power electronics in renewable energy systems

7/22/2019 Power Electronics in Renewable Energy Systems

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Power E l e c t r o n i c s in Renewable Energy S y s t e m sF r e d e B l a a b j e r g , F l o r i n l o v , Remus T e o d o r e s c u , Zhe Chen

A a l b o r g U n i v e r s i t y , I n s t i t u t e o f E n e r g y T e c h n o l o g yP o n t o p p i d a n s t r a e d e 1 0 1 , D K - 9 2 2 0 A a l b o r g E a s t , D e n m a r kA b s t r a c the g l o b a l e l e c t r i c a l e n e r g y c o n s u m p t i o n i s s t i l lr i s i n g a n d t h e r e i s a s t e a d y demand t o i n c r e a s e t h e powerc a p a c i t y . I t i s e x p e c t e d t h a t i t h a s t o b e d o u b l e d w i t h i n 2 0y e a r s . The p r o d u c t i o n , d i s t r i b u t i o n a n d u s e o f t h e e n e r g ys h o u l d b e a s t e c h n o l o g i c a l e f f i c i e n t a s p o s s i b l e a n di n c e n t i v e s t o s a v e e n e r g y a t t h e e n d- us e r s h o u l d a l s o b e s e tu p . D e r e g u l a t i o n o f e n e r g y h a s l o w e r e d t h e i n v e s t m e n t i nl a r g e r p o w e r p l a n t s , w h i c h means t h e n e e d f o r n ewe l e c t r i c a l p o w e r s o u r c e s may b e v e r y h i g h i n t h e n e a rf u t u r e . T w o m a j o r t e c h n o l o g i e s w i l l p l a y i m p o r t a n t r o l e s t os o l v e t h e f u t u r e p r o b l e m s . One i s t o c h a n g e t h e e l e c t r i c a lp o w e r p r o d u c t i o n s o u r c e s f r o m t h e c o n v e n t i o n a l , f o s s i l ( a n ds h o r t t e r m ) b a s e d e n e r g y s o u r c e s t o r e n e w a b l e e n e r g yr e s o u r c e s . An o t h e r i s t o u s e h i g h e f f i c i e n t p o w e r e l e c t r o n i c si n p o w e r g e n e r a t i o n , p o w e r t r a n s m i s s i o n / d i s t r i b u t i o n a n de n d - u s e r a p p l i c a t i o n . T h i s p a p e r d i s c u s s some o f t h e m o s te m e r g i n g r e n e w a b l e e n e r g y s o u r c e s , w i n d e n e r g y a n dp h o t o v o l t a i c , w h i c h b y means o f power e l e c t r o n i c s a r ec h a n g i n g f r o m b e i n g m i n o r e n e r g y s o u r c e s t o b e a c t i n g a si m p o r t a n t p o w e r s o u r c e s i n t h e e n e r g y s y s t e m .

I . I N T R O D U C T I O NI n c l a s s i c a l p o w e r s y s t e m s , l a r g e p o w e r g e n e r a t i o np l a n t s l o c a t e d a t a d e q u a t e g e o g r a p h i c a l p l a c e s p r o d u c em o s t o f t h e p o w e r , w h i c h i s t h e n t r a n s f e r r e d t o w a r d s l a r g ec o n s u m p t i o n c e n t e r s o v e r l o n g d i s t a n c e t r a n s m i s s i o n l i n e s .T h e s y s t e m c o n t r o l c e n t e r s m o n i t o r a n d r e g u l a t e t h ep o w e r s y s t e m c o n t i n u o u s l y t o e n s u r e t h e q u a l i t y o f t h ep o w e r , n a m e l y f r e q u e n c y a n d v o l t a g e . H o w e v e r , n o w t h eo v e r a l l p o w e r s y s t e m i s c h a n g i n g , a l a r g e n u m b e r o fd i s p e r s e d g e n e r a t i o n ( D G ) u n i t s , i n c l u d i n g b o t h r e n e w a b l ea n d n o n - r e n e w a b l e s o u r c e s s u c h a s w i n d t u r b i n e s , w a v eg e n e r a t o r s , p h o t o v o l t a i c ( P V ) g e n e r a t o r s , s m a l l h y d r o ,f u e l c e l l s a n d g a s / s t e a m p o w e r e d C o m b i n e d H e a t a n dP o w e r ( C H P ) s t a t i o n s , a r e b e i n g d e v e l o p e d [ 1 ] - [ 2 ] a n di n s t a l l e d . A w i d e - s p r e a d u s e o f r e n e w a b l e e n e r g y s o u r c e si n d i s t r i b u t i o n n e t w o r k s a n d a h i g h p e n e t r a t i o n l e v e l w i l lb e s e e n i n t h e n e a r f u t u r e many p l a c e s . E . g . D e n m a r k h a sa h i g h p o w e r c a p a c i t y p e n e t r a t i o n ( > 2 0 % ) o f w i n d e n e r g yi n m a j o r a r e a s o f t h e c o u n t r y a n d t o d a y 18 o f t h e w h o l ee l e c t r i c a l e n e r g y c o n s u m p t i o n i s c o v e r e d b y w i n d e n e r g y .T h e m a i n a d v a n t a g e s o f u s i n g r e n e w a b l e e n e r g y s o u r c e sa r e t h e e l i m i n a t i o n o f h a r mf u l e m i s s i o n s a n d i n e x h a u s t i b l er e s o u r c e s o f t h e p r i m a r y e n e r g y . H o w e v e r , t h e m a i nd i s a d v a n t a g e , a p a r t f r o m t h e h i g h e r c o s t s , e . g .p h o t o v o l t a i c , i s t h e u n c o n t r o l l a b i l i t y . T h e a v a i l a b i l i t y o fr e n e w a b l e e n e r g y s o u r c e s h a s s t r o n g d a i l y a n d s e a s o n a lp a t t e r n s a n d t h e p o w e r d e m a n d b y t h e c o n s u m e r s c o u l dh a v e a v e r y d i f f e r e n t c h a r a c t e r i s t i c . T h e r e f o r e , i t i sd i f f i c u l t t o o p e r a t e a p o w e r s y s t e m i n s t a l l e d w i t h o n l yT h i s p a p e r i s a n u p d a t e d v e r s i o n o f a p a p e r p r e s e n t e d a t I C P EC o n f e r e n c e i n 2 0 0 4 , K o r e a

r e n e w a b l e g e n e r a t i o n u n i t s d u e t o t h e c h a r a c t e r i s t i cd i f f e r e n c e s a n d t h e h i g h u n c e r t a i n t y i n t h e a v a i l a b i l i t y o ft h e r e n e w a b l e e n e r g y s o u r c e s .T h e w i n d t u r b i n e t e c h n o l o g y i s o n e o f t h e m o s te m e r g i n g r e n e w a b l e t e c h n o l o g i e s . I t s t a r t e d i n t h e 1 9 8 0 ' e sw i t h a f e w t e n s o f kW p r o d u c t i o n p o w e r t o t o d a y w i t hm u l t i - M W s i z e w i n d t u r b i n e s t h a t a r e b e i n g i n s t a l l e d . I ta l s o m e a n s t h a t w i n d p o w e r p r o d u c t i o n i n t h e b e g i n n i n gd i d n o t h a v e a n y i m p a c t o n t h e p o w e r s y s t e m c o n t r o l b u tnow d u e t o t h e i r s i z e t h e y h a v e t o p l a y a n a c t i v e p a r t i nt h e g r i d . T h e t e c h n o l o g y u s e d i n w i n d t u r b i n e s w a s i n t h eb e g i n n i n g b a s e d o n a s q u i r r e l - c a g e i n d u c t i o n g e n e r a t o rc o n n e c t e d d i r e c t l y t o t h e g r i d . By t h a t p o w e r p u l s a t i o n s i nt h e w i n d a r e a l m o s t d i r e c t l y t r a n s f e r r e d t o t h e e l e c t r i c a lg r i d . F u r t h e r m o r e t h e r e i s n o c o n t r o l o f t h e a c t i v e a n dr e a c t i v e p o w e r , w h i c h t y p i c a l l y a r e i m p o r t a n t c o n t r o lp a r a m e t e r s t o r e g u l a t e t h e f r e q u e n c y a n d t h e v o l t a g e . A st h e p o w e r r a n g e o f t h e t u r b i n e s i n c r e a s e s t h o s e c o n t r o lp a r a m e t e r s b e c o m e m o r e i m p o r t a n t a n d i t i s n e c e s s a r y t oi n t r o d u c e p o w e r e l e c t r o n i c s [ 3 ] a s a n i n t e r f a c e b e t w e e nt h e w i n d t u r b i n e a n d t h e g r i d . T h e p o w e r e l e c t r o n i c s i sc h a n g i n g t h e b a s i c c h a r a c t e r i s t i c o f t h e w i n d t u r b i n e f r o mb e i n g a n e n e r g y s o u r c e t o b e a n a c t i v e p o w e r s o u r c e . T h ee l e c t r i c a l t e c h n o l o g y u s e d i n w i n d t u r b i n e i s n o t n e w . I th a s b e e n d i s c u s s e d f o r s e v e r a l y e a r s [ 6 ] - [ 6 3 ] b u t n o w t h ep r i c e p r . p r o d u c e d kWh i s s o l o w , t h a t s o l u t i o n s w i t hp o w e r e l e c t r o n i c s a r e v e r y a t t r a c t i v e .T h i s p a p e r w i l l f i r s t d i s c u s s t h e b a s i c d e v e l o p m e n t i np o w e r e l e c t r o n i c s a n d p o w e r e l e c t r o n i c c o n v e r s i o n . T h e nd i f f e r e n t w i n d t u r b i n e c o n f i g u r a t i o n s w i l l b e e x p l a i n e db o t h a e r o d y n a m i c a l l y a n d e l e c t r i c a l l y . A l s o d i f f e r e n tc o n t r o l m e t h o d s w i l l b e s h o w n f o r a w i n d t u r b i n e . T h e ya r e n o w a l s o i n s t a l l e d i n r e m o t e a r e a s w i t h g o o d w i n dc o n d i t i o n s ( o f f - s h o r e , o n - s h o r e ) a n d d i f f e r e n t p o s s i b l ec o n f i g u r a t i o n s a r e s h o w n a n d c o m p a r e d . N e x t t h e P V -t e c h n o l o g y i s d i s c u s s e d i n c l u d i n g t h e n e c e s s a r y b a s i cp o w e r e l e c t r o n i c c o n v e r s i o n . P o w e r c o n v e r t e r s a r e g i v e na n d m o r e a d v a n c e d c o n t r o l f e a t u r e s d e s c r i b e d . F i n a l l y , ag e n e r a l t e c h n o l o g y s t a t u s o f t h e w i n d p o w e r a n d t h e PVt e c h n o l o g y i s p r e s e n t e d d e m o n s t r a t i n g s t i l l m o r e e f f i c i e n ta n d a t t r a c t i v e p o w e r s o u r c e s f o r t h e f u t u r e .

I I . MODERN POWER E L E C T R O N I C S AND S Y S T E M SP o w e r e l e c t r o n i c s h a s c h a n g e d r a p i d l y d u r i n g t h e l a s tt h i r t y y e a r s a n d t h e n u m b e r o f a p p l i c a t i o n s h a s b e e ni n c r e a s i n g , m a i n l y d u e t o t h e d e v e l o p m e n t s o f t h es e m i c o n d u c t o r d e v i c e s a n d t h e m i c r o p r o c e s s o rt e c h n o l o g y . F o r b o t h c a s e s h i g h e r p e r f o r m a n c e i s s t e a d i l yg i v e n f o r t h e s a m e a r e a o f s i l i c o n , a n d a t t h e s a m e t i m et h e y a r e c o n t i n u o u s l y r e d u c i n g i n p r i c e . F i g . 1 s h o w s at y p i c a l p o w e r e l e c t r o n i c s y s t e m c o n s i s t i n g o f a p o w e r

c o n v e r t e r , a l o a d / s o u r c e a n d a c o n t r o l u n i t .T h e p o w e r c o n v e r t e r i s t h e i n t e r f a c e b e t w e e n t h el o a d / g e n e r a t o r a n d t h e g r i d . T h e p o w e r may f l o w i n b o t h

1 - 4 2 4 4 - 0 1 2 1 - 6 / 0 6 / 2 0 . 0 0 2 0 0 6 IEEE I EPE-PEMC 2 0 0 6 , P o r t o r o 2 , S l o v e n i a


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d i r e c t i o n s , o f c o u r s e , d e p e n d e n t o n t o p o l o g y a n da p p l i c a t i o n s .P O w c W f l o

c h a n g e t h e m a t e r i a l f r o m s i l i c o n t o s i l i c o n c a r b i d e , w h i c hmay d r a m a t i c a l l y i n c r e a s e t h e p o w e r d e n s i t y o f p o w e rc o n v e r t e r s .A p p l i a n c e P o w e r c o n v e t e r .I n d u s t r yC o m u r n u i c a t i L o aW i n ~ dP h o t o - v o l t a i cF u e l c e l lO t h l e r s o u r c e s

| R e f e r e n c e ( l o c a l / c e l l r a l i z e d F i g . 1 . P o w e r e l e c t r o n i c s y s t e m w i t h t h e g r i d , l o a d / s o u r c e , p o w e rc o n v e r t e r a n d c o n t r o l .T h r e e i m p o r t a n t i s s u e s a r e o f c o n c e r n u s i n g s u c h as y s t e m . T h e f i r s t o n e i s r e l i a b i l i t y ; t h e s e c o n d i s e f f i c i e n c ya n d t h e t h i r d o n e i s c o s t . F o r t h e moment t h e c o s t o f

p o w e r s e m i c o n d u c t o r d e v i c e s i s d e c r e a s i n g 1 : 5 0 0 e v e r yy e a r f o r t h e s a m e o u t p u t p e r f o r m a n c e a n d t h e p r i c e p r . kWf o r a p o w e r e l e c t r o n i c s y s t e m i s a l s o d e c r e a s i n g . Ane x a m p l e o f a m a s s - p r o d u c e d a n d h i g h c o m p e t i t i v e p o w e re l e c t r o n i c s y s t e m i s a n a d j u s t a b l e s p e e d d r i v e ( A S D ) . T h et r e n d o f w e i g h t , s i z e , n u m b e r o f c o m p o n e n t s a n df u n c t i o n s i n a s t a n d a r d D a n f o s s D r i v e s A / S f r e q u e n c yc o n v e r t e r c a n b e s e e n i n F i g . 2 . I t c l e a r l y s h o w s t h a tp o w e r e l e c t r o n i c c o n v e r s i o n i s s h r i n k i n g i n v o l u m e a n dw e i g h t . I t a l s o s h o w s t h a t m o r e i n t e g r a t i o n i s a n i m p o r t a n tk e y t o b e c o m p e t i t i v e a s w e l l a s m o r e f u n c t i o n s b e c o m ea v a i l a b l e i n s u c h a p r o d u c t .2 0 0

. 1 5 0a )> 1 0 0a)Z 5 0

0

D i o d eS i l i c o n c a r b i d e F E T s

MOS-gated t h y r i s t o r s_CT r e n c h

Insulated-gateSilicon bi p o la r transistors >l l ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ C o o l m o sMOSFETs

| 6 ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ I G C T| ~~~IGTO_B i p o l a r t r a n s i s t o r s

1 9 5 0 b o L 7 0 ( 8 0 9 2 0 0 0 2 0 0 6 2 0 1 0 Y e a rF i g . 3 . D e v e l o p m e n t o f p o w e r s e m i c o n d u c t o r d e v i c e s i n t h e p a s t a n d i nt h e f u t u r e [ 3 4 ] .

I I I . WIND ENERGY C O NVERSIO NW i n d t u r b i n e s c a p t u r e p o w e r f r o m t h e w i n d b y m e a n so f a e r o d y n a m i c a l l y d e s i g n e d b l a d e s a n d c o n v e r t i t t or o t a t i n g m e c h a n i c a l p o w e r . T h e n u m b e r o f b l a d e s i sn o r m a l l y t h r e e . A s t h e b l a d e t i p - s p e e d t y p i c a l l y s h o u l d b el o w e r t h a n h a l f t h e s p e e d o f s o u n d t h e r o t a t i o n a l s p e e dw i l l d e c r e a s e a s t h e r a d i u s o f t h e b l a d e i n c r e a s e s . F o rm u l t i - M W w i n d t u r b i n e s t h e r o t a t i o n a l s p e e d w i l l b e 1 0 -

1 5 r p m . T h e m o s t w e i g h t e f f i c i e n t way t o c o n v e r t t h e l o w -s p e e d , h i g h - t o r q u e p o w e r t o e l e c t r i c a l p o w e r i s t o u s e ag e a r - b o x a n d a s t a n d a r d f i x e d s p e e d g e n e r a t o r a si l l u s t r a t e d i n F i g . 4W i n d p o w e r

/ f R o t o r1 41 9 6 8 1 9 8 3 1 9 8 8 1 9 9 3 1 9 9 8

Y e a r| Components * ' F u n c t i o n s| S i z e ( v o l u m e ) } - O - W e i g h t

F i g . 2 . D e v e l o p m e n t o f a 4 kW s t a n d a r d a d j u s t a b l e s p e e d d r i v e f o r 3 0y e a r s [ 5 ] . T h e e v o l u t i o n o v e r t h e y e a r s a s a r e l a t i v e n u m b e r o fc o m p o n e n t s , f u n c t i o n s , v o l u m e a n d w e i g h t a r e s h o w n .T h e k e y d r i v e r o f t h i s d e v e l o p m e n t i s t h a t t h e p o w e re l e c t r o n i c d e v i c e t e c h n o l o g y i s s t i l l u n d e r g o i n g i m p o r t a n tp r o g r e s s . F i g . 3 s h o w s d i f f e r e n t p o w e r d e v i c e s a n d t h ea r e a s w h e r e t h e d e v e l o p m e n t i s s t i l l g o i n g o n .T h e o n l y p o w e r d e v i c e w h i c h i s n o t u n d e r d e v e l o p m e n ta n y m o r e i s t h e s i l i c o n - b a s e d p o w e r b i p o l a r t r a n s i s t o rb e c a u s e M O S - g a t e d d e v i c e s a r e p r e f e r a b l e i n t h e s e n s e o fe a s y c o n t r o l . T h e b r e a k d o w n v o l t a g e a n d / o r c u r r e n t

c a r r y i n g c a p a b i l i t y o f t h e c o m p o n e n t s a r e a l s oc o n t i n u o u s l y i n c r e a s i n g . I m p o r t a n t r e s e a r c h i s g o i n g o n t o

M l e c h a n i c a l P o w e l -G e a r b o x ( o p t i o n a l ) G e n e r a t o r P o w e r c o n v e r t e r( o p t i o n a l )

c T O

E l e c t r i c a l P o w e rS u p p l y g r i dr r I l C o n s u m e rP o w e r c o n v e r s i o n & P o w e r r a n s m i s s i o n P o w e r c o n v e r s i o n P o w e r c o n v e r s i o n & P o w o r t r a n s m i s s i o np o w e r c o n t r o l p o w o r c o n t r o l

F i g . 4 . C o n v e r t i n g w i n d p o w e r t o e l e c t r i c a l p o w e r i n a w i n d t u r b i n e[ 1 7 ] .T h e g e a r - b o x i s o p t i o n a l a s m u l t i - p o l e g e n e r a t o rs y s t e m s a r e p o s s i b l e s o l u t i o n s . B e t w e e n t h e g r i d a n d t h eg e n e r a t o r a p o w e r c o n v e r t e r c a n b e i n s e r t e d .T h e p o s s i b l e t e c h n i c a l s o l u t i o n s a r e many a n d i n F i g . 5i s s h o w n a t e c h n o l o g i c a l r o a d m a p s t a r t i n g w i t h w i n de n e r g y / p o w e r a n d c o n v e r t i n g t h e m e c h a n i c a l p o w e r i n t oe l e c t r i c a l p o w e r . T h e e l e c t r i c a l o u t p u t c a n e i t h e r b e a c o rd c . I n t h e l a s t c a s e a p o w e r c o n v e r t e r w i l l b e u s e d a si n t e r f a c e t o t h e g r i d . I n t h e f o l l o w i n g s e c t i o n s , s o m ed i f f e r e n t w i n d t u r b i n e c o n f i g u r a t i o n s w i l l b e p r e s e n t e da n d c o m p a r e d .

2


3/17

F i g . 5 . T e c h n ol o g i c a l r o a d map f o r w i n d e n e r g y c o n v e r si o n ( [ 1 5 ] a n d [ 2 2 ] ) .

A . F i x e d S p e e d W i n d T u r b i n e sT h e d e v e l o p m e n t i n w i n d t u r b i n e s y s t e m s h a s b e e ns t e a d y f o r t h e l a s t 2 5 y e a r s a n d f o u r t o f i v e g e n e r a t i o n s o fw i n d t u r b i n e s e x i s t a n d i t i s n o w p r o v e n t e c h n o l o g y . I t i si m p o r t a n t t o b e a b l e t o c o n t r o l a n d l i m i t t h e c o n v e r t e dm e c h a n i c a l p o w e r a t h i g h e r w i n d s p e e d , a s t h e p o w e r i nt h e w i n d i s a c ub e o f t h e w i n d s p e e d . T h e p o w e r l i m i t a t i o nmay b e d o n e e i t h e r b y s t a l l c o n t r o l ( t h e b l a d e p o s i t i o n i sf i x e d b u t s t a l l o f t h e w i n d a p p e a r s a l o n g t h e b l a d e a th i g h e r w i n d s p e e d ) , a c t i v e s t a l l ( t h e b l a d e a n g l e i sa d j u s t e d i n o r d e r t o c r e a t e s t a l l a l o n g t h e b l a d e s ) o r p i t c hc o n t r o l ( t h e b l a d e s a r e t u r n e d o u t o f t h e w i n d a t h i g h e rw i n d s p e e d ) . T h e w i n d t u r b i n e t e c h n o l o g y c a n b a s i c a l l yb e d i v i d e d i n t o t h r e e c a t e g o r i e s : t h e f i r s t c a t e g o r y i ss y s t e m s w i t h o u t p o w e r e l e c t r o n i c s , t h e s e c o n d c a t e g o r y i sw i n d t u r b i n e s w i t h p a r t i a l l y r a t e d p o w e r e l e c t r o n i c s ( s m a l lPE c o n v e r t e r i n F i g . 5 ) a n d t h e l a s t i s t h e f u l l - s c a l e p o w e re l e c t r o n i c i n t e r f a c e d w i n d t u r b i n e s y s t e m s ( l a r g e PEc o n v e r t e r i n F i g . 5 ) . F i g . 6 s h o w s d i f f e r e n t t o p o l o g i e s f o rt h e f i r s t c a t e g o r y o f w i n d t u r b i n e s w h e r e t h e s p e e d o f t h ew i n d t u r b i n e i s f i x e d .

I n d u c t i o ng e n e r a t o r

( 7 ) P i t c h C o n t r o l l e d S t a l l@c t i v e S t a l l C o n t r o l l e dR e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t o r

F i g . 6 . F i x e d s p e e d w i n d t u r b i n e s y s t e m s w i t h a e r od yn a mi c p o w e rc o n t r o l a n d s o f t - s t a r t e r f o r s m o o t h g r i d c o n n e c t i o n .T h e w i n d t u r b i n e s y s t e m s i n F i g . 6 a r e u s i n g i n d u c t i o ng e n e r a t o r s , w h i c h o p e r a t e a t f i x e d s p e e d ( v a r i a t i o n o f 1 -2 % ) a l m o s t i n d e p e n d e n t o f t o r q u e v a r i a t i o n . T h e p o w e r i sl i m i t e d a e r o d y n a m i c a l l y e i t h e r b y s t a l l , a c t i v e s t a l l o r b y

p i t c h c o n t r o l . A l l t h r e e s y s t e m s a r e u s i n g a s o f t - s t a r t e r i no r d e r t o r e d u c e t h e i n r u s h c u r r e n t a n d t h e r e b y l i m i t f l i c k e rp r o b l e m s o n t h e g r i d . T h e y a l s o n e e d a r e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t o r t o r e d u c e ( a l m o s t e l i m i n a t e ) t h e r e a c t i v ep o w e r c o n s u m p t i o n f r o m t h e t u r b i n e g e n e r a t o r s . I t i su s u a l l y d o n e b y c o n t i n u o u s l y s w i t c h i n g c a p a c i t o r b a n k sf o l l o w i n g t h e p r o d u c t i o n v a r i a t i o n ( 5 - 2 5 s t e p s ) . T h o s es o l u t i o n s a r e a t t r a c t i v e d u e t o c o s t a n d r e l i a b i l i t y b u t t h e ya r e n o t a b l e v e r y f a s t ( w i t h i n a f e w m s ) t o c o n t r o l t h ea c t i v e p o w e r . F u r t h e r m o r e w i n d - g u s t s may c a u s e t o r q u ep u l s a t i o n s i n t h e d r i v e - d r a i n a n d l o a d t h e g e a r - b o xs i g n i f i c a n t l y . T h e b a s i c p o w e r c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e t h r e ed i f f e r e n t f i x e d s p e e d c o n c e p t s a r e s h o w n i n F i g . 7 w h e r et h e p o w e r i s l i m i t e d a e r o d y n a m i c a l l y .

1 0 1 5w i n d s p e e d [ m l s e c ]F i g . 7 . P o w e r c h a r a c t e r i s t i c s o f d i f f e r e n t f i x e d s p e e d w i n d t u r b i n es y s t e m s .F i g . 7 s h o w s t h a t b y r o t a t i n g t h e b l a d e s e i t h e r b y p i t c ho r a c t i v e s t a l l c o n t r o l i t i s p o s s i b l e p r e c i s e t o l i m i t t h ep o w e r w h i l e t h e m e a s u r e d p o w e r f o r t h e s t a l l c o n t r o l l e d

t u r b i n e s h o w s a s m a l l o v e r s h o o t . T h i s d e p e n d s c o m p l e t e l yo n t h e a e r o d y n a m i c d e s i g n o f t h e b l a d e s .

3


4/17

B . V a r i a b l e S p e e d W i n d T u r b i n e sT h e n e x t c a t e g o r y i s w i n d t u r b i n e s y s t e m s w i t h p a r t i a l l yr a t e d p o w e r c o n v e r t e r s a n d b y t h a t i m p r o v e d c o n t r o lp e r f o r m a n c e c a n b e o b t a i n e d . F i g . 8 s h o w s t w o s u c hs o l u t i o n s .8

Gear-b o xP i t c h :

l o u n d e d R o t o rI n d u c t i o ng e n e r a t o r

T h e t h i r d c a t e g o r y i s w i n d t u r b i n e s s y s t e m s w i t h a f u l l -s c a l e p o w e r c o n v e r t e r b e t w e e n t h e g e n e r a t o r a n d g r i d ,w h i c h a r e t h e u l t i m a t e p o w e r e l e c t r o n i c s o l u t i o n s . E x t r al o s s e s a p p e a r i n t h e p o w e r c o n v e r s i o n b u t i t may b eg a i n e d b y t h e a d d e d t e c h n i c a l p e r f o r m a n c e . F i g . 9 s h o w sf o u r p o s s i b l e , b u t n o t e x h a u s t i v e , s o l u t i o n s u s i n g f u l l - s c a l ep o w e r c o n v e r t e r s o l u t i o n s .

i . X S 4 L ACa )

D o u b l y - f e dI n d u c t i o ng e n e r a t o r-Gearbox p

i Gz~~~~~~~r b o xS y n c h r o n o u s G i e n e r a t o r b )r

P i t c h

P r e f Q r e fF i g . 8 . W i n d t u r b i n e s y st e ms w i t h p a r t i a l l y r a t e d p o w e r e l e c t r o n i c s a n dl i m i t e d s p e e d r a n g e : a ) r o t o r r e s i s t a n c e c o n v e r t e r ( S y s t e m I V ) a n d b )d o u b l y - f e d i n d u c t i o n g e n e r a t o r ( S y s t e m V ) .

F i g . 8 s h o w s a w i n d t u r b i n e s y s t e m w h e r e t h e g e n e r a t o ri s a n i n d u c t i o n g e n e r a t o r w i t h a w o u n d e d r o t o r . An e x t r ar e s i s t a n c e i s a d d e d i n t o t h e r o t o r , w h i c h c a n b e c o n t r o l l e db y p o w e r e l e c t r o n i c s . T h i s i s a d y n a m i c s l i p c o n t r o l l e r a n dg i v e s a v a r i a b l e s p e e d r a n g e o f 2 - 5 0 . T h e p o w e rc o n v e r t e r f o r t h e r o t o r r e s i s t a n c e c o n t r o l i s l o w v o l t a g e b u th i g h c u r r e n t s . A t t h e s a m e t i m e a n e x t r a c o n t r o l f r e e d o mi s o b t a i n e d a t h i g h e r w i n d s p e e d s i n o r d e r t o k e e p t h eo u t p u t p o w e r f i x e d . T h i s s o l u t i o n s t i l l n e e d s a s o f t s t a r t e ra n d a r e a c t i v e p o w e r c o m p e n s a t o r , w h i c h i s a c t i v e i nc o n t i n u o u s o p e r a t i o n .A s e c o n d s o l u t i o n o f u s i n g a m e d i u m s c a l e p o w e rc o n v e r t e r w i t h a w o u n d e d r o t o r i n d u c t i o n g e n e r a t o r i ss h o w n i n F i g . 8 b . S l i p - r i n g s a r e m a k i n g t h e e l e c t r i c a lc o n n e c t i o n t o t h e r o t o r . A p o w e r c o n v e r t e r c o n t r o l s t h er o t o r c u r r e n t s .I f t h e g e n e r a t o r i s r u n n i n g s u p e r - s y n c h r o n o u s l ye l e c t r i c a l p o w e r i s f l o w i n g t h r o u g h b o t h t h e r o t o r a n d t h es t a t o r . I f t h e g e n e r a t o r i s r u n n i n g s u b - s y n c h r o n o u s l ye l e c t r i c a l p o w e r i s d e l i v e r e d i n t o t h e r o t o r f r o m t h e g r i d . As p e e d v a r i a t i o n o f 3 0 0 a r o u n d s y n c h r o n o u s s p e e d c a nb e o b t a i n e d b y t h e u s e o f a p o w e r c o n v e r t e r o f 3 0 0 o fn o m i n a l p o w e r . F u r t h e r m o r e , i t i s p o s s i b l e t o c o n t r o l b o t ha c t i v e ( P r e f ) a n d r e a c t i v e p o w e r ( Q r e f ) , w h i c h g i v e s ab e t t e r g r i d p e r f o r m a n c e , a n d t h e p o w e r e l e c t r o n i c s i se n a b l i n g t h e w i n d t u r b i n e t o a c t a s a d y n a m i c p o w e rs o u r c e t o t h e g r i d .T h e l a s t s o l u t i o n n e e d s n e i t h e r a s o f t - s t a r t e r n o r ar e a c t i v e p o w e r c o m p e n s a t o r . T h e s o l u t i o n i s n a t u r a l l y al i t t l e b i t m o r e e x p e n s i v e c o m p a r e d t o t h e c l a s s i c a ls o l u t i o n s s h o w n b e f o r e i n F i g . 7 a n d F i g . 8 a . H o w e v e r , i ti s p o s s i b l e t o s a v e m o n e y o n t h e s a f e t y m a r g i n o f g e a r ,r e a c t i v e p o w e r c o m p e n s a t i o n u n i t s a s w e l l i t i s p o s s i b l e t oc a p t u r e m o r e e n e r g y f r o m t h e w i n d .

/D C _ , ' A C '

1 0 kW ) i sa r r a n g e d i n many p a r a l l e l s t r i n g s t h a t ar e c o n n e c t e d t o as i n g l e c e n t r a l i n v e r t e r on t h e D C - s i d e ( F i g . 1 7 a ) . T h e s ei n v e r t e r s ar e c h a r a c t e r i z e d b y h i g h e f f i c i e n c y a n d l o w c o s tp r . kW. H o w e v e r , t h e energy y i e l d o f t h e PV p l a n td e c r e a s e s d u e t o m o d u l e m i s m a t c h i n g a n d p o t e n t i a l p a r t i a ls h a d i n g c o n d i t i o n s . A l s o , t h e r e l i a b i l i t y o f t h e p l a n t mayb e l i m i t e d d u e t o t h e d e p e n d e n c e o f p o w e r g e n e r a t i o n on as i n g l e c o m p o n e n t : a f a i l u r e o f t h e c e n t r a l i n v e r t e r r e s u l t si n t h a t t h e w h o l e PV p l a n t i s o u t o f o p e r a t i o n .2 ) S t r i n g i n v e r t e rS i m i l a r t o t h e c e n t r a l i n v e r t e r , t h e PV p l a n t i s d i v i d e di n t o s e v e r a l p a r a l l e l s t r i n g s . E a c h o f t h e PV s t r i n g s i sa s s i g n e d t o a d e s i g n a t e d i n v e r t e r , t h e s o - c a l l e d s t r i n gi n v e r t e r ( s e e F i g . 1 7 b ) . S t r i n g i n v e r t e r s h a v e t h ec a p a b i l i t y o f s e p a r a t e Maximum P o w e r P o i n t ( M P P )t r a c k i n g o f e a c h PV s t r i n g . T h i s i n c r e a s e s t h e energy y i e l db y t h e r e d u c t i o n o f m i s m a t c h i n g a n d p a r t i a l s h a d i n gl o s s e s . T h e s e s u p e r i o r t e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s i n c r e a s et h e energy y i e l d a n d e n h a n c e t h e s u p p l y r e l i a b i l i t y . S t r i n gi n v e r t e r s h a v e e v o l v e d as a s t a n d a r d i n PV s y s t e mt e c h n o l o g y f o r g r i d c o n n e c t e d PV p l a n t s .An e v o l u t i o n o f t h e s t r i n g t e c h n o l o g y a p p l i c a b l e f o rh i g h e r power l e v e l s i s t h e m u l t i - s t r i n g i n v e r t e r . I t a l l o w st h e c o n n e c t i o n o f s e v e r a l s t r i n g s w i t h s e p a r a t e \ P Pt r a c k i n g s y s t e m s ( v i a DC/DC c o n v e r t e r ) t o a commonDC/AC i n v e r t e r . A c c o r d i n g l y , a c o m p a c t a n d c o s t -e f f e c t i v e s o l u t i o n , w h i c h c o m b i n e s t h e a d v a n t a g e s o fc e n t r a l a n d s t r i n g t e c h n o l o g i e s , i s a c h i e v e d . T h i s m u l t i -s t r i n g t o p o l o g y a l l o w s t h e i n t e g r a t i o n o f PV s t r i n g s o fd i f f e r e n t t e c h n o l o g i e s a n d o f v a r i o u s o r i e n t a t i o n s ( s o u t h ,n o r t h , w e s t a n d e a s t ) . T h e s e c h a r a c t e r i s t i c s a l l o w t i m e -s h i f t e d s o l a r p o w e r, w h i c h o p t i m i z e s t h e o p e r a t i o ne f f i c i e n c i e s o f e a c h s t r i n g s e p a r a t e l y . T h e a p p l i c a t i o n areao f t h e m u l t i - s t r i n g i n v e r t e r covers PV p l a n t s o f 3 - 1 0 kW.3 ) M o d u l e i n t e g r a t e d i n v e r t e rT h i s s y s t e m uses o n e i n v e r t e r f o r e a c h m o d u l e ( F i g .1 7 d ) . T h i s t o p o l o g y o p t i m i z e s t h e a d a p t a b i l i t y o f t h ei n v e r t e r t o t h e PV c h a r a c t e r i s t i c s , s i n c e e a c h m o d u l e h a si t s own Maximum P o w e r P o i n t ( M P P ) t r a c k e r . A l t h o u g ht h e m o d u l e - i n t e g r a t e d i n v e r t e r o p t i m i z e s t h e energy y i e l d ,i t h a s a l o w e r e f f i c i e n c y t h a n t h e s t r i n g i n v e r t e r . M o d u l ei n t e g r a t e d i n v e r t e r s ar e c h a r a c t e r i z e d b y a more e x t e n d e dA C - s i d e c a b l i n g , s i n c e e a c h m o d u l e o f t h e PV p l a n t h a s t ob e c o n n e c t e d t o t h e a v a i l a b l e AC g r i d ( e . g . 2 3 0 V / 5 0 H z ) .A l s o , t h e m a i n t e n a n c e processes ar e q u i t e c o m p l i c a t e d ,e s p e c i a l l y f o r f a c a d e - i n t e g r a t e d PV s y s t e m s . T h i s c o n c e p t

7

4

2 1A C - M o d u l e t e c h n o l o g y

0 . -1 k l IL IL -

- - - .u


8/17

c a n b e i m p l e m e n t e d f o r PV p l a n t s o f a b o u t 5 0 - 4 0 0 Wp e a k .B . T o p o l o g i e s f o r P V i n v e r t e r s

T h e PV i n v e r t e r t e c h n o l o g y h a s e v o l v e d q u i t e a l o td u r i n g t h e l a s t y e a r s t o w a r d s m a t u r i t y [ 4 7 ] . S t i l l t h e r e a r ed i f f e r e n t p o w e r c o n f i g u r a t i o n s p o s s i b l e a s s h o w n i n F i g .1 8 .w t h i s o l i o

w t h o u t i s o l a t i o n |w i t h i s o l a t o

F i g . 1 8 . P o w e r c o n f i g u r a t i o n s f o r PV i n v e r t e r s .T h e q u e s t i o n o f h a v i n g a d c - d c c o n v e r t e r o r n o t i s f i r s to f a l l r e l a t e d t o t h e PV s t r i n g c o n f i g u r a t i o n . H a v i n g m o r ep a n e l s i n s e r i e s a n d l o w e r g r i d v o l t a g e , l i k e i n US a n dJ a p a n , i t i s p o s s i b l e t o a v o i d t h e b o o s t f u n c t i o n w i t h a d c -d c c o n v e r t e r . T h u s a s i n g l e s t a g e PV i n v e r t e r c a n b e u s e dl e a d i n g t o h i g h e r e f f i c i e n c i e s .T h e i s s u e o f i s o l a t i o n i s m a i n l y r e l a t e d t o s a f e t ys t a n d a r d s a n d i s f o r t h e moment o n l y r e q u i r e d i n U S . T h ed r a w b a c k o f h a v i n g s o many p a n e l s i n s e r i e s i s t h a t MPPTi s h a r d e r t o a c h i e v e e s p e c i a l l y d u r i n g p a r t i a l s h a d i n g , a sd e m o n s t r a t e d i n [ 4 8 ] . I n t h e f o l l o w i n g , t h e d i f f e r e n t PVi n v e r t e r p o w e r c o n f i g u r a t i o n s a r e d e s c r i b e d i n m o r ed e t a i l s .1 ) P V i n v e r t e r s w i t h DC-DC c o n v e r t e r a n d i s o l a t i o nT h e i s o l a t i o n i s t y p i c a l l y a c q u i r e d u s i n g a t r a n s f o r m e r

t h a t c a n b e p l a c e d o n e i t h e r t h e g r i d f r e q u e n c y s i d e ( L F )a s s h o w n i n F i g . 1 9 a o r o n t h e h i g h - f r e q u e n c y ( H F ) s i d e i nt h e d c - d c c o n v e r t e r a s s h o w n i n F i g . 1 9 b . T h e HFt r a n s f o r m e r l e a d s t o m o r e c o m p a c t s o l u t i o n s b u t h i g h c a r es h o u l d b e t a k e n i n t h e t r a n s f o r m e r d e s i g n i n o r d e r t o k e e pt h e l o s s e s l o w .

a )

AV DC A Cb )

F i g . 1 9 . PV i n v e r t e r s y s t e m w i t h DC-DC c o n v e r t e r a n d i s o l a t i o nt r a n s f o r m e r :a ) o n t h e Lo w F r e q u e n c y ( L F ) s i d e a n db ) o n t h e H i g h F r e q u e n c y ( H F ) s i d eI n F i g . 2 0 a PV i n v e r t e r w i t h a n HF t r a n s f o r m e r u s i n ga n i s o l a t e d p u s h - p u l l b o o s t c o n v e r t e r i s p r e s e n t e d [ 4 9 ] .I n t h i s s o l u t i o n t h e d c - a c i n v e r t e r i s a l o w c o s t i n v e r t e rs w i t c h e d a t t h e l i n e f r e q u e n c y . T h e new s o l u t i o n s o n t h em a r k e t a r e u s i n g PWM d c - a c i n v e r t e r s w i t h I G B T ' ss w i t c h e d t y p i c a l l y a t 1 0 - 2 0 k H z l e a d i n g t o a b e t t e r p o w e r

q u a l i t y p e r f o r m a n c e .

H i g h n f r e q u e n c y 9 F i l t e r Gr u i i ti n v e r t e r G r d

A i g h f r e q u e n c yP V t r a n s f o r m n e rA r r a y H i g h f r e q u e n c y L i n e f r e q u e n c y | j ~ ~ ~ b r i d g e i n v e r t e r

F i g . 2 0 . PV i n v e r t e r w i t h a h i gh f r e q ue n c y t r a n s f o r m e r i n t h e d c - d cc o n v e r t e r .O t h e r s o l u t i o n s f o r h i g h f r e q u e n c y d c - d c c o n v e r t e r sw i t h i s o l a t i o n i n c l u d e : f u l l - b r i d g e i s o l a t e d c o n v e r t e r ,S i n g l e - I n d u c t o r p u s h - p u l l C o n v e r t e r ( S I C ) a n d D o u b l e -I n d u c t o r C o n v e r t e r ( D I C ) [ 5 0 ] .I n o r d e r t o k e e p t h e m a g n e t i c c o m p o n e n t s s m a l l h i g hs w i t c h i n g f r e q u e n c i e s i n t h e r a n g e o f 2 0 1 0 0 k H z a r et y p i c a l l y e m p l o y e d . T h e f u l l - b r i d g e c o n v e r t e r i s u s u a l l yu t i l i z e d a t p o w e r l e v e l s a b o v e 7 5 0 W. T h e a d v a n t a g e s o ft h i s t o p o l o g y a r e : g o o d t r a n s f o r m e r u t i l i z a t i o n b i p o l a rm a g n e t i z a t i o n o f t h e c o r e , g o o d p e r f o r m a n c e w i t h c u r r e n t

p r o g r a m m e d c o n t r o l r e d u c e d DC m a g n e t i z a t i o n o ft r a n s f o r m e r . T h e m a i n d i s a d v a n t a g e s i n c o m p a r i s o n w i t hp u s h - p u l l t o p o l o g y a r e t h e h i g h e r a c t i v e p a r t c o u n t a n d t h eh i g h e r t r a n s f o r m e r r a t i o n e e d e d f o r b o o s t i n g t h e d cv o l t a g e t o t h e g r i d l e v e l .T h e s i n g l e i n d u c t o r p u s h - p u l l c o n v e r t e r c a n p r o v i d eb o o s t i n g f u n c t i o n o n b o t h t h e b o o s t i n g i n d u c t o r a n dt r a n s f o r m e r , r e d u c i n g t h e t r a n s f o r m e r r a t i o . T h u s h i g h e re f f i c i e n c y c a n b e a c h i e v e d t o g e t h e r w i t h s mo o t h e r i n p u tc u r r e n t . On t h e n e g a t i v e s i d e h i g h e r b l o c k i n g v o l t a g es w i t c h e s a r e r e q u i r e d a n d t h e t r a n s f o r m e r w i t h t a p p o i n tp u t s s o m e c o n s t r u c t i o n a n d r e l i a b i l i t y p r o b l e m s .T h o s e s h o r t c o mi n g s c a n b e a l l e v i a t e d u s i n g t h e d o u b l ei n d u c t o r p u s h - p u l l c o n v e r t e r ( D I C ) w h e r e t h e b o o s ti n d u c t o r h a s b e e n s p l i t i n t w o . A c t u a l l y t h i s t o p o l o g y i se q u i v a l e n t w i t h t w o i n t e r - l e a v e d b o o s t c o n v e r t e r s l e a d i n gt o l o w e r r i p p l e i n t h e i n p u t c u r r e n t . T h e t r a n s f o r m e rc o n s t r u c t i o n i s m o r e s i m p l e n o t r e q u i r i n g a t a p p o i n t . T h es i n g l e d i s a d v a n t a g e o f t h i s t o p o l o g y r e m a i n s t h e n e e d f o ra n e x t r a i n d u c t o r .2 ) P V i n v e r t e r s w i t h DC-DC c o n v e r t e r w i t h o u ti s o l a t i o nI n s o m e c o u n t r i e s a s t h e g r i d - i s o l a t i o n i s n o t m a n d a t o r y ,m o r e s i m p l i f i e d PV i n v e r t e r d e s i g n c a n b e u s e d , l i k es h o w n i n F i g . 2 1 .

a )

b )F i g . 2 1 . PV i n v e r t e r s y s t e m w i t h DC-DC c o n v e r t e r w i t h o u t i s o l a t i o nt r a n s f o r m e r a ) G e n e r a l d i a g r a m a n d b ) P r a c t i c a l e x a m p l e w i t h b o o s tc o n v e r t e r a n d f u l l - b r i d g e i n v e r t e r .

8


9/17

I n F i g . 2 l b a p r a c t i c a l e x a m p l e [ 5 1 ] u s i n g a s i m p l eb o o s t c o n v e r t e r i s s h o w n .3 ) P V i n v e r t e r s w i t h o u t DC-DC c o n v e r t e rT h e b l o c k d i a g r a m o f t h i s t o p o l o g y i s s h o w n i n F i g 2 2 a .

a )

b )F i g . 2 2 . PV s y s t e m w i t h o u t DC-DC c o n v e r t e r a n d w i t h i s o l a t i o nt r a n s f o r m e r : a ) G e n e r a l d i a g r a m a n d b ) P r a c t i c a l e x a m p l e w i t h f u l l -b r i d g e c o n v e r t e r a n d g r i d s i d e t r a n s f o r m e r .

I n F i g . 2 2 b a r e p r e s e n t e d t w o t o p o l o g i e s o f PV i n v e r t e r si n w h i c h a l i n e f r e q u e n c y t r a n s f o r m e r i s u s e d . F o r h i g h e rp o w e r l e v e l s , s e l f - c o m m u t a t e d i n v e r t e r s u s i n g t h y r i s t o r smay b e u s e d [ 5 1 ] .4 ) P V i n v e r t e r s w i t h o u t DC-DC c o n v e r t e r a n dw i t h o u t i s o l a t i o nT h i s t o p o l o g y i s s h o w n i n F i g . 2 3 a .

E 3 ~ ~ DV ) G r i da )F u l l B r i d g eI n v e r t e r

A n o t h e r i n t e r e s t i n g PV i n v e r t e r t o p o l o g y w i t h o u t b o o s ta n d i s o l a t i o n c a n b e a c h i e v e d u s i n g a m u l t i l e v e l c o n c e p t .G r i d c o n n e c t e d p h o t o v o l t a i c s y s t e m s w i t h a f i v e l e v e lc a s c a d e d i n v e r t e r i s p r e s e n t e d i n F i g . 2 3 c [ 4 9 ] . T h er e d u n d a n t i n v e r t e r s t a t e s o f t h e f i v e l e v e l c a s c a d e di n v e r t e r a l l o w f o r a c y c l i c s w i t c h i n g s c h e m e w h i c hm i n i m i z e s t h e s w i t c h i n g f r e q u e n c y , e q u a l i z e s s t r e s se v e n l y o n a l l s w i t c h e s a n d m in i mi z e s t h e v o l t a g e r i p p l e o nt h e DC c a p a c i t o r sC . C o n t r o l o f P V i n v e r t e r s1 ) C o n t r o l o f DC-DC b o o s t c o n v e r t e rI n o r d e r t o c o n t r o l t h e o u t p u t d c - v o l t a g e t o a d e s i r e dv a l u e , a c o n t r o l s y s t e m i s n e e d e d w h i c h a u t o m a t i c a l l y c a na d j u s t t h e d u t y c y c l e , r e g a r d l e s s o f t h e l o a d c u r r e n t o ri n p u t c h a n g e s . T h e r e a r e a t l e a s t t w o t y p e s o f c o n t r o l f o rt h e d c - d c c o n v e r t e r s : t h e d i r e c t d u t y - c y c l e c o n t r o l a n d t h ec u r r e n t c o n t r o l [ 5 3 ] .D i r e c t d u t y c y c l e - T h e o u t p u t v o l t a g e i s m e a s u r e d a n dt h e n c o m p a r e d t o t h e r e f e r e n c e . T h e e r r o r s i g n a l i s u s e d a si n p u t i n t h e c o m p e n s a t o r , w h i c h w i l l c a l c u l a t e i t f r o m t h ed u t y - c y c l e r e f e r e n c e f o r t h e p u l s e - w i d t h m o d u l a t o rC u r r e n t c o n t r o l - T h e c o n v e r t e r o u t p u t i s c o n t r o l l e d b yt h e c h o i c e o f t h e t r a n s i s t o r p e a k c u r r e n t . T h e c o n t r o ls i g n a l i s a c u r r e n t a n d a s i m p l e c o n t r o l n e t w o r k s w i t c h e so n a n d o f f t h e t r a n s i s t o r s u c h i t s p e a k c u r r e n t f o l l o w s t h ec o n t r o l i n p u t . T h e c u r r e n t c o n t r o l , i n t h e c a s e o f a ni s o l a t e d b o o s t p u s h - p u l l c o n v e r t e r h a s s o m e a d v a n t a g e sa g a i n s t t h e d u t y - c y c l e c o n t r o l e . g . s i m p l e r d y n a m i c s( r e m o v e s o n e p o l e f r o m t h e c o n t r o l t o o u t p u t t r a n s f e rf u n c t i o n ) . A l s o a s i t u s e s a c u r r e n t s e n s o r i t c a n p r o v i d e ab e t t e r p r o t e c t i o n o f t h e s w i t c h b y l i m i t i n g t h e c u r r e n t t oa c c e p t a b l e l e v e l s .

v C a t mFlr) r ,z ~~~~l.AtD C ( t )Enu~ ~o t 0 . Covrer-S O - d S i g ~ ~ ~ at i l i t yG r i d

D C ( t 1 )

to.-

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~i. . a d ( t ) O teV r e f + / - C o m a r a o l n d ( t ) j v itR a b x - l Y - 0 ) C o m p e n s a t o r o n t r o l l e r r [ c

svthrf | i m v i t c h t

b )

d 2

C)F i g . 2 3 . T r a n s f o r m e r - l e s s PV i n v e r t e r s y s t e m w i t h o u t DC-DC c o n v e r t e r :a ) g e n e r a l d i a g r a m , b ) t y p i c a l e x a m p l e w i t h f u l l - b r i d g e i n v e r t e r a n d c )m u l t i l e v e l i n v e r t e r .

I n F i g . 2 3 b , a t y p i c a l t r a n s f o r m e r - l e s s t o p o l o g y i ss h o w n u s i n g PWM IGBT i n v e r t e r s . T h i s t o p o l o g y c a n b eu s e d when a l a r g e n u m b e r o f PV p a n e l s are a v a i l a b l ec o n n e c t e d i n s e r i e s p r o d u c i n g in excess o f t h e g r i d v o l t a g ep e a k a t a l l t i m e s .

F i g . 2 4 . C o n t r o l s t r a t e g i e s f o r s w i t c h e d d c - d c c o n v e r t e r s a ) d i r e c t d u t y -c y c l e c o n t r o l a n d b ) c u r r e n t c o n t r o l .Among t h e d r a w b a c k s o f t h e c u r r e n t c o n t r o l i t c a n b em e n t i o n e d t h a t i t r e q u i r e s a n e x t r a c u r r e n t sens or a n d i th a s a s u s c e p t i b i l i t y t o n o i s e a n d t h u s l i g h t f i l t e r i n g o f t h ef e e d b a c k s i g n a l s i s r e q u i r e d .2 ) C o n t r o l o f DC-AC c o n v e r t e rF o r t h e g r i d - c o n n e c t e d PV i n v e r t e r s i n t h e r a ng e o f 1 - 5kW, t h e m o s t common c o n t r o l s t r u c t u r e f o r t h e d c - a c g r i dc o n v e r t e r i s u s i n g a c u r r e n t - c o n t r o l l e d H - b r i d g e PWMi n v e r t e r h a v i n g a l o w - p a s s o u t p u t f i l t e r . T y p i c a l l y L - f i l t e r s

9

b )


10/17

a r e u s e d b u t t h e new t r e n d i s t o u s e LCL f i l t e r s t h a t h a v e ah i g h e r o r d e r f i l t e r ( 3 r d ) w h i c h l e a d s t o a m o r e c o m p a c td e s i g n . T h e d r a w b a c k i s t h a t d u e t o i t s ow n r e s o n a n c ef r e q u e n c y i t c a n p r o d u c e s t a b i l i t y p r o b l e m s a n d s p e c i a lc o n t r o l d e s i g n i s r e q u i r e d [ 5 2 ] . A t y p i c a l d c - a c g r i dc o n v e r t e r w i t h LCL f i l t e r i s d e p i c t e d i n F i g . 2 53

F i g . 2 5 . H - b r i d g e P V - c on v e r t er s y s te m c o n n e c t e d t o t h e g r i d t h r o u g h a nL C L - f i l t e r .T h e h a r m o n i c s l e v e l i n t h e g r i d c u r r e n t i s s t i l l ac o n t r o v e r s i a l i s s u e f o r PV i n v e r t e r s . T h e IEEE 9 2 9

s t a n d a r d f r o m y e a r 2 0 0 0 a l l o w s a l i m i t o f 5 0 0 f o r t h ec u r r e n t T o t a l H a r m o n i c D i s t o r t i o n ( T H D ) f a c t o r w i t hi n d i v i d u a l l i m i t s o f 4 0 0 f o r e a c h o d d h a r m o n i c f r o m 3 r d t o9 t h a n d 2 f o r 1 1 t h t o 1 5 t h w h i l e a r e c e n t d r a f t o fE u r o p e a n I E C 6 1 7 2 7 s u g g e s t s s o m e t h i n g s i m i l a r . T h e s el e v e l s a r e f a r m o r e s t r i n g e n t t h a n o t h e r d o m e s t i ca p p l i a n c e s s u c h a s I E C 6 1 0 0 0 - 3 - 2 a s PV s y s t e m s a r ev i e w e d a s g e n e r a t i o n s o u r c e s a n d s o t h e y a r e s u b j e c t t oh i g h e r s t a n d a r d s t h a n l o a d s y s t e m s .C l a s s i c a l P I c o n t r o l w i t h g r i d v o l t a g e f e e d - f o r w a r d ( u g )[ 1 1 ] a s d e p i c t e d i n F i g . 2 6 a i s c o m m o n l y u s e d f o r c u r r e n t -c o n t r o l l e d PV i n v e r t e r s , b u t t h i s s o l u t i o n e x h i b i t s t w o w e l lk n o w n d r a w b a c k s : i n a b i l i t y o f t h e P I c o n t r o l l e r t o t r a c k as i n u s o i d a l r e f e r e n c e w i t h o u t s t e a d y - s t a t e e r r o r a n d p o o rd i s t u r b a n c e r e j e c t i o n c a p a b i l i t y . T h i s i s d u e t o t h e p o o rp e r f o r m a n c e o f t h e i n t e g r a l a c t i o n .

a )l i

b )F i g . 2 6 . T h e c u r r e n t l o o p o f PV i n v e r t e r : a ) w i t h P I c o n t r o l l e r a n d b )w i t h P + R e s o n a n t ( P R ) c o n t r o l l e r .I n o r d e r t o g e t a g o o d d y n a m i c r e s p o n s e , a g r i d v o l t a g ef e e d - f o r w a r d i s u s e d , a s d e p i c t e d i n F i g . 2 6 a . T h i s l e a d s i nt u r n t o s t a b i l i t y p r o b l e m s r e l a t e d t o t h e d e l a y i n t r o d u c e d i nt h e s y s t e m b y t h e v o l t a g e f e e d b a c k f i l t e r .I n o r d e r t o a l l e v i a t e t h e s e p r o b l e m s , a s e c o n d o r d e rg e n e r a l i z e d i n t e g r a t o r ( G I ) a s r e p o r t e d i n [ 6 3 ] c a n b e u s e d .T h e G I i s a d o u b l e i n t e g r a t o r t h a t a c h i e v e s a n i n f i n i t e g a i na t a c e r t a i n f r e q u e n c y , a l s o c a l l e d r e s o n a n c e f r e q u e n c y ,a n d a l m o s t n o g a i n e x i s t s o u t s i d e t h i s f r e q u e n c y . T h u s , i t

c a n b e u s e d a s a n o t c h f i l t e r i n o r d e r t o c o m p e n s a t e t h eh a r m o n i c s i n a v e r y s e l e c t i v e w a y . T h i s t e c h n i q u e h a sb e e n p r i m a r i l y u s e d i n t h r e e - p h a s e a c t i v e f i l t e ra p p l i c a t i o n s a s r e p o r t e d i n [ 5 2 ] . A n o t h e r a p p r o a c hr e p o r t e d i n [ 5 2 ] w h e r e a new t y p e o f s t a t i o n a r y - f r a m er e g u l a t o r s c a l l e d P + Re s o n a n t ( P R) i s i n t r o d u c e d a n da p p l i e d t o t h r e e - p h a s e PWM i n v e r t e r c o n t r o l . I n t h i sa p p r o a c h t h e P I d c - c o m p e n s a t o r i s t r a n s f o r m e d i n t o a ne q u i v a l e n t a c - c o m p e n s a t o r , s o t h a t i t h a s t h e s a m ef r e q u e n c y r e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c s i n t h e b a n d w i d t h o fc o n c e r n . T h e c u r r e n t l o o p o f t h e PV i n v e r t e r w i t h PRc o n t r o l l e r i s d e p i c t e d i n F i g . 2 6 bT h e h a r m o n i c c o m p e n s a t o r ( H C ) G h ( s ) a s d e f i n e d i n[ 4 3 ] i s d e s i g n e d t o c o m p e n s a t e t h e s e l e c t e d h a r m o n i c s 3 r d ,5 t h a n d 7 h a s t h e y a r e t h e m o s t p r o m i n e n t h a r m o n i c s i n t h ec u r r e n t s p e c t r u m . A p r o c e s s i n g d e l a y t y p i c a l e q u a l t os a m p l i n g t i m e T s f o r t h e PWM i n v e r t e r s [ 5 2 ] i s i n t r o d u c e di n G d ( s ) -T h u s i t i s d e m o n s t r a t e d t h e s u p e r i o r i t y o f t h e PRc o n t r o l l e r i n r e s p e c t t o t h e P I c o n t r o l l e r i n t e r m s o f

h a r m o n i c c u r r e n t r e j e c t i o n .T h e i s s u e o f s t a b i l i t y w h e n s e v e r a l PV i n v e r t e r s a r er u n n i n g i n p a r a l l e l o n t h e s a m e g r i d i s b e c o m i n g m o r e a n dm o r e i m p o r t a n t e s p e c i a l l y w h e n LC L f i l t e r s a r e u s e d .T h u s , s p e c i a l a t t e n t i o n i s r e q u i r e d w h e n d e s i g n i n g t h ec u r r e n t c o n t r o l .3 ) MPPTI n o r d e r t o c a p t u r e t h e maximum p o w e r , a maximump o w e r p o i n t t r a c k e r ( M P P T ) i s r e q u i r e d . T h e maximump o w e r p o i n t o f PV p a n e l s i s a f u n c t i o n o f s o l a r i r r a d i a n c ea n d t e m p e r a t u r e a s d e p i c t e d i n F i g . 1 5 . T h i s f u n c t i o n c a nb e i m p l e m e n t e d e i t h e r i n t h e d c - d c c o n v e r t e r o r i n t h e d c -a c c o n v e r t e r . S e v e r a l a l g o r i t h m s c a n b e u s e d i n o r d e r t oi m p l e m e n t t h e MPPT l i k e :a ) P e r t u r b a n d O b s e r v e M e t h o dT h e m o s t c o m m o n l y u s e d MPPT a l g o r i t h m i s P e r t u r ba n d O b s e r v e ( P & O ) , d u e t o i t s e a s e o f i m p l e m e n t a t i o n i ni t s b a s i c f o r m . F i g . 1 5 s h o w s t h e c h a r a c t e r s t i c o f a PVa r r a y , w h i c h h a s a g l o b a l maximum a t t h e MPP. T h u s , i ft h e o p e r a t i n g v o l t a g e o f t h e PV a r r a y i s p e r t u r b e d i n ag i v e n d i r e c t i o n a n d d P / d V > 0 , i t i s k n o w n t h a t t h ep e r t u r b a t i o n i s m o v i n g t h e o p e r a t i n g p o i n t t o w a r d s t h eM P P . T h e P&O a l g o r i t h m w o u l d t h e n c o n t i n u e t o p e r t u r bt h e PV a r r a y v o l t a g e i n t h e s a m e d i r e c t i o n . I f d P / d V < 0 ,t h e n t h e c h a n g e i n o p e r a t i n g p o i n t m o v e d t h e PV a r r a ya w a y f r o m t h e M P P , a n d t h e P&O a l g o r i t h m r e v e r s e s t h ed i r e c t i o n o f t h e p e r t u r b a t i o n . A p r o b l e m w i t h P&O i s t h a ti t o s c i l l a t e s a r o u n d t h e MPP i n s t e a d y s t a t e o p e r a t i o n . I tc a n a l s o t r a c k i n t o t h e w r o n g d i r e c t i o n , a w a y f r o m t h eM P P , u n d e r r a p i d l y i n c r e a s i n g o r d e c r e a s i n g i r r a d i a n c el e v e l s . T h e r e a r e s e v e r a l v a r i a t i o n s o f t h e b a s i c P&O t h a th a v e b e e n p r o p o s e d t o m i n i m i z e t h e s e d r a w b a c k s . T h e s ei n c l u d e u s i n g a n a v e r a g e o f s e v e r a l s a m p l e s o f t h e a r r a yp o w e r a n d d y n a m i c a l l y a d j u s t i n g t h e m a g n i t u d e o f t h ep e r t u r b a t i o n o f t h e PV o p e r a t i n g p o i n t .

b ) I n c r e m e n t a l C o n d u c t a n c e M e t h o dT h e i n c r e m e n t a l c o n d u c t a n c e a l g o r i t h m s e e k s t oo v e r c o m e t h e l i m i t a t i o n s o f t h e P&O a l g o r i t h m b y u s i n gt h e PV a r r a y ' s i n c r e m e n t a l c o n d u c t a n c e t o c o m p u t e t h es i g n o f d P / d V w i t h o u t a p e r t u r b a t i o n . I t d o e s t h i s u s i n g a ne x p r e s s i o n d e r i v e d f r o m t h e c o n d i t i o n t h a t , a t t h e M P P ,d P / d V = 0 . B e g i n n i n g w i t h t h i s c o n d i t i o n , i t i s p o s s i b l e t o1 0


11/17

s h o w t h a t , a t t h e MPP d I / d V = - I N V . T h u s , i n c r e m e n t a lc o n d u c t a n c e c a n d e t e r m i n e t h a t t h e MPPT h a s r e a c h e d t h e\ P P a n d s t o p p e r t u r b i n g t h e o p e r a t i n g p o i n t . I f t h i sc o n d i t i o n i s n ot m e t, t h e d i r e c t i o n i n w h i c h t h e MPPTo p e r a t i n g p o i n t m u s t b e p e r t u r b e d c a n b e c a l c u l a t e d u s i n gt h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n d I / d V a n d - I N V . T h i s r e l a t i o n s h i pi s d e r i v e d f r o m t h e f a c t t h a t d P / d V i s n e g a t i v e w h e n t h eMPPT i s t o t h e r i g h t o f t h e MPP a n d p o s i t i v e w h e n i t i s t ot h e l e f t o f t h e M P P . T h i s a l g o r i t h m h a s a d v a n t a g e s o v e rp e r t u r b a n d o b s e r v e i n t h a t i t c a n d e t e r m i n e w h e n t h eMPPT h a s r e a c h e d t h e MPP, w h e r e p e r t u r b a n d o b s e r v eo s c i l l a t e s a r o u n d t h e M P P . A l s o , i n c r e m e n t a l c o n d u c t a n c ec a n t r a c k r a p i d l y i n c r e a s i n g a n d d e c r e a s i n g i r r a d i a n c ec o n d i t i o n s w i t h h i g h e r a c c u r a c y t h a n p e r t u r b a n d o b s e r v e .O n e d i s a d v a n t a g e o f t h i s a l g o r i t h m i s t h e i n c r e a s e dc o m p l e x i t y w h e n c o m p a r e d t o p e r t u r b a n d o b s e r v e . T h i si n c r e a s e s r e a l - t i m e c o m p u t a t i o n a l t i m e , a n d s l o w s d o w nt h e s a m p l i n g f r e q u e n c y o f t h e a r r a y v o l t a g e a n d c u r r e n t .c ) P a r a s i t i c C a p a c i t a n c e M e t h o dT h e p a r a s i t i c c a p a c i t a n c e m e t h o d i s a r e f i n e m e n t o f t h e

i n c r e m e n t a l c o n d u c t a n c e m e t h o d t h a t t a k e s i n t o a c c o u n tt h e p a r a s i t i c c a p a c i t a n c e s o f t h e s o l a r c e l l s i n t h e PVa r r a y . P a r a s i t i c c a p a c i t a n c e u s e s t h e s w i t c h i n g r i p p l e o ft h e MPPT t o p e r t u r b t h e a r r a y . T o a c c o u n t f o r t h e p a r a s i t i cc a p a c i t a n c e , t h e a v e r a g e r i p p l e i n t h e a r r a y p o w e r a n dv o l t a g e , g e n e r a t e d b y t h e s w i t c h i n g f r e q u e n c y , a r em e a s u r e d u s i n g a s e r i e s o f f i l t e r s a n d m u l t i p l i e r s a n d t h e nu s e d t o c a l c u l a t e t h e a r r a y c o n d u c t a n c e . T h e i n c r e m e n t a lc o n d u c t a n c e a l g o r i t h m i s t h e n u s e d t o d e t e r m i n e t h ed i r e c t i o n t o move t h e o p e r a t i n g p o i n t o f t h e MPPT. O n ed i s a d v a n t a g e o f t h i s a l g o r i t h m i s t h a t t h e p a r a s i t i cc a p a c i t a n c e i n e a c h m o d u l e i s v e r y s m a l l , a n d w i l l o n l yc o m e i n t o p l a y i n l a r g e PV a r r a y s w h e r e s e v e r a l m o d u l es t r i n g s a r e c o n n e c t e d i n p a r a l l e l . A l s o , t h e DC-DCc o n v e r t e r h a s a s i z a b l e i n p u t c a p a c i t o r u s e d t o f i l t e r o u tt h e s m a l l r i p p l e i n t h e a r r a y p o w e r . T h i s c a p a c i t o r maym a s k t h e o v e r a l l e f f e c t s o f t h e p a r a s i t i c c a p a c i t a n c e o f t h ePV a r r a y .

d ) C o n s t a n t V o l t a g e M e t h o dT h i s a l g o r i t h m m a k e s u s e o f t h e f a c t t h a t t h e MPPv o l t a g e c h a n g e s o n l y s l i g h t l y w i t h v a r y i n g i r r a d i a n c e s , a sd e p i c t e d i n F i g . 1 5 . T h e r a t i o o f VMPNVOC d e p e n d s o nt h e s o l a r c e l l p a r a m e t e r s , b u t a c o m m o n l y u s e d v a l u e i s7 6 % . I n t h i s a l g o r i t h m , t h e MPPT m o m e n t a r i l y s e t s t h ePV a r r a y c u r r e n t t o z e r o t o a l l o w a m e a s u r e m e n t o f t h ea r r a y ' s o p e n c i r c u i t v o l t a g e . T h e a r r a y ' s o p e r a t i n g v o l t a g ei s t h e n s e t t o 76 o f t h i s m e a s u r e d v a l u e . T h i s o p e r a t i n gp o i n t i s m a i n t a i n e d f o r a s e t a m o u n t o f t i m e , a n d t h e n t h ec y c l e i s r e p e a t e d . A p r o b l e m w i t h t h i s a l g o r i t h m i s t h ea v a i l a b l e e n e r g y i s w a s t e d w h e n t h e l o a d i s d i s c o n n e c t e df r o m t h e PV a r r a y , a l s o t h e MPP i s n o t a l w a y s l o c a t e d a t76 o f t h e a r r a y ' s o p e n c i r c u i t v o l t a g e .4 ) A n t i - i s l a n d i n gI n a d d i t i o n t o t h e t y p i c a l p o w e r q u a l i t y r e g u l a t i o n sc o n c e r n i n g t h e h a r m o n i c d i s t o r t i o n a n d EMI l i m i t s , t h eg r i d - c o n n e c t e d PV i n v e r t e r s m u s t a l s o m e e t s p e c i f i cp o w e r g e n e r a t i o n r e q u i r e m e n t s l i k e t h e i s l a n d i n gd e t e c t i o n , o r e v e n c e r t a i n c o u n t r y - s p e c i f i c t e c h n i c a lr e c o m m e n d a t i o n s f o r i n s t a n c e t h e g r i d i m p e d a n c e c h a n g ed e t e c t i o n ( i n G e r m a n y ) . S u c h e x t r a - r e q u i r e m e n t sc o n t r i b u t e t o a s a f e r g r i d - o p e r a t i o n e s p e c i a l l y w h e n t h ee q u i p m e n t i s c o n n e c t e d i n d i s p e r s e d p o w e r g e n e r a t i n gn e t w o r k s b u t i m p o s e a d d i t i o n a l e f f o r t t o r e a d a p t t h ee x i s t i n g e q u i p m e n t s .

T h e E u r o p e a n s t a n d a r d E N 5 0 3 3 0 - 1 [ 4 6 ] d e s c r i b e s t h eENS ( t h e G e r m a n a b b r e v i a t i o n o f M a i n s m o n i t o r i n g u n i t sw i t h a l l o c a t e d S w i t c h i n g D e v i c e s ) r e q u i r e m e n t , s e t t i n g t h eu t i l i t y f a i l - s a f e p r o t e c t i v e i n t e r f a c e f o r t h e PV c o n v e r t e r s .T h e g o a l i s t o i s o l a t e t h e s u p p l y w i t h i n 5 s e c o n d s a f t e r a ni m p e d a n c e c h a n g e o f Z = 0 . 5 Q , w h i c h t y p i c a l l y i sa s s o c i a t e d w i t h a g r i d f a i l u r e . T h e m a i n i m p e d a n c e c a n b ed e t e c t e d b y m e a n s o f t r a c k i n g a n d s t e p c h a n g e e v a l u a t i o na t t h e f u n d a m e n t a l f r e q u e n c y . T h e r e f o r e , a m e t h o d o fm e a s u r i n g t h e g r i d i m p e d a n c e v a l u e a n d i t s c h a n g e ss h o u l d b e i m p l e m e n t e d i n t o e x i s t i n g P V - i n v e r t e r s .O n e s o l u t i o n i s t o a t t a c h a s e p a r a t e d e v i c e d e v e l o p e do n l y f o r t h e m e a s u r i n g p u r p o s e a s d e p i c t e d i n F i g . 2 7 a .I m i p e d a n c e

l n v e r t e r m e a s u r i n g G r i dDC-DC d e v i c eP V c r t e rc e l l s d c - l i n k R g ( h ) X 1 h

a )I n v e r t e r w i t h i m p e d a n c e G r i dn m e a s u r e m e n t i ring

T h s ad-nopini b e i n cmoly sdih

P ' V DC-DCL Ac o m me r l P t e r s bt t h n rc e l l s d e - l i n c t i o n k e m RgbdhdLt gh i )

b )F i g . 2 7 . G r i d - i m p e d a n c e m e a s u r e m e n t f o r PV i n v e r t e r s : a ) u s i n ge x t e r n a l d e v i c e ; b ) e m b e d d e d o n t h e i n v e r t e r c o n t r o l u s i n g h a r m o n i ci n j e c t i o n .

T h i s a d d - o n o p t i o n i s b e i n g c o m m o n l y u s e d i n t h ec o m m e r c i a l PV i n v e r t e r s , b u t t h e n ew t r e n d i s t oi m p l e m e n t t h i s f u n c t i o n e m b e d d e d i n t o t h e i n v e r t e rc o n t r o l w i t h o u t e x t r a h a r d w a r e . N u m e r o u s p u b l i c a t i o n se x i s t i n t h i s f i e l d , w h i c h o f f e r m e a s u r i n g s o l u t i o n s f o r t h eg r i d i m p e d a n c e f o r a w i d e f r e q u e n c y r a n g e f r o m d c u p t ot y p i c a l l y I k H z . U n f o r t u n a t e l y , t h e s e m e t h o d s c a d n o ta l w a y s e a s i l y b e e m b e d d e d i n t o a n o n - d e d i c a t e d r e a l - t i m ep l a t f o r m , i . e . P V - i n v o t e r e s f e a t u r i n g a l o w - c o s t D S P .S p e c i f i c l i m i t a t i o n s l i k e r e a l - t i m e c o m p u t a t i o n , A/Dc o n v e r s i o n a c c u r a c y a n d f a x e d - p o i n t n u m e r i c a l l i m i t a t i o n ,a r e o c c u r r i n g .V . S T A T U S AND T R E N D S

A . W i n d P o w e rA c c o r d i n g t o t h e B r u s s e l s b a s e d G l o b a l W i n d E n e r g yC o u n c i l ( G W E C ) ( w w w . g w e c . n e t ) t h e g l o b a l w i n d e n e r g ys e c t o r e x p e r i e n c e d a n o t h e r r e c o r d y e a r i n 2 0 0 5 . I n y e a r2 0 0 5 saw t h e i n s t a l l a t i o n o f I 1 1 , 5 3 1 MW, w h i c h r e p r e s e n ta 4 0 . 5 / i n c r e a s e i n a n n u a l a d d i t i o n s t o t h e g l o b a l m a r k e t ,u p f r o m 8 , 2 0 7 MW i n t h e p r e v i o u s y e a r . T h e t o t a l v a l u e o fnew g e n e r a t i n g e q u i p m e n t i n s t a l l e d w a s m o r e t h a n 1 2b i l l i o n , o r U S $ 1 4 b i l l i o n . T h e n ew i n s t a l l e d c a p a c i t i e s i n2 0 0 5 a r e s h o w n i n F i g . 2 8 .

1 1


12/17

G l ob a l a n n ua l i n s t a l l e d c a p a c i t y 1 9 9 6 - 2 X 9 6

MW ~ ~

2 , 0 0

1 99 5 1996T 1 9 9 7 1998 1 99 9 2 0 0 0 2001 1 2 O D 2 2 0 0 3 2 1 3 42 41 t 2 9 0 1 , 2 8 0 |5 2 , S 2 0 4 1 7 6 0 0 |7270 0 41 1 07AI 353

F i g . 2 8 . W i n d p o w e r a n n u a l i n s t a l l e d c a p a c i t y i n t h e l a s t t e n y e a r s .T h e t o t a l i n s t a l l e d w i n d p o w e r c a p a c i t y w a s c l o s e t o6 0 , 0 0 0 MW w o r l d w i d e , a n i n c r e a s e o f 24 c o m p a r e d t o2 0 0 4 a s s h o w n i n F i g . 2 9 .T h e c o u n t r i e s w i t h t h e h i g h e s t t o t a l i n s t a l l e d c a p a c i t ya r e G e r m a n y , S p a i n a n d D e n m a r k ( s e e F i g . 3 0 ) . A n u m b e ro f o t h e r c o u n t r i e s , i n c l u d i n g I t a l y , t h e UK , t h eN e t h e r l a n d s , C h i n a , J a p a n a n d P o r t u g a l h a v e a l s o r e a c h e dt h e 1 , 0 0 0 MWm a r k o f i n s t a l l e d c a p a c i t y

G l o b a l c u m u l a t i v e i n s t a l l e d c a p a c i t y 1 9 9 5 - 2 0 0 5R 0 05 O 0 0

MW 3 I a o D2 0 , 0 0

0 O 0 O I

F i g . 2 9 . W i n d p o w e r c u m u l a t i v e i n s t a l l e d c a p a c i t y .

T o p 1 0 n e w i n s t a l l e d c a p a c i t y( J a n . - D e c . 2 0 0 5 )R e s t o f t h ew o r l d

A u s t r a l iF R a n c e

U Kf t a i yC h i n aP o r t u g a l

I n d i a : S p a i n

G e r m a n y

F i g . 3 1 . T o p 1 0 n e w i n s t a l l e d c a p a c i t y i n 2 0 0 5 .E u r o p e i s s t i l l l e a d i n g t h e m a r k e t w i t h o v e r 4 0 , 5 0 0 MWo f t h e i n s t a l l e d c a p a c i t y a t t h e e n d o f 2 0 0 5 i n t h e E U ,r e p r e s e n t i n g 69 o f t h e g l o b a l m a r k e t . T h e E u r o p e a nm a r k e t h a s a l r e a d y r e a c h e d t h e 2 0 1 0 t a r g e t o f 4 0 , 0 0 0 MWs e t b y t h e E u r o p e a n C o m m i s s i o n ( s e e F i g . 3 1 a n d F i g . 3 2 ) .I n 2 0 0 5 , t h e E u r o p e a n w i n d c a p a c i t y g r e w b y 1 8 % ,p r o v i d i n g n e a r l y 3 0 0 o f t h e E U ' s e l e c t r i c i t y c o n s u m p t i o ni n a n a v e r a g e w i n d y e a r . By 2 0 1 0 , w i n d e n e r g y a l o n e w i l ls a v e e n o u g h g r e e n h o u s e g a s e m i s s i o n s t o m e e t o n e t h i r do f t h e E u r o p e a n U n i o n ' s K y o t o o b l i g a t i o n

A n n u a l i n s t a l l e d c a p a c i t y b y r e g i o n

MW

1 ' 0 3 1E L i r o p e N o r t l hA m e r i c a A s i a A f r i c a P a c t i i c L a t i nM i d d l e E a i s t A n e r i c a

F i g . 3 0 . T o p 1 0 c u m u l a t i v e i n s t a l l e d c a p a c i t y

F i g . 3 2 . A n n u a l i n s t a l l e d c a p a c i t y b y c o n t i n e n t s .N e a r l y a q u a r t e r o f new c a p a c i t y w a s i n s t a l l e d i n N o r t hA m e r i c a , w h e r e t h e t o t a l c a p a c i t y i n c r e a s e d b y 37 i n2 0 0 5 , g a i n i n g m o r e momentum i n b o t h US a n d C a n a d a .

T h e US w i n d e n e r g y i n d u s t r y e s t a b l i s h e d a r e c o r d o fi n s t a l l e d c a p a c i t y w i t h n e a r l y 2 , 5 0 0 MW, w h i l e t h eC a n a d i a n w i n d c a p a c i t y i n c r e a s e d b y 5 3 % .A s i a h a s a l s o e x p e r i e n c e d s t r o n g g r o w t h o f m o r e t h a n46 o f t h e i n s t a l l e d c a p a c i t y , b r i n g i n g t h e c o n t i n e n t u p t oa t o t a l o f n e a r l y 7 , 0 0 0 MW. I n 2 0 0 5 , t h e c o n t i n e n ta c c o u n t e d f o r 19 o f new i n s t a l l a t i o n s . I n d i a h a s m o r et h a n 1 , 4 3 0 MW o f n ew i n s t a l l e d c a p a c i t y , w h i c h t a k e s i t st o t a l f i g u r e u p t o 4 , 4 3 0 MW.T h e C h i n e s e m a r k e t h a s b e e n b o o s t e d ; n e a r l y 5 0 0 MWo f new c a p a c i t y w a s i n s t a l l e d i n 2 0 0 5 , m o r e t h a n a d o u b l eo f t h e 2 0 04 n u m b e r . I t i s e s t i m a t e d t h a t 2 , 0 0 0 MW o fw i n d c a p a c i t y c o u l d b e i n s t a l l e d b y t h e e n d o f 2 0 0 6 . T h eg o a l f o r w i n d p o w e r i n C h i n a b y t h e e n d o f 2 0 1 0 i s 5 , 0 0 0MW.

1 2

T o p 1 0 c u m u l a t i v e i n s t a l l e d c a p a c i t y( De c . 2 00 5 )R e s t o f t h ew o r l d

J a p a n Fr;hLGermanyLAC h i n aUKI t a l yDenmark

I n d i a


13/17

T h e A u s t r a l i a n m a r k e t n e a r l y d o u b l e d i n 2 0 0 5 w i t h 3 2 8MW o f new i n s t a l l e d c a p a c i t y , b r i n g i n g t h e t o t a l up t o 7 0 8MW. T h e A f r i c a n m a r k e t a l s o saw some g r o w t h i n 2 0 0 5 .T h e m a i n c o u n t r i e s e x p e r i e n c i n g g r o w t h are M a r o c c o ( 6 4MW, up f r o m 5 4 MW) a n d E g y p t , w h i c h i s p l a n n i n g t oi n s t a l l 8 5 0 MW o f w i n d power b y 2 0 1 0 .T h e e x p e c t a t i o n s f o r t h e f u t u r e ar e a l s o v e ry p o s i t i v e asmany c o u n t r i e s h a v e p r o g r e s s i v e p l a n s . F i g . 3 3 g i v e s a ne s t i m a t e f o r t h e i n s t a l l e d w i n d power i n 2 0 1 0 b a s e d ono f f i c i a l s t a t e m e n t s f r o m d i f f e r e n t E u r o p e a n c o u n t r i e sI n s t a l l e d Capacity i n GW

Ustatus 2001 Eprediction 2010 E status 2004

19008007600

i 543200 'm100

I Z F I l o > R , t > q c l z C S a < u < 9 >:b -1 b -1 b -~ :b 6 -~

- 1- 900- 800- 7- 600- 500- 4- 3- 200- 10

E

F i g . 3 5 . A v e r a g e s i z e o f w i n d t u r b i n e s a n d p r o du c e d e n e r g y p r . m2s w e p t area p r . year i n D e n m a r k ( s o u r c e R i s o e N a t i o n a l L a b ) .T h e k e y t o r e d u c e p r i c e i s t o i n c r e a s e t h e power l e v e la n d t o d a y p r o t o t y p e t u r b i n e s o f 4 - 5 MW ar e seen a r o u n dt h e w o r l d b e i n g t e s t e d . F i n a l l y , t h e d e v e l o p m e n t o f w i n dt u r b i n e s i s i l l u s t r a t e d i n F i g . 3 6 . I t i s e x p e c t e d 1 0 MWw i n d t u r b i n e s w i l l b e p r e s e n t i n 2 0 1 0 .

F i g . 3 3 . Wind power i n s t a l l e d c a p a c i t y f o r e c a s t 2 0 1 0 i n E u r o p e ( S o u r c eBTM C o n s u l t A p S ) .I t c an b e seen t h a t many c o u n t r i e s w i l l i n c r e a s e t h e i rw i n d power c a p a c i t y i n l a r g e s c a l e s . I n D e n m a r k t h ei n s t a l l e d c a p a c i t y i s e x p e c t e d t o a p p r o a c h s a t u r a t i o n as t h ep r o b l e m s o f a t o o h i g h c a p a c i t y c o m p a r e d t o t h e l o a d l e v e l

ar e a p p e a r i n g . H o w e v e r , energy c o s t r i s e c a n c h a n g e t h i s .T h e f o r e c a s t f o r w o r l d w i d e t o t a l i n s t a l l e d c a p a c i t y i sl o o k i n g very p r o m is i ng w i t h a d o u b l i n g a r o u n d 2 0 1 0 a n da t h r e e d o u b l i n g a r o u n d 2 0 1 5 , as s h o w n i n F i g . 3 4 .

F i g . 3 4 . Wind p o w e r i n s t a l l e d c a p a c i t y f o r e c a s t 2 0 0 5 2 0 1 5w o r l d w i d e b y r e g i o n .T h e power s c a l i n g h a s b e e n a n i m p o r t a n t t o o l t o r e d u c et h e p r i c e p r . kWh. F i g . 3 5 s h o w s t h e average s i z e o f t h ei n s t a l l e d w i n d t u r b i n e s i n D e n m a r k as w e l l as t h e i rp r o d u c e d energy p r . m2 s w e p t area p r . y e a r . I t c a n b e seent h a t t h e t e c h n o l o g y i s i m p r o v i n g a n d i t i s p o s s i b l e t op r o d u c e more t h a n 9 0 0 k W h / m 2 / y e a r . T h i s d e p e n d s o f

cou rse on l o c a t i o n a n d f r o m e x p e r i e n c e t h e o f f - s h o r ew i n d - f a r m s seem t o b e a b l e t o p r o d u c e much more energy

kW _

F i g . 3 6 . D e v e l o p m e n t o f w i n d t u r b i n e s d u r i n g t h e l a s t 2 5 y e a r s .T h e w i n d t u r b i n e w o r l d w i d e m a r k e t i s p r e s e n t l yd o m i n a t e d b y V e s t a s Wind S y s t e m s A / S f r o m D e n m a r kb u t o t h e r g l o b a l p l a y e r s s u c h as G a m e s a E o l i c a , E n e r c o n ,S i e m e n s a n d GE-Wind ar e i n c r e a s i n g r a p i d l y as i l l u s t r a t e di n F i g . 3 7 .

* M i t s u b i s h i * Ec o t e c n i c a Nordex2 2 I2R e p o w e r3

* S u z i o n4

Siemens6 _

O t h e r s4

V e s t a s,, 34

GE Wind/1 1

E Erercon1 5 Gamesa1 7W i n r d T u r b i n e Mr k e t S h a r e b y k M a n u f a c t u r e r ( e n d o f 2 0 0 4 )s o u r c e BTM C o n s u l t A p S

F i g . 3 7 . T o p 1 0 w i n d t u r b i n e m a n u f a c t u r e r s a n d t h e i r m a r k e t s h a r e s .B . S o l a r PowerPV s o l a r e l e c t r i c i t y i s a l s o a b o o m i n g i n d u s t r y ; s i n c e1 9 8 0 , when t e r r e s t r i a l a p p l i c a t i o n s b e g a n , a n n u a li n s t a l l a t i o n o f p h o t o v o l t a i c power h a s i n c r e a s e d t o a b o v e7 5 0 MWp, t h e c u m u l a t i v e i n s t a l l e d PV p o w e r i n 2 0 0 4r e a c h i n g a p p r o x i m a t e l y 2 . 6 GWp [ 5 4 ] a n d [ 5 5 ] .

1 3

Annual W i n d Powe r DevelopmentActual 1990-2004 Forecast 2 0 0 5 - 2 0 1 53 5 , 0 0 0

1 5 , 0 0 0 - _ X_ _ X X _

S o t r c e : B T f i f C o n s t i f t ApS - S e p t e m n b e r 2005 C3 E u r o p e m Am r ia Asrs R e to fWrd in

r

* 7


14/17

G r i d c o n i n e c t e2 5 l - 1 1 L k

- 1 t o oB 5 0 )E1 9 9 2 1 9 1 9 1 9 9 1 9 9 7 199992 0 0 0 0 2 0 0 22003 2 0 0 4

F i g . 3 8 . C u m u l a t i v e i n s t a l l e d c a p a c i t y f r o m 1 9 9 2 t o 2 0 0 4 i n t h e l E A -PVPS r e p o r t i n g c o u n t r i e s ( s o u r c e : I E A - P V P S , h t t p : / / w w w . i e a -p v p s . o r g ) .T h e a n n u a l r a t e o f g r o w t h h a s v a r i e d b e t w e e n 20 i n1 9 9 4 t o o v e r 40 i n 2 0 0 0 , b u t t h e g r o w t h b e t w e e n 2 0 0 2a n d 2 0 0 3 o f 36 h a s b e e n s i m i l a r t o t h e l a t e s t t h r e e y e a r s .A s i n t h e p r e v i o u s y e a r s t h e v a s t m a j o r i t y o f new c a p a c i t yw a s i n s t a l l e d i n J a p a n , G e r m a n y , a n d U S A , w i t h t h e s e

t h r e e c o u n t r i e s a c c o u n t i n g f o r a b o u t 8 8 o f t h e t o t a li n s t a l l e d i n t h e y e a r [ 5 5 ] .H i s t o r i c a l l y t h e m a i n m a r k e t s e g m e n t s f o r PV w e r e t h er e m o t e i n d u s t r i a l a n d d e v e l o p i n g c o u n t r y a p p l i c a t i o n sw h e r e PV p o w e r o v e r l o n g t e r m i s o f t e n m o r e c o s t -e f f e c t i v e t h a n a l t e r n a t i v e p o w e r o p t i o n s s u c h a s d i e s e lg e n e r a t o r o r m a i n s g r i d e x t e n s i o n . A c c o r d i n g t o t h e I E A -P V P S , s i n c e 1 9 9 7 , t h e p r o p o r t i o n o f new g r i d - c o n n e c t e dPV i n s t a l l e d i n t h e r e p o r t i n g c o u n t r i e s r o s e f r o m 42 t om o r e t h a n 93 i n 2 0 0 4 [ 5 5 ] ( s e e F i g . 3 8 ) .W o r l d w i d e , t h e c u m u l a t i v e s h a r e o f o f f - g r i d t o g r i d -c o n n e c t e d a p p l i c a t i o n s i s a p p r o x i m a t e l y 1 : 4 a t t h e p r e s e n tt i m e [ 5 4 ] a n d [ 5 5 ] . H o w e v e r , t h i s i s n o t t h e c a s e i n e v e r yr e p o r t i n g c o u n t r y . I n S w e d e n , N o r w a y a n d F i n l a n d , t h em o s t common a p p l i c a t i o n s a r e f o r v a c a t i o n c o t t a g e s ,w h i l e i n A u s t r a l i a , M e x i c o , a n d F r a n c e a c h i e v i n g r u r a le l e c t r i f i c a t i o n i s a k e y o b j e c t i v e . I n C a n a d a , I s r a e l a n dK o r e a , c o m m e r c i a l a n d t e l e c o m m u n i c a t i o n s a p p l i c a t i o n sd o m i n a t e [ 5 5 ] .1 0 0

8e4

4 0' R

F i g . 4 0 . P h o t o v o l t a i c m o d u l e p r i c e s f r o m O c t . 2 0 0 0 t o S e p t 2 00 5 .I n a d d i t i o n t o t h e PV m o d u l e c o s t , t h e c o s t a n dr e l i a b i l i t y o f PV i n v e r t e r s a r e b a s i c i s s u e s i f m a r k e tc o m p e t i t i v e PV s u p p l y s y s t e m s a r e t h e a i m . T h e i n v e r t e r

c o s t s h a r e r e p r e s e n t s a b o u t 1 0 - 1 5 % o f t h e t o t a l i n v e s t m e n tc o s t o f a g r i d c o n n e c t e d s y s t e m . T h e d e v e l o p m e n t o f PVi n v e r t e r s p e c i f i c c o s t ( E / W A C ) i n s m a l l t o m e d i u m p o w e rr a n g e ( 1 - 1 0 kW) i s i l l u s t r a t e d i n F i g . 4 1 . I t c a n b e s e e nt h a t t h e i n v e r t e r c o s t o f t h i s p o w e r c l a s s h a s d e c r e a s e d b ym o r e t h a n 50 d u r i n g t h e l a s t d e c a d e . T h e m a i n r e a s o n sf o r t h i s r e d u c t i o n a r e t h e i n c r e a s e o f t h e p r o d u c t i o nq u a n t i t i e s a n d t h e i m p l e m e n t a t i o n o f new s y s t e mt e c h n o l o g i e s ( e . g . s t r i n g - i n v e r t e r s ) . A f u r t h e r 5 0 r e d u c t i o n o f t h e s p e c i f i c c o s t i s a n t i c i p a t e d d u r i n g t h ec o m i n g d e c a d e . T h e c o r r e s p o n d i n g s p e c i f i c c o s t i se x p e c t e d t o a c h i e v e a b o u t 0 . 3 /WAC b y t h e y e a r 2 0 1 0 ,w h i c h r e q u i r e s t h e i m p l e m e n t a t i o n o f s p e c i f i c m e a s u r e sf o r t h e d e v e l o p m e n t a n d t h e m a n u f a c t u r i n g p r o c e s s e s[ 6 0 ] .

F i g . 3 9 . P e r c e n t a g e s o f g r i d c o n n e c t e d a n d o f f - g r i d PV p o w e r i n t h eI E A PVPS r e p o r t i n g c o u n t r i e s ( s o u r c e : I E A - P V P S , h t t p : / / w w w . i e a -p v p s . o r g ) .A c c o r d i n g t o [ 6 1 ] , t h e p r i c e s f o r PV m o d u l e s a r ea r o u n d 5 . 7 / W p i n E u r o p e , w i t h t h e l o w e s t p r i c e s o f : 3 . 1 0 / W p f o r m o n o c r y s t a l l i n e m o d u l e s , 3 . 0 2 / W p f o rp o l y c r y s t a l l i n e m o d u l e s a n d 2 . 9 6 / W p f o r t h i n f i l mm o d u l e s .T h e p r i c e s f o r PV m o d u l e s i n t h e r e c e n t y e a r s a r es h o w n i n F i g . 4 1 .

F i g . 4 1 . D e v e l o p m e n t a n d p r o g n o s e s o f s p e c i f i c c o s t a n d p r o d u c t i o nq u a n t i t y f o r t h e PV i n v e r t e r o f n o m i n a l p o w e r s b e t w e e n 1 a n d 1 0 kWd u r i n g t w o d ec a d e s : i n d i c a t e s s p e c i f i c p r i c e s o f p r o d u c t s o n t h em a r k e t [ 6 0 ] .

V I . C O N C L U S I O N ST h e p a p e r d i s c u s s e s t h e a p p l i c a t i o n s o f p o w e re l e c t r o n i c f o r b o t h w i n d t u r b i n e a n d p h o t o v o l t a i ct e c h n o l o g i e s . T h e d e v e l o p m e n t o f m o d e r n p o w e re l e c t r o n i c s h a s b e e n b r i e f l y r e v i e w e d . T h e a p p l i c a t i o n s o f

p o w e r e l e c t r o n i c s i n v a r i o u s k i n d s o f w i n d t u r b i n eg e n e r a t i o n s y s t e m s a n d o f f s h o r e w i n d f a r m s a r e a l s oi l l u s t r a t e d , s h o w i n g t h a t t h e w i n d t u r b i n e1 4


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b e h a v i o r / p e r f o r m a n c e i s s i g n i f i c a n t l y i m p r o v e d b y u s i n gp o w e r e l e c t r o n i c s . T h e y a r e a b l e t o a c t a s a c o n t r i b u t o r t ot h e f r e q u e n c y a n d v o l t a g e c o n t r o l b y m e a n s o f a c t i v e a n dr e a c t i v e p o w e r c o n t r o l .F u r t h e r m o r e , PV s y s t e m s a r e d i s c u s s e d i n c l u d i n gt e c h n o l o g y , i n v e r t e r s a n d t h e i r c o n t r o l m e t h o d s .F i n a l l y , a s t a t u s o f t h e w i n d t u r b i n e m a r k e t a s w e l l a sf o r t h e PV s y s t e m s i s g i v e n a n d s o m e f u t u r e t r e n d s a r eh i g h l i g h t e d . B o t h , w i n d a n d P V , w i l l b e i m p o r t a n t p o w e rs o u r c e s f o r t h e f u t u r e g r i d s y s t e m .

REFERENCES[ 1 ] S . H e i e r , G r i d i n t e g r a t i o n o f w i n d e n e r g y c o n v e r s i o ns y s t e m s / t r a n s l a t e d b y R a c h e l W a d d i n g t o n . J o h n W i l e y , 1 9 9 8 .ISBN 0 - 4 7 - 1 9 7 1 4 3 x[ 2 ] E . B o s s a n y i . Wind E n e r g y H a n db o o k. J o h n W i l e y , 2 0 0 0 .[ 3 ] N . M o h a n , T . M . U n d e l a n d , W . P . R o b b i n s . P o w e r E l e c t r o n i c s -C o n v e r t e r s , A p p l i c a t i o n s a n d D e s i g n . 1 ' s t E d i t i o n , J o h n W i l e y S o n s , 1 9 8 9 .[ 4 ] A . D . H a n s e n , F . y o v , F . B l a a b j e r g , L . H . H a n s e n , R e v i e w o fC o n t e m p o r a r y W i n d T u r b i n e C o n c e p t s a n d t h e i r M a r k e tP e n e t r a t i o n . J o u r n a l o f W i n d E n g i n e e r i n g , V o l . 2 8 , N o . 3 , 2 0 0 4 ,p p . 2 4 7 - 2 6 3 .[ 5 ] P . T h o e g e r s e n , F . B l a a b j e r g . A d j u s t a b l e S p e e d D r i v e s i n t h e N e x tD e c a d e . F u t u r e S t e p s i n I n d u s t r y a n d A c a d e mi a . J o u r n a l o fE l e c t r i c P o w e r C o m p o n e n t s a n d S y s t e m s , V o l . 3 2 , N o . 1 , 2 0 0 4 ,p p . 1 3 - 3 2 .[ 6 ] Z . C h e n , E . S p o o n e r , V o l t a g e S o u r c e I n v e r t e r s f o r H i g h - P o w e r ,V a r i a b l e - V o l t a g e DC P o w e r S o u r c e s , I E E P r o c . - G e n e r a t i o n ,T r a n s m i s s i o n a n d D i s t r i b u t i o n s , V o l . 1 4 8 , N o . 5 , S e p t e m b e r 2 0 0 1 ,p p . 4 3 9 - 4 4 7 .[ 7 ] F . B l a a b j e r g , Z . C h e n , P o w e r E l e c t r o n i c s a s a n e n a b l i n gt e c h n o l o g y f o r R e n e w a b l e E n e r g y I n t e g r a t i o n , J o u r n a l o f P o w e rE l e c t r o n i c s , V o l . 3 , N o . 2 , A p r i l 2 0 0 3 , p p . 8 1 - 8 9 .[ 8 ] Z . C h e n , E . S p o o n e r , G r i d P o w e r Q u a l i t y w i t h V a r i a b l e - S p e e dW i n d T u r b i n e s , IEEE T r a n s . o n E n e r g y C o n v e r s i o n , V o l . 1 6 ,

N o . 2 , J u n e 2 0 0 1 , p p . 1 4 8 - 1 5 4 .[ 9 ] F . y o v , Z . C h e n , F . B l a a b j e r g , A . H a n s e n , P . S o r e n s e n , A NewS i m u l a t i o n P l a t f o r m t o M o d e l , O p t i m i z e a n d D e s i g n W i n dT u r b i n e , P r o c . o f IECON ' 0 2 , V o l . 1 , p p . 5 6 1 - 5 6 6 .[ 1 0 ] S . B o l i k , G r i d R e q u i r e m e n t s C h a l l e n g e s f o r W i n d T u r b i n e s ,P r o c . o f F o u r t h I n t e r n a t i o n a l W o r k s h o p o n L a r g e - S c a l eI n t e g r a t i o n o f W i n d P o w e r a n d T r a n s m i s s i o n N e t w o r k s f o rO f f s h o r e W i n d f a r m s , 2 0 0 3 .[ 1 1 ] E . B o g a l e c k a , P o w e r c o n t r o l o f a d o u b l y f e d i n d u c t i o n g e n e r a t o rw i t h o u t s p e e d o r p o s i t i o n s e n s o r , P r o c . o f EP E ' 9 3 , V o l . 8 , 1 9 9 3 ,p p . 2 2 4 - 2 2 8 .[ 1 2 ] 0 . C a r l s o n , J . H y l a n d e r , K . T h o r b o r g , S u r v e y o f v a r i a b l e s p e e do p e r a t i o n o f w i n d t u r b i n e s , P r o c . o f E u r o p e a n U n i o n W i n dE n e r g y C o n f e r e n c e , S w e d e n , 1 9 9 6 , p p . 4 0 6 - 4 0 9 .[ 1 3 ] M . D a h l g r e n , H . F r a n k , M . L e i j o n , F . O w m a n , L . W a l f r i d s s o n , W i n d p o w e r g o e s l a r g e s c a l e , AB B R e v i e w , 2 0 0 0 , V o l . 3 , p p . 3 1 -3 7 .[ 1 4 ] M . R . D u b o i s , H . P o l i n d e r , J . A . F e r r e i r a , C o m p a r i s o n o fG e n e r a t o r T o p o l o g i e s f o r D i r e c t - D r i v e W i n d T u r b i n e s , I E E EN o r d i c W o r k s h o p o n P o w e r a n d I n d u s t r i a l E l e c t r o n i c s ( N o r p i e' 2 0 0 0 ) , 2 0 0 0 , p p . 2 2 - 2 6 .[ 1 5 ] L . H . H a n s e n , P . H . M a d s e n , F . B l a a b j e r g , H . C . C h r i s t e n s e n , U .L i n d h a r d , K . E s k i l d s e n , G e n e r a t o r s a n d p o w e r e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y f o r w i n d t u r b i n e s , P r o c . o f IECON 0 1 , V o l . 3 , 2 0 0 1 ,p p . 2 0 00 - 2 00 5 .[ 1 6 ] Z . C h e n , E . S p o o n e r , W i n d t u r b i n e p o w e r c o n v e r t e r s : ac o m p a r a t i v e s t u d y , P r o c . o f PEVD ' 9 8 , 1 9 9 8 p p . 4 7 1 4 7 6 .[ 1 7 ] M . P . K a z m i e r k o w s k i , R . K r i s h n a n , F . B l a a b j e r g . C o n t r o l i n P o w e rE l e c t r o n i c s - S e l e c t e d p r o b l e m s . A c a d e m i c P r e s s , 2002 . ISBN 0 - 1 2 -4 0 2 7 7 2 - 5[ 1 8 ] A . L a r s s o n , T h e P o w e r q u a l i t y o f W i n d T u r b i n e s , P h . D . r e p o r t ,C h a l m e r s U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , G o t e b o r g , S w e d e n , 2 0 0 0 .[ 1 9 ] R . P e n a , J . C . C l a r e , G . M . A s h e r , D o u b l y f e d i n d u c t i o n g e n e r a t o ru s i n g b a c k - t o - b a c k PWM c o n v e r t e r s a n d i t s a p p l i c a t i o n t o v a r i a b l e

s p e ed w i n d- e n e r g y g e n e r a t i o n . I E E p r o c e e d i n g s o n E l e c t r o n i cP o w e r a p p l i c a t i o n , 1 9 9 6 , p p . 2 3 1 - 2 4 1 .[ 2 0 ] J . R o d r i g u e z , L . M o r a n , A . G o n z a l e z , C . S i l v a , H i g h v o l t a g em u l t i l e v e l c o n v e r t e r w i t h r e g e n e r a t i o n c a p a b i l i t y , P r o c . o f PESC' 9 9 , 1 9 9 9 , V o l . 2 , p p . 1 0 7 7 - 1 0 8 2 .[ 2 1 ] P . S 0 r e n s e n , B . B a k - J e n s e n , J . K r i s t i a n , A . D . H a n s e n , L . J a n o s i , J .B e c h , P o w e r P l a n t C h a r a c t e r i s t i c s o f Wind F a r m s , P r o c . o f t h eI n t . C o n f . i n Wind P o w e r f o r t h e 2 1 s t C e n t ur y , 2 00 0.[ 2 2 ] K . W a l l a c e , J . A . O l i v e r , V a r i a b l e -S p ee d G e n er a t i on C o n t r o l l e db y P a s s i v e E l e m e n t s , P r o c . o f ICEM ' 9 8 , 1 9 9 8 .[ 2 3 ] S . B h o w m i k , R . S p e e , J . H . R . E n s l i n , P e r f o r m a n ce o p t i m i z a t i o nf o r d o u b l y f e d w i n d p o w e r g e n e r a t i o n s y s t e m s , IEEE T r a n s . o nI n d u s t r y A p p l i c a t i o n s , V o l . 3 5 , N o . 4 , J u l y - A u g . 1 9 9 9 , p p . 9 4 9 9 5 8 .[ 2 4 ] Z . S a a d - S a o u d , N . J e n k i n s , T h e a p p l i c a t i o n o f a d v a n c e d s t a t i cVAr c o m p e n s a t o r s t o w i n d f a r m s , P o w e r E l e c t r o n i c s f o rR e n e w a b l e E n e r g y , 1 9 9 7 , p p . 6 / 1 - 6 / 5 .[ 2 5 ] J . B . E k a n a y a k e , L . H o l d s w o r t h , W. X u e G u a n g , N . J e n k i n s , D y n a m i c m o d e l l i n g o f d o ub l y f e d i n d u c t i o n g e n e r a t o r w i n dt u r b i n e s , T r a n s . o n P o w e r S y s t e m s , V o l . 1 8 N o . 2 , Ma y 2 0 0 3 ,p p . 8 0 3 - 8 0 9 .[ 2 6 ] D . A r s u d i s , D o p p e l t g e s p e i s t e r D r e h s t r o m g e n e r a t o r m i tS p a n n u n g s z w i s c h e n k r e i s U m r i c h t e r i n R o t o r k r e i s f u r WindK r a f t a n l a g e n , P h . D . T h e s i s , 1 9 9 8 , T . U . B r a u n s c h w e i g , G e r m a n y .[ 2 7 ] D . A r s u d i s , S e n s o r l o s e R e g e l u n g e i n e r d o p p e l t - g e s p e i s t e nA s y n c h r o n m a s c h i n e m i t g e r i n g e n N e t z r t u c k w i r k u n g e n , A r c h i vf u r E l e k t r o t e c h n i k , V o l . 7 4 , 1 9 9 0 , p p . 8 9 - 9 7 .[ 2 8 ] T . M a t s u z a k a , K . T r u s l i g a , S . Y a m a d a , H . K i t a h a r a , A v a r i a b l es p e e d w i n d g e n e r a t i n g s y s t e m a n d i t s t e s t r e s u l t s . P r o c . o f EWEC' 8 9 , P a r t T w o , p p . 6 0 8 - 6 1 2 , 1 9 8 9 .[ 2 9 ] R . S . B a r t o n , T . J . H o r p , G . P . S c h a n z e n b a c k , C o n t r o l S y s t e mD e s i g n f o r t h e MOD-5A 7 . 3 MW w i n d t u r b i n e g e n e r a t o r . P r o c .o f DOE/NASA w o r k s h o p o n H o r i z o n t a l - A x i s Wind T u r b i n eT e c h n o l o g y W o r k s h o p , Ma y 8 - 1 0 , 1 9 8 4 , p p . 1 5 7 - 1 7 4 .[ 3 0 ] 0 . W a r n e k e , E i n s a t z e i n e r d o p p e l t g e s p e i s t e n A s y n c h r o n m a s c h i n ei n d e r G r o B e n W i n d e n e r g i e - a n l a g e G r o w i a n , S i e m e n s -E n e r g i e t e c h n i k 5 , H e f t 6 , 1 9 8 3 , p p . 3 6 4 - 3 6 7 .[ 3 1 ] L . G e r t m a r , P o w e r E l e c t r o n i c s a n d W i n d P o w e r , P r o c . o f EPE2 0 0 3 , p a p e r 1 2 0 5 , C D - R o m .[ 3 2 ] F . B l a a b j e r g , Z . C h e n , P o w e r E l e c t r o n i c s a s E f f i c i e n t I n t e r f a c e i nD i s p e r s e d P o w e r G e n e r a t i o n S y s t e m s , IEEE T r a n s . o n P E , V o l .1 9 , N o . 4 , 2 0 0 4 , p p . 1 1 8 4 - 1 1 9 4[ 3 3 ] E . N . H i n r i c h s e n , C o n t r o l s f o r v a r i a b l e p i t c h w i n d t u r b i n eg e n e r a t o r s , IEEE T r a n s . On P o w e r A p p a r a t u s a n d S y s t e m s , V o l .1 0 3 , N o . 4 , 1 9 8 4 , p p . 8 8 6 - 8 9 2 .[ 3 4 ] B . J . B a l i g a , P o w e r I C ' s i n t h e s a d d l e , IEEE S p e c t r u m , J u l y1 9 9 5 , p p . 3 4 - 4 9 .[ 3 5 ] A . D . H a n s e n , C . J a u c h , P . S o e r e n s e n , F . y o v , F . B l a a b j e r g . D y n a m i c W i n d T u r b i n e M o d e l s i n P o w e r S y s t e m S i m u l a t i o nT o o l D i g S i l e n t , R e p o r t R i s o e - R - 1 4 0 0 ( E N ) , D e c . 2 0 0 3 , ISBN 8 7 -5 5 0 - 3 1 9 8 - 6 ( 8 0 p a g e s ) .[ 3 6 ] T . A . L i p o , V a r i a b l e S p e e d G e n e r a t o r T e c h n o l o g y O p t i o n s f o rW i n d T u r b i n e G e n e r a t o r s , NASA W o r k s h o p o n HAWTTT e c h n o l o g y , May 1 9 8 4 , p p . 2 1 4 - 2 2 0 .[ 3 7 ] K . T h o r b o r g , A s y n c h r o n o u s M a c h i n e w i t h V a r i a b l e S p e e d ,A p p e n d i x G , P o w e r E l e c t r o n i c s , 1 9 8 8 , I S B N 0 - 1 3 - 6 8 6 5 9 3 - 3 , p p .G I .[ 3 8 ] D . A r s u d i s , W. V o l l s t e d t , S e n s o r l e s s P o w e r c o n t r o l o f a D o u b l e -F e d A C - M a c h i n e w i t h n e a r l y S i n u s o i d a l L i n e C u r r e n t s , P r o c . o fEP E 8 9 , A a c h e n 1 9 8 9 , p p . 8 9 9 - 9 0 4 .[ 3 9 ] M . Y a m a m o t o , 0 . M o t o y o s h i , A c t i v e a n d R e a c t i v e P o w e rc o n t r o l f o r D o u b l y - F e d Wound R o t o r I n d u c t i o n G e n e r a t o r , P r o c .o f PESC ' 9 0 , V o l . 1 , p p . 4 5 5 - 4 6 0 .[ 4 0 ] 0 . C a r l s o n , J . H y l a n d e r , S . T s i o l i s , V a r i a b l e S p e e d AC -G e n e r a t o r s A p p l i e d i n W E C S , E u r o p e a n W i n d E n e r g yA s s o c i a t i o n C o n f e r e n c e a n d E x h i b i t i o n , O c t o b e r 1 9 8 6 , p p . 6 8 5 -6 9 0 .[ 4 1 ] J . D . v a n W y k , J . H . R . E n s l i n , A S t u d y o f W i n d P o w e r C o n v e r t e rw i t h M i c r o c o m p u t e r B a s e d M a x i m a l P o w e r C o n t r o l U t i l i s i n g a nO v e r s y n c h r o n o u s E l e c t r o n i c S c h e r t i v e s C a s c a d e , P r o c . o f I P E C 8 3 , V o l . I , 1 9 8 3 , p p . 7 6 6 - 7 7 7 .

1 5


16/17

[ 4 2 ] T . S u n , Z . C h e n , F . B l a a b j e r g , F l i c k e r S t u d y o n V a r i a b l e S p e e dWind T u r b i n e s W i t h D o u b l y F e d I n d u c t i o n G e n e r a t o r s . IEEET r a n s . o n E n e r g y C o n v e r s i o n , V o l . 2 0 , N o . 4 , 2 0 0 5 , p p . 8 9 6 - 9 0 5 .[ 4 3 ] T . S u n , Z . C h e n , F . B l a a b j e r g , T r a n s i e n t S t a b i l i t y o f DFIG WindT u r b i n e s a t a n E x t e r n a l S h o r t - c i r c u i t - F a u l t . Wind E n e r g y , V o l . 8 ,2 0 0 5 , p p . 3 4 5 - 3 6 0 .[ 4 4 ] L . M i h e t - P o p a , F . B l a a b j e r g , I . B o l d e a , W i n d T u r b i n e G e n e r a t o rM o d e l i n g a n d S i m u l a t i o n W h e r e R o t a t i o n a l S p e e d i s t h eC o n t r o l l e d V a r i a b l e . IEEE T r a n s a c t i o n s o n I n d u s t r yA p p l i c a t i o n s , 2 0 0 4 , V o l . 4 0 , N o . 1 . p p . 3 - 1 0 .[ 4 5 ] M . L i s e r r e , R . T e o d o r e s c u , F . B l a a b j e r g , S t a b i l i t y o f P h o t o v o l t a i ca n d Wind T u r b i n e G r i d - C o n n e c t e d I n v e r t e r s f o r a L a r g e S e t o fG r i d I m p e d a n c e V a l u e s , IEEE T r a n s . o n P E , V o l . 2 1 , N o . 1 , J a n .2 0 0 6 , p p . 2 6 3 - 2 7 2 .[ 4 6 ] A . D . H a n s e n , P . S 0 r e n s e n , F . y o v , F . B l a a b j e r g , C e n t r a l i s e dp o w e r c o n t r o l o f w i n d f a r m w i t h d o u b l y f e d i n d u c t i o n g e n e r a t o r s ,J o u r n a l o f R e n e w a b l e E n e r g y , V o l . 3 1 , 2 0 0 6 , p p . 9 3 5 - 9 5 1 .[ 4 7 ] H . H a e b e r l i n , E v o l u t i o n o f I n v e r t e r s f o r G r id c o n n e c t e d PVs y s t e m s f r o m 1 9 8 9 t o 2 0 0 0 , P r o

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