Methodology for the optimization of a 5 kW photovoltaic string inverter

Abstract

Este trabalho apresenta uma metodologia para o projeto e otimização de um inversor fotovoltaico string de 5 kW, voltado para aplicações em sistemas conectados à rede monofásica. No estágio CC-CC, além da topologia boost convencional, é analisada a configuração interleaved, com um estudo analítico das diferentes combinações de elementos magnéticos. No estágio CC-CA, são exploradas diversas topologias, estratégias de modulação e configurações de filtro, com ajuste do resistor de amortecimento de forma independente das características da rede elétrica. Visando uma otimização eficiente tanto do sistema quanto do esforço computacional, realiza-se uma análise comparativa entre diferentes métodos empregados no processo, contemplando abordagens numéricas e analíticas. Em seguida, são implementadas distintas rotinas de otimização, baseadas em um banco de dados extenso, com o objetivo de comparar sua eficiência computacional. Essas rotinas abrangem diferentes tecnologias de semicondutores (SiC e IGBT) e núcleos magnéticos do tipo toroidal Powder Core. Tais rotinas permitem avaliar não apenas o desempenho do sistema, cuja função objetivo é a maximização da eficiência do inversor, mas também a eficácia do próprio processo de otimização. A metodologia desenvolvida possibilita reduzir em aproximadamente 58% o tempo necessário para a realização da otimização, sem comprometer a busca pelo ponto ótimo de operação, validando sua aplicação no desenvolvimento de conversores mais eficientes e com menor custo computacional.

Abstract: This work presents a methodology for the design and optimization of a 5 kW photovoltaic string inverter, aimed at applications in single-phase grid-connected systems. In the DC-DC stage, in addition to the conventional boost topology, the interleaved configuration is analyzed, with an analytical study of different combinations of magnetic components. In the DC-AC stage, various topologies, modulation strategies, and filter configurations are explored, with damping resistor adjustment carried out independently of the electrical grid characteristics. Aiming for efficient optimization of both the system and the computational effort, a comparative analysis is performed between different methods employed in the process, including numerical and analytical approaches. Subsequently, distinct optimization routines are implemented, based on an extensive database, with the goal of comparing their computational efficiency. These routines encompass different semiconductor technologies (SiC and IGBT) and magnetic cores of the toroidal Powder Core type. Such routines make it possible to evaluate not only the system?s performance, whose objective function is the maximization of inverter efficiency, but also the effectiveness of the optimization process itself. The developed methodology enables a reduction of approximately 58% in the time required to carry out the optimization, without compromising the search for the optimal operating point, validating its application in the development of more efficient converters with lower computational cost.