Analýza výkonu FVE při částečném poškození stringu

Abstract

Při výrobě elektrické energie z neobnovitelných zdrojů se do atmosféry uvolňuje velké množství škodlivých látek a skleníkových plynů, které mají značný dopad na zvyšování průměrné teploty atmosféry. Jelikož tento sekundární efekt spalování fosilních paliv povede v příštích desetiletích nevyhnutelně k celosvětovým ekonomickým problémům, je nezbytné tyto emise co nejdříve výrazně redukovat. Pro dosažení tohoto cíle se v současnosti nejlepším řešením jeví být postupné opuštění výroby energie z fosilních zdrojů a jejich nahrazení zdroji obnovitelnými, pod které spadá například fotovoltaika, větrná, či geotermální energie. Solární fotovoltaické (FV) technologie při výrobě elektrické energie přímo neemitují žádné skleníkové plyny. Jsou však, stejně jako každá jiná technologie, náchylné k poruchám, kterým je potřeba předcházet a v případě jejich výskytu je co nejúčinněji lokalizovat a eliminovat. V této práci jsou vysvětleny charakteristiky a hlavní sledované veličiny FV článků a modulů, nutné k jejich komplexní analýze. Dále byly v teoretické části popsány poruchové módy, které se mohou při provozu fotovoltaické elektrárny (FVE) objevit a možné postupy k jejich detekci. V praktické části bylo provedeno měření jednoho stringu modulů na FVE Onyx II, při simulaci poruch skupin článků jejich částečným, či úplným zastíněním. Aby byl dopad stavu zastínění minimalizován, je žádoucí mít možnost předvídat výkon systému s fotovoltaickými moduly během stínění. Proto byl na základě výsledků měření vytvořen odpovídající jednodiodový model stringu v softwaru LTspice a jeho výstupy byly porovnány s realitou. Výsledky simulace se ukázaly být ve velmi dobré shodě s naměřenými hodnotami. Při měření na FVE byly, pro různé konfigurace zastínění jedné z šesti paralelních větví obsahující 17 modulů, odečteny hodnoty elektrických veličin z instalovaného střídače. Na základě těchto měření byla provedena analýza vlivu několika variant zastínění jedné větve na vstupní a výstupní parametry střídače. Bylo zjištěno, že střídač při určitých konfiguracích ztrácí významně vyšší procento výkonu, než odpovídá zastíněné ploše modulů. V závěru práce jsou diskutovány vlivy různých konfigurací zastínění na výkon systému a limitace vytvořeného LTspice modelu.

When generating electricity from non-renewable sources, large amounts of harmful substances and greenhouse gases are released into the atmosphere, which have a significant impact on increasing the average temperature of the atmosphere. Since this secondary effect of burning fossil fuels will inevitably lead to global economic problems in the coming decades, it is necessary to significantly reduce these emissions as soon as possible. To achieve this goal, the best solution seems to be the gradual abandonment of energy production from fossil sources and their replacement by renewable sources, such as photovoltaics, wind or geothermal energy. Solar photovoltaic (PV) technologies do not directly emit any greenhouse gases in power generation. However, they are, like any other technology, susceptible to malfunctions that need to be prevented and, if they occur, be localized and eliminated as effectively as possible. This work explains characteristics and main monitored variables of PV cells and modules necessary for their complex analysis. Furthermore, the theoretical part describes the failure modes that may occur during the operation of photovoltaic power plant (PVP) and possible procedures for their detection. In the practical part, one string of modules was measured on the PVP Onyx II, simulating the failure of cell groups by their partial or total shading. In order to minimize the impact of the shading condition, it is desirable to be able to predict the performance of the photovoltaic module system during shading. Therefore, based on the measurement results, a corresponding single-diode model of the string was created in LTspice software and its outputs were compared with reality. The simulation results proved to be in very good agreement with the measured values. During the measurements at PVP, for various shading configurations of one of the six parallel strings containing 17 modules, the values of the electrical quantities were read from the installed inverter. Based on these measurements, an analysis of the effect of several shading variants of one branch on the input and output parameters of the inverter was performed. It has been found that in certain configurations, the inverter loses a significantly higher percentage of power than would correspond to the shaded area of the modules. Finally, the effects of different shading configurations on system performance and limitations of the LTspice model are discussed.