Large scale photovoltaic power plants: configuration, integration and control

Abstract

This thesis focuses on the operation and control of Large Scale Photovoltaic Power Plants (LS-PVPPs) according to grid code requirements with a special focus on the basic unit: the PV generator. The aim of this thesis is to study to what extent a PV generator can be controlled to comply with the plant operators requirements considering the capability curves under variable solar irradiance and temperature. In this sense, four challenges were identified: system integration, technical limitations and capability curves, dynamic modelling, and control. These challenges are addressed by a comprehensive literature review, mathematical analysis, and a series of detailed simulations. A thorough literature review of the current technology and topologies used in LS-PVPPs is performed, concluding that the central topology and radial configuration are the layouts most widely used. Additionally, grid codes presented by Germany, Puerto Rico, South Africa, Romania, and China are deeply analysed. A comparison of these grid codes is developed considering: fault ride through capability, frequency and voltage stability supprt as well as active and reactive power management. In addition a broad discussion about the challenges that the LS-PVPPs have to overcome is pesented together with the compliant technology and future trend.According to this review, one of the challenges to overcome is the understanding of the PV generator’s operation in LS- PVPPs. Thus, an analysis of its technical limitations and capability curves is essential in order to improve its control. In this thesis, a mathematical analysis to extract the PV generator’s capability curves is developed. These curves are characterized by four main parameters: solar irradiance, ambient temperature, dc voltage and modulation index. These values are dependent on each other in order to obtain the complete curve. In the case where the dc voltage is equal to a single value, the point of operation is limited by the solar irradiance and temperature. However, when the dc voltage varies in a safe range, the PV generator can work in a wider area for the same solar irradiance and temperature. The validation of these curves is tested in steady state under variable solar irradiance, ambient temperature, dc voltage and modulation index. In addition, this thesis analyses how the dynamic response of a PV generator is affected by its capability curves under quick variations of solar irradiance and different temperature values.Taking into consideration the capability curves and the photovoltaic power plant operation’s requirements, the PV generator’s control of active and reactive power is addressed. In this thesis, power curtailment and the control of power reserves are addressed under variable solar irradiance and temperature. Additionally, the control of reactive power is developed by the variation of the dc voltage and the modulation index value according to the instantaneous capability curve under the specific ambient conditions. The validation of the different studies is developed in DIgSILENT Power Factory. The simulations consider the PV generator performance under variable solar conditions and different references of active and reactive power. The results showed that an adequate control of the active and the reactive power of the PV generator taking into account the capability curves could help to comply with the power plant operator’s requirements.

Esta tesis se centra en la operación y el control de plantas fotovoltaicas de gran escala de acuerdo con los requisitos del código de red con un enfoque especial en su unidad básica: el generador fotovoltaico. El objetivo de esta tesis es estudiar en qué medida se puede controlar un generador fotovoltaico para cumplir con los requisitos del operador de la planta considerando las curvas de capacidad bajo irradiación solar variable y temperatura. En este sentido, se identificaron cuatro desafíos: integración del sistema, limitaciones técnicas y curvas de capacidad, modelado dinámico y control. Estos desafíos se abordan mediante una revisión exhaustiva de la literatura, un análisis matemático y una serie de simulaciones detalladas. Se realiza una revisión exhaustiva de la literatura de la tecnología actual y las topologías utilizadas en estas plantas fotovoltaicas, concluyendo que la topología central y la configuración radial son los diseños más utilizados. Además, los códigos de red presentados por Alemania, Puerto Rico, Sudáfrica, Rumania y China específicos para plantas fotovoltaicas a gran escala se analizan en profundidad. Se desarrolla una comparación de estos códigos de red considerando: respuesta a fallas eléctricas, soporte de frecuencia y voltaje, así como control de potencia activa y reactiva. Además, se presenta una amplia discusión sobre los desafíos que las plantas fotovoltaicas deben superar junto con la tecnología compatible y la tendencia futura. Según el estudio del arte, uno de los desafíos a superar es la comprensión del funcionamiento del generador fotovoltaico en estas plantas a gran escala de potencia. Por lo tanto, un análisis de sus limitaciones técnicas y curvas de capacidad es esencial para mejorar su control. En esta tesis, se desarrolla un análisis matemático para extraer las curvas de capacidad del generador fotovoltaico. Estas curvas se caracterizan por cuatro parámetros principales: irradiancia solar, temperatura ambiente, voltaje de continua e índice de modulación. Estos valores dependen uno del otro para obtener la curva completa. En el caso donde la tensión de continua es igual a un valor único, el punto de operación está limitado por la radiación solar y la temperatura. Sin embargo, cuando el voltaje de continua varía en un rango seguro, el generador fotovoltaico puede trabajar en un área más amplia para la misma irradiancia solar y temperatura. La validación de estas curvas se prueba en estado estable bajo irradiación solar variable, temperatura ambiente, voltaje de continua e índice de modulación. Además, esta tesis analiza cómo la respuesta dinámica de un generador fotovoltaico se ve afectada por sus curvas de capacidad bajo variaciones rápidas de radiación solar y diferentes valores de temperatura. Teniendo en cuenta las curvas de capacidad y los requisitos de operación de la planta de energía fotovoltaica, se aborda el control del generador fotovoltaico de la potencia activa y reactiva. En esta tesis, la reducción de potencia y el control de las reservas de potencia se abordan bajo una irradiación y temperatura solar variables. Además, el control de la potencia reactiva se desarrolla mediante la variación del voltaje de continua y el valor del índice de modulación de acuerdo con la curva de capacidad instantánea en las condiciones ambientales específicas. La validación de los diferentes estudios se desarrolla en DIgSILENT PowerFactory. Las simulaciones consideran el rendimiento del generador fotovoltaico en condiciones solares variables y diferentes referencias de potencia activa y reactiva. Los resultados mostraron que un control adecuado de la potencia activa y reactiva del generador fotovoltaico teniendo en cuenta las curvas de capacidad podría ayudar a cumplir con los requisitos del operador de la central eléctrica.