Interfacing Solar Energy to Electric Power Grid

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Interfacing Solar Energy to  Electric Power Grid Bingsen Wang Dept. of Electrical Engineering

Arizona Workshop on Renewable Energy 10/17/2008

List of Topics • • • • •

Introduction Configurations of grid interface Basic inverter topologies Operational constraints Summary

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Worldwide PV Installation Capacity

The existing PV installation capacity up to the end of 2007. (Source: Renewables 2007 Global Status Report, www.ren21.net.)

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Overview • Grid‐connected PV systems always have a connection to the  public electricity grid via a suitable inverter. because a PV  module delivers only dc power.

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Three Concepts of Grid Connection • Grid‐connected PV systems can be subdivided  into three kinds: – decentralized grid‐connected PV systems, – quasi‐centralized grid‐connected PV systems, – centralized grid‐connected PV systems.

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Decentralized System • For so‐called decentralized systems, that  most commonly have the photovoltaic  module installed on house roofs,  relatively small photovoltaic generators of  only a few kW are connected to the mains  via an inverter adapted to the  photovoltaic generator capacity.  • They most commonly feed into the low  voltage grid. • The difference between photovoltaic  generator energy provision and the  current energy demand of the respective  household is balanced by the grid.

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Quasi‐centralized System • "Quasi centralized" systems are a very  rare mixture of small scale systems and  large scale photovoltaic power plants. • The individual solar generators are  combined to larger units on the direct  current (DC) side with an electrical  capacity ranging between some 100 kW  up to several MW. • As the electric energy is fed into the  medium voltage power grid, a  transformer is needed.  • Quasi‐centralized systems have not yet  been put into practice on a large scale.

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Centralized System • Centralized systems with several 100 kW or  few MW are typically mounted on the  ground or on very large roofs.  • The energy generated by photovoltaics is  fed into the low or medium voltage grid by  means of one or several inverters and a  transformer.  • Photovoltaic plants of this type show  currently electric capacities between some  100 kW and up to 5 MW. However, even  higher capacities are achievable from a  technical point of view without any  problems. 11/21/2008

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Inside PV Power Plant • PV modules may be connected to the grid with module  inverters, string inverters or central inverters

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Inverter‐PV Configurations • Module inverters with small power ratings are fixed on the  back side of every module. They can adjust an optimal MPP  per device that results in a high total energy yield of the PV  system. This decentral concept necessitates high effort if a  monitoring system should be applied.  • String inverters convert the DC power of a whole module  string. Compared to the module inverter, the MPP control is  less optimal if the incident light is unevenly distributed or  shading arises on some modules. However, a monitoring  system is easier to implement.  • Central inverters offer the best monitoring possibility because  only one data interface and one processing unit are necessary.  However, no individual MPP tracking is possible.  11/21/2008

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Inverter Topologies • Type I: Inverters with a 50 Hz transformer: simple topology,  high reliability, high volume and weight, maximum efficiency  of 95%; • Type II: Inverters with a high frequency transformer: costly  concept, low volume and weight, maximum efficiency of 91%; • Type III: Transformerless inverter: low weight, voltage  transfer ratio up to 1:3, maximum efficiency of 95%; • Cuk‐ or Zeta‐inverter: transfer ratio up to 1:5, maximum  efficiency of 91%; • Resonance inverter: complex control, maximum efficiency of  95%.

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Type I: Low Frequency Isolation • PV inverter with self commutated full bridge and line  frequency transformer

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Type II: High Frequency Isolation • PV inverter with high‐frequency transformer

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Type III: Without Transformers • Transformerless PV inverter with a boost converter stage.

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Operational Constraints  Operation of grid connected PV inverter is subject to certain  standards. One of the standards is the IEEE Std 929‐2000: IEEE  Recommended Practice for Utility Interface of Photovoltaic  (PV) Systems • Power quality (PQ):  – The quality of power provided by the PV system for the on‐site ac  loads and for delivery to the interconnected utility is governed by  practices and standards addressing voltage, flicker, frequency, and  distortion.

• Safety and protection functions: – Proper and safe operation of the PV systems

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PQ‐Normal Voltage Operating Range  Utility‐interconnected PV systems do not regulate voltage, they  inject current into the utility. Therefore, the voltage operating  range for PV inverters is selected as a protection function that responds to abnormal utility conditions, not as a voltage  regulation function. •Small system (≤ 10 kW) The operating window for these small PV systems is 106‐ 132 V on a 120 V base, that is, 88‐110% of nominal voltage. This  range results in trip points at 105 V and at 133 V. •Intermediate (>10kW, ≤500kW) and large (>500 kW) systems Utilities may have specific operating voltage ranges. If  not, operating between 88% and 110% of the appropriate  should be followed 11/21/2008

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PQ‐Voltage Flicker Any voltage flicker resulting from the connection of the inverter  to the utility system at the PCC should not exceed the limits  defined by the maximum border line of irritation curve identified  in IEEE Std 519. 

Border Line of  Irritation 

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PQ‐Frequency • The utility controls system frequency, and the  PV system shall operate in synchronism with  the utility.  – Small PV systems installed in North America  should have a fixed operating frequency range of  59.3‐60.5 Hz.  – Utilities may require adjustable operating  frequency settings for intermediate and large  systems.

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PQ‐Waveform Distortions • The PV system output should have low current‐distortion  levels to ensure that no adverse effects are caused to other  equipment connected to the utility system. – Total harmonic current distortion shall be less than 5% of the  fundamental frequency current at rated inverter output. – Each individual harmonic shall be limited to the percentages listed in  Table. Even harmonics in these ranges shall be  0.85  (lagging or leading) when output is > 10% of rating.  • Most PV inverters designed for utility‐interconnected service  operate close to unity power factor.  • Specially designed systems that provide reactive power  compensation may operate outside of this limit with utility  approval.

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Response to Voltage Disturbances • For nominal 120 V base, the inverter should sense abnormal  voltage and respond as follows.

“Trip time” refers to the time between the abnormal condition being  applied and the inverter ceasing to energize the utility line. The inverter will  actually remain connected to the utility to allow the inverter to sense utility  electrical conditions for the “reconnect” feature. 11/21/2008

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Response to Frequency Disturbances • When the utility frequency is outside the range of  59.3 ‐ 60.5 Hz, the inverter should cease to energize  the utility line within six cycles.  • The purpose of the allowed time delay is to ride  through short‐term disturbances to avoid excessive  nuisance tripping.

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Response to Islanding  • Islanding: – A condition in which a portion of the utility system that  contains both load and distributed resources remains  energized while isolated from the remainder of the utility  system.

• Anti‐islanding features required of the PV inverter to  ensure that the inverter ceases to energize the utility  line when the inverter is subjected to islanding  conditions.

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Islanding Detection • PV systems are protected against the vast majority of  potential islanding situations by voltage and  frequency detection schemes. • However, it is possible that circumstances may exist  on a line section that has been isolated from the  utility and contains a balance of load and PV  generation that would allow continued operation of  PV systems.

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Reconnect after a Utility Disturbance • Following an out‐of‐bounds utility event that has  caused the PV system to cease to energize the utility  line, line energization should remain disabled until  continuous normal voltage and frequency have been  maintained by the utility for a minimum of 5 min, at  which time the inverter is allowed to automatically  reconnect the PV system to the utility.

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DC Current Injection • The PV system should not inject dc current > 0.5% of  rated inverter output current into the ac interface  under either normal or abnormal operating  conditions. • Two methods to prevent DC injection – One method is to incorporate an ac output isolation  transformer in the inverter.  – The other method, which uses a shunt or dc‐current  sensor, initiates inverter shutdown when the dc  component of the current exceeds the specified threshold.

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Other Requirement • Grounding: – The PV system and interface equipment should be  grounded in accordance with applicable codes.

• Utility‐interface disconnect switch Two situations exist where utilities may choose not to  require a utility‐interface disconnect switch: – If a utility has operating procedures that do not require  such a switch for PV systems. – When certified nonislanding inverters are used.

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Summary • • • •

Grid connected PV systems are predominant Interface configurations Inverter topologies Operational constraints: 

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Questions?

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