèrie (SSBC) per al desacoblament de potència activa (APD) dins de l'arquitectura del microinversor. L'arquitectura proposada consta d'un convertidor DC-DC amb un transformador d'alta freqüència per augmentar la tensió i seguiment del punt de màxima potència, un bus DC seguit d'un inversor DC-AC per a la integració de la xarxa o la càrrega de CA per injectar l'energia fotovoltaica disponible, així com els subMIC i el SSBC. A més, aquesta tesi presenta una anàlisi exhaustiva, directrius de disseny, modelització i enfocaments de control nous per garantir el funcionament perfecte de l'SSBC dins del microinversor proposat. Els nous enfocaments de control inclouen el control del mode de corrent de freqüència fixa i un enfocament de control sense sensors proposat. Aquests enfocaments simplifiquen i milloren la robustesa de l'operació SSBC. A més d'altres avantatges, l'APD permet l'ús de condensadors de pel·lícula de llarga vida útil al circuit, millorant la fiabilitat i la longevitat del microinversor. Mentrestant, els subMIC mitiguen eficaçment les pèrdues de desajust i els punts calents causats per l'ombra o l'envelliment, millorant així el rendiment dels sistemes fotovoltaics. Finalment, s'ha desenvolupat un prototip per validar experimentalment el microinversor proposat mitjançant un mòdul fotovoltaic comercial de 180 W i 72 cel·les.

Esta disertación explora la nueva arquitectura de un microinversor de dos etapas para aplicaciones fotovoltaicas (PV). La novedad radica en la integración de convertidores integrados de submódulos (subMIC) para mitigar los desajustes y un convertidor de búfer apilado en serie (SSBC) para el desacoplamiento de potencia activa (APD) dentro de la arquitectura del microinversor. La arquitectura propuesta consta de un convertidor CC-CC con un transformador de alta frecuencia para aumento de voltaje y seguimiento del punto de máxima potencia, un bus de CC seguido de un inversor CC-CA para la integración de la red o de la carga de CA para inyectar la energía generada fotovoltaica disponible, así como los subMIC y el SSBC. Además, esta disertación presenta un análisis integral, pautas de diseño, modelado y enfoques de control novedosos para garantizar el funcionamiento perfecto del SSBC dentro del microinversor propuesto. Los nuevos enfoques de control incluyen control de modo de corriente de frecuencia fija y un enfoque de control sin sensores propuesto. Estos enfoques simplifican y mejoran la solidez de la operación SSBC. Además de otras ventajas, el APD permite el uso de condensadores de película de larga duración en el circuito, mejorando la confiabilidad y longevidad del microinversor. Mientras tanto, los subMIC mitigan eficazmente las pérdidas por desajuste y los puntos calientes causados ​​por la sombra o el envejecimiento, mejorando así el rendimiento de los sistemas fotovoltaicos. Finalmente, se ha desarrollado un prototipo para validar experimentalmente el microinversor propuesto utilizando un módulo fotovoltaico comercial de 180 W y 72 células.

This dissertation explores the novel architecture of a two-stage microinverter for photovoltaic (PV) applications. The novelty lies in the integration of submodule integrated converters (subMICs) for mismatch mitigation and a series-stacked buffer converter (SSBC) for active power decoupling (APD) within the microinverter architecture. The proposed architecture consists of a DC-DC converter with a high-frequency transformer for voltage boosting and maximum power point tracking, a DC bus followed by a DC-AC inverter for grid or AC load integration to inject the available PV-generated energy, as well as the subMICs and the SSBC. Furthermore, this dissertation presents a comprehensive analysis, design guidelines, modeling, and novel control approaches to ensure the seamless operation of the SSBC within the proposed microinverter. The novel control approaches include fixed-frequency current mode control and a proposed sensorless control approach. These approaches simplify and enhance the robustness of the SSBC operation. In addition to other advantages, the APD enables the use of long-lifetime film capacitors in the circuit, improving the reliability and longevity of the microinverter. Meanwhile, the subMICs effectively mitigate mismatch losses and hot-spotting caused by shading or aging, thereby enhancing the performance of PV systems. Finally, a prototype has been developed to experimentally validate the proposed microinverter using a 180 W, 72-cell commercial PV module.