CARATTERIZZAZIONE DI SISTEMI FOTOVOLTAICI MEDIANTE SPETTROSCOPIA D’IMPEDENZA INTEGRATA

THE CURRENT GROWTH OF PHOTOVOLTAIC (PV) SYSTEMS DEMANDS ADVANCED DIAGNOSTIC TOOLS AND SIMULATION MODELS TO ENSURE LONG-TERM RELIABILITY. HOWEVER, MOST EXISTING APPROACHES FOCUS EXCLUSIVELY ON EITHER THE STATIC OR THE DYNAMIC DOMAIN, LIMITING THEIR ABILITY TO FULLY CHARACTERIZE SYSTEM BEHAVIOR. FOR INSTANCE, THE SINGLE DIODE MODEL (SDM), THE MOST WIDELY ADOPTED, EFFECTIVELY CAPTURES STEADY-STATE CHARACTERISTICS, BUT IT FAILS TO REPRESENT THE DYNAMIC FREQUENCY-DEPENDENT BEHAVIOR REQUIRED FOR MODERN APPLICATIONS. THIS LIMITATION REDUCES ITS APPLICABILITY IN THE DESIGN AND SIMULATION OF POWER ELECTRONIC CONVERTERS, WHERE MODELING THE DYNAMIC INTERACTION BETWEEN THE PV SOURCE AND THE INTERFACING CIRCUITRY IS NECESSARY, NOT ONLY FOR SYSTEM-LEVEL ASSESSMENT BUT ALSO FOR ROBUST DIAGNOSTIC ANALYSIS. DYNAMIC ANALYSIS IS PARTICULARLY VALUABLE, AS IT REVEALS DEGRADATION MECHANISMS AND OPERATIONAL FAULTS IN PV ARRAYS AND THEIR ASSOCIATED ENERGY STORAGE SYSTEMS, PHENOMENA THAT ARE MOST EVIDENT IN THE FREQUENCY DOMAIN. TECHNIQUES SUCH AS IMPEDANCE SPECTROSCOPY (IS) HAVE GROWN INDISPENSABLE FOR BATTERY DIAGNOSTICS AND ARE CURRENTLY GETTING VALUED AS USEFUL TOOLS FOR PV SYSTEM ASSESSMENT. HOWEVER, THE LACK OF A MODEL THAT CAN CAPTURE BOTH STATIC AND DYNAMIC BEHAVIORS LIMITS THE DEVELOPMENT OF THESE DIAGNOSTIC TECHNIQUES. MODELING FRAMEWORKS THAT INCORPORATE BOTH RESPONSES ARE NECESSARY TO CLOSE THIS GAP AND PROVIDE A MORE THOROUGH ASSESSMENT OF PV SYSTEM PERFORMANCE IN REAL-WORLD OPERATING SCENARIOS. THIS THESIS ADDRESSES THE OUTLINED LIMITATIONS THROUGH TWO INTERCONNECTED CONTRIBUTIONS. FIRST, IT INTRODUCES A SELF-ADAPTING PV MODEL THAT UNIFIES STATIC AND DYNAMIC BEHAVIOR WITHIN A SINGLE, SIMULATION-COMPATIBLE FRAMEWORK. THE PROPOSED ENHANCED SDM CAN REPRODUCE BOTH THE FREQUENCY-DEPENDENT IMPEDANCE SPECTRA AND THE STEADY-STATE PROPERTIES AT THE SAME TIME BY INTEGRATING THE SEMI-EMPIRICAL BERKELEY DIODE FORMULATION INTO THE TRADITIONAL SDM STRUCTURE. TO SUPPORT THIS MODEL, A ROBUST PARAMETER IDENTIFICATION PROCEDURE WAS DEVELOPED, ALLOWING THE EXTRACTION OF ALL REQUIRED PARAMETERS FROM A MINIMAL SET OF ELECTRICAL MEASUREMENTS. EXPERIMENTAL VALIDATION UNDER DIVERSE OPERATING CONDITIONS, INCLUDING PARTIAL SHADING, DEMONSTRATED THE MODEL’S ABILITY TO ACCURATELY PREDICT COMPLEX PHENOMENA WITHOUT THE NEED FOR RECALIBRATION. THIS WORK'S SECOND CONTRIBUTION IS THE ANALYSIS OF USING POWER ELECTRONIC CONVERTERS AS A COMPONENT OF AN EMBEDDED SYSTEM FOR ONLINE DIAGNOSTICS. IN THIS CONTEXT, ESTIMATION OF THE STATE OF HEALTH (SOH) ENSURES GRID STABILITY AND SYSTEM RESILIENCE. TO PROVIDE DIAGNOSTICS FOR ENERGY STORAGE SYSTEMS, THE EXPLORATORY PHASE WAS CARRIED OUT IN COOPERATION WITH BITRON S.P.A. AND INVOLVED ONLY MINOR MODIFICATIONS TO AN EXISTING POWER CONVERTER. THE PRACTICALITY OF REUSING COMMERCIAL POWER CONVERTERS WAS DEMONSTRATED AT THIS PHASE BY THE SUCCESSFUL IMPLEMENTATION OF IS FOR BATTERIES WITH VALUES RANGING FROM 1 HZ TO 100 HZ. THE IMPEDANCE SPECTRA OF PV PANELS, HOWEVER, USUALLY RANGE FROM 10 HZ TO 10 HZ, ACCORDING TO AN EXTENSIVE EXPERIMENTAL CAMPAIGN. THIS IMPLIES THAT FAST FREQUENCY RESPONSE POWER CONVERTERS ARE NECESSARY TO EMPLOY IS APPROACHES ON THE PV SIDE. TO ADDRESS THIS REQUIREMENT, A RESEARCH STAGE AT UNIVERSIDAD REY JUAN CARLOS IN SPAIN WAS CARRIED OUT TO BUILD ON A SYNCHRONOUS INTERLEAVED POWER CONVERTER FOR IS-BASED PV DIAGNOSTICS. THE ENHANCED SDM WAS USED TO DESIGN AND TEST THIS POWER CONVERTER. THE CONVERTER TOPOLOGY AND CONTROL TECHNIQUE WERE REFINED USING DETAILED SIMULATIONS TO PROVIDE SINUSOIDAL EXCITATION SIGNALS FOR ACCURATE IS STIMULI. DIAGNOSTICS WERE INCLUDED IN THE CONVERTER'S CONTROL BOARD FOR IN SITU MEASUREMENTS. TOGETHER, THESE CONTRIBUTIONS PROVIDE AN EXPERIMENTALLY VALIDATED FRAMEWORK, INTEGRATING A UNIFIED PV MODEL WITH DEDICATED POWER ELECTRONICS, TO ENABLE ROBUST ONLINE DIAGNOSTICS FOR PHOTOVOLTAIC SYSTEMS.

L'ATTUALE CRESCITA DEI SISTEMI FOTOVOLTAICI (PV) RICHIEDE STRUMENTI DIAGNOSTICI E MODELLI DI SIMULAZIONE AVANZATI PER GARANTIRNE L'AFFIDABILITÀ. TUTTAVIA, LA MAGGIOR PARTE DEGLI APPROCCI ESISTENTI SI CONCENTRA ESCLUSIVAMENTE SUL DOMINIO STATICO O DINAMICO, LIMITANDO LA CAPACITÀ DI CARATTERIZZARE APPIENO IL COMPORTAMENTO DEL SISTEMA. IL SINGLE DIODE MODEL (SDM), IL PIÙ ADOTTATO, CATTURA EFFICACEMENTE LE CARATTERISTICHE STEADY-STATE, MA NON RIESCE A RAPPRESENTARE IL COMPORTAMENTO DINAMICO DIPENDENTE DALLA FREQUENZA RICHIESTO NELLE APPLICAZIONI MODERNE. QUESTA LIMITAZIONE NE RIDUCE L'APPLICABILITÀ NELLA PROGETTAZIONE E SIMULAZIONE DEI CONVERTITORI ELETTRONICI DI POTENZA, DOVE MODELLARE L'INTERAZIONE DINAMICA TRA SORGENTE PV E CIRCUITI DI INTERFACCIAMENTO È NECESSARIO, NON SOLO PER LA VALUTAZIONE A LIVELLO DI SISTEMA MA ANCHE PER UN'ANALISI DIAGNOSTICA ROBUSTA. L'ANALISI DINAMICA HA PARTICOLARE VALORE, POICHÉ RIVELA MECCANISMI DI DEGRADAZIONE E GUASTI OPERATIVI NEGLI ARRAY PV E NEI SISTEMI DI ACCUMULO ENERGETICO, FENOMENI PIÙ EVIDENTI NEL DOMINIO DELLA FREQUENZA. TECNICHE COME L'IMPEDANCE SPECTROSCOPY (IS), INDISPENSABILI PER LA DIAGNOSTICA DELLE BATTERIE, SONO APPREZZATE COME STRUMENTI UTILI PER VALUTARE I SISTEMI PV. TUTTAVIA, LA MANCANZA DI UN MODELLO CAPACE DI COGLIERE ENTRAMBI I COMPORTAMENTI, STATICO E DINAMICO, LIMITA LO SVILUPPO DI QUESTE TECNICHE DIAGNOSTICHE. SERVONO FRAMEWORK DI MODELLAZIONE CHE INCORPORINO ENTRAMBE LE RISPOSTE PER COLMARE QUESTA LACUNA E FORNIRE UNA VALUTAZIONE PIÙ APPROFONDITA DELLE PRESTAZIONI PV IN SCENARI OPERATIVI REALI. QUESTA TESI AFFRONTA LE LIMITAZIONI DESCRITTE CON DUE CONTRIBUTI. PRIMO, INTRODUCE UN MODELLO PV AUTO-ADATTATIVO CHE UNIFICA IL COMPORTAMENTO STATICO E DINAMICO IN UN UNICO FRAMEWORK SIMULABILE. L'ENHANCED SDM PROPOSTO PUÒ RIPRODURRE SPETTRI DI IMPEDENZA DIPENDENTI DALLA FREQUENZA E PROPRIETÀ STEADY-STATE, INTEGRANDO LA FORMULAZIONE SEMI-EMPIRICA DEL DIODO DI BERKELEY NELLA STRUTTURA SDM TRADIZIONALE. A SUPPORTO DI QUESTO MODELLO, È STATA SVILUPPATA UNA ROBUSTA PROCEDURA DI IDENTIFICAZIONE DEI PARAMETRI, CHE CONSENTE L'ESTRAZIONE DEI PARAMETRI RICHIESTI DA UN SET MINIMO DI MISURE ELETTRICHE. LA VALIDAZIONE SPERIMENTALE IN DIVERSE CONDIZIONI OPERATIVE, INCLUSO L'OMBREGGIAMENTO PARZIALE, HA DIMOSTRATO LA CAPACITÀ DEL MODELLO DI PREDIRE ACCURATAMENTE FENOMENI COMPLESSI SENZA NECESSITÀ DI RICALIBRAZIONE. IL SECONDO CONTRIBUTO DI QUESTO LAVORO È L'ANALISI DELL'USO DEI CONVERTITORI ELETTRONICI DI POTENZA COME SISTEMA EMBEDDED PER LA DIAGNOSTICA ONLINE. IN QUESTO CONTESTO, LA STIMA DELLO STATE OF HEALTH (SOH) GARANTISCE LA STABILITÀ DELLA RETE E LA RESILIENZA DEL SISTEMA. PER FORNIRE DIAGNOSTICA AI SISTEMI DI ACCUMULO ENERGETICO, LA FASE ESPLORATIVA CONDOTTA CON BITRON S.P.A. HA COMPORTATO SOLO MODIFICHE MINORI A UN CONVERTITORE DI POTENZA ESISTENTE. LA PRATICITÀ DI RIUTILIZZARE CONVERTITORI DI POTENZA COMMERCIALI È STATA DIMOSTRATA IN QUESTA FASE DALLA RIUSCITA IMPLEMENTAZIONE DELL'IS PER BATTERIE TRA 1HZ E 100HZ. GLI SPETTRI DI IMPEDENZA DEI PANNELLI, TUTTAVIA, VARIANO DA 10HZ A 10KHZ. CIÒ IMPLICA CHE SONO NECESSARI CONVERTITORI DI POTENZA CON RISPOSTA IN FREQUENZA RAPIDA PER IMPIEGARE APPROCCI IS SUL LATO PV. PER SODDISFARE QUESTO REQUISITO, UNA FASE DI RICERCA PRESSO L'UNIVERSIDAD REY JUAN CARLOS, SPAGNA, SI È BASATA SU UN CONVERTITORE DI POTENZA INTERLEAVED SINCRONO PER LA DIAGNOSTICA PV BASATA SU IS. L'ENHANCED SDM È STATO UTILIZZATO PER PROGETTARE E TESTARE QUESTO CONVERTITORE. LA TOPOLOGIA DEL CONVERTITORE E LA TECNICA DI CONTROLLO SONO STATE AFFINATE CON SIMULAZIONI DETTAGLIATE PER FORNIRE SEGNALI DI ECCITAZIONE SINUSOIDALI PER STIMOLI IS ACCURATI. LA DIAGNOSTICA È STATA INCLUSA NELLA SCHEDA DI CONTROLLO PER MISURE IN SITU. COMPLESSIVAMENTE, QUESTI CONTRIBUTI FORNISCONO UN FRAMEWORK VALIDATO SPERIMENTALMENTE, CHE INTEGRA UN MODELLO PV UNIFICATO CON ELETTRONICA DI POTENZA DEDICATA, PER ABILITARE UNA DIAGNOSTICA ONLINE ROBUSTA PER I SISTEMI FOTOVOLTAICI.