A Single Phase Solar Inverter using a Current Source Inverter with a DC-DC Buck Converter

Abstract

Electric power converted from sunlight by photovoltaic cells has several advantages especially in terms of environmental aspect. However, converting and feeding DC power from the cells into the electric AC power system requires an inverter to convert DC power into AC at suitable voltage level and frequency. There are a number of inverters available but a Current Source Inverter (CSI) has an advantage of being able to operate under short-circuit or low grid power voltage conditions. However, a CSI has low operation efficiency when operating under large different voltage levels between the cells and the power grid.

This article presents a single phase CSI with a DC buck converter that improves efficiency of a conventional CSI when operating at low voltage levels of the photovoltaic cells due to low solar irradiance. The simulated results showed the proposed inverter provided similar harmonic levels for both input voltage and current compared to a conventional CSI. However, providing improved output current with 50 Hz, power factor 0.98 at THD of 1.83-4.60% , which is 31.46-51.86% improvement compared to 2.67-6.98% of a conventional CSI for the solar irradiance of5-100%, as well as, achieved the lowest THD of 1.83% at50% solar irradiance which is the situation that closed to the practical implementation. Moreover, the current and voltage stresses were reduced by 3.99% and 15.77%, respectively compared with the CSI. In summary, the proposed inverter achieved better efficiency than a conventional CSI for the whole operating range of solar irradiance with 99.55-97.47% efficiencies compared to 95.30-94.44% of the conventional CSI. When considering by using the European Efficiency evaluation, the propose inverter achieved 98.89% compared to 95.01% of the conventional CSI, which was 3.88% higher.

พลังงานไฟฟ้าที่ได้จากการแปลงแสงอาทิตย์ด้วยเซลล์แสงอาทิตย์มีข้อได้เปรียบหลายประการโดยเฉพาะด้านสิ่งแวดล้อม อย่างไรก็ตาม การแปลงผันกำลังงานเพื่อป้อนให้กับระบบสายส่งจำเป็นต้องมีอินเวอร์เตอร์เพื่อแปลงไฟฟ้ากระแสตรงจากเซลล์แสงอาทิตย์เป็นกระแสสลับที่ระดับแรงดันและความถี่ที่เหมาะสม อินเวอร์เตอร์มีหลายประเภทแต่ อินเวอร์เตอร์แหล่งจ่ายกระแส มีข้อได้เปรียบด้านความสามารถในการรักษาสภาวะการทำงานให้ทำงานได้แม้เกิดการลัดวงจรหรือแรงดันตกด้านระบบสายส่งได้ อย่างไรก็ตาม อินเวอร์เตอร์แหล่งจ่ายกระแสจะมีประสิทธิภาพการทำงานต่ำเมื่อระดับแรงดันจากเซลล์แสงอาทิตย์และระบบสายส่งมีระดับแตกต่างกันมากเกินไป

วิทยานิพนธ์นี้นำเสนออินเวอร์เตอร์แปลงผันกำลังงานแสงอาทิตย์เฟสเดียวด้วยอินเวอร์เตอร์แหล่งจ่ายกระแสร่วมกับวงจรลดทอนแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของอินเวอร์เตอร์แหล่งจ่ายกระแสเมื่อทำงานที่สภาวะระดับแรงดันต่ำอันเนื่องจากระดับความเข้มแสงอาทิตย์ต่ำ ผลการจำลองการทำงานของอินเวอร์เตอร์ที่นำเสนอพบว่า อินเวอร์เตอร์มีระดับฮาร์โมนิคแรงดันและกระแสด้านขาเข้าไม่แตกต่างจากอินเวอร์เตอร์แหล่งจ่ายกระแสมาตรฐาน แต่ให้คุณภาพกระแสขาออกที่ 50 เฮิรตซ์ ตัวประกอบกำลัง 0.98 ที่มีค่าความผิดเพี้ยนที่ระดับ 1.83-4.60% ซึ่งมีคุณภาพดีขึ้น 31.46-51.86% เทียบกับอินเตอร์เตอร์แหล่งจ่ายกระแสมาตรฐาน 2.67-6.98% ตลอดย่านระดับความเข้มแสง 5 – 100% โดยมีค่าความเพี้ยนสัญญาณต่ำสุด 1.83% ที่ค่าความเข้มของแสง 50% ซึ่งเป็นย่านที่ความเข้มแสงที่ใกล้เคียงกับการใช้งานจริงมากที่สุด นอกจากนี้ค่าความเครียดแรงดันและกระแสลดลง 3.99 % และ 15.77% ตามลำดับ ประสิทธิภาพของอินเวอร์เตอร์ที่นำเสนอมีประสิทธิภาพสูงกว่าอินเวอร์เตอร์แหล่งจ่ายกระแสมาตรฐาน ตลอดย่านระดับความเข้มทดสอบที่ระดับ 99.55-97.47% เทียบกับ 95.30-94.44% ซึ่งเมื่อพิจารณาประสิทธิภาพยูโรเปียนได้ว่า ค่าประสิทธิภาพของอินเวอร์เตอร์ที่นำเสนอมีค่า 98.89% เทียบกับ อินเวอร์เตอร์มาตรฐาน 95.01% ซึ่งสูงขึ้นโดยเฉลี่ย 3.88%