Quality Assessment of Large-scale Photovoltaic Generators Based on Inverter Data and Thermographic Inspections

Qualitätsbewertung von großflächigen Photovoltaik-Generatoren anhand von Wechselrichterdaten und thermografischen Untersuchungen

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-103512
  • Since the notable share of photovoltaic (PV) energy in the energy mix will further increase in the future, the reliability of the PV systems must be ensured at any time. Therefore, efficient quality assessment tools are needed to identify, locate, and classify malfunctioning PV modules and strings. Such tools should be automatable and, to avoid any sources of nonconformance and error, analyze the system status of the PV generator during operation and without any external interferences and changes of the PV system. In this thesis, the quality of two large-scale grid-connected PV power plants was assessed based on inverter data and on thermographic inspections. The measurement data of theSince the notable share of photovoltaic (PV) energy in the energy mix will further increase in the future, the reliability of the PV systems must be ensured at any time. Therefore, efficient quality assessment tools are needed to identify, locate, and classify malfunctioning PV modules and strings. Such tools should be automatable and, to avoid any sources of nonconformance and error, analyze the system status of the PV generator during operation and without any external interferences and changes of the PV system. In this thesis, the quality of two large-scale grid-connected PV power plants was assessed based on inverter data and on thermographic inspections. The measurement data of the two approaches were analyzed and classified separately to evaluate their capability for the quality assessment of large-scale PV generators. The respective string classification results were compared, especially in terms of defect detection reliability and cost-efficiency. Since the automated analysis of inverter monitoring data is most economical, a novel approach was developed for the automated identification and classification of under-performing strings in PV systems solely based on inverter monitoring data and controlled power curtailment. With the introduced Common Voltage Test (CVT), the power deviation of an underperforming string relative to a neighboring reference string can be amplified by inverter operating point shifts on the direct current side. Neither additional sensors nor the simulation of the PV system are necessary. The CVT approach can be applied to single strings as well as to strings connected in parallel. The curtailment factor is dependent on the specific configuration of the examined PV system and on the current environmental conditions on-site. Although the monitoring data are achieved on the string level, the CVT approach facilitates the reliable identification and classification of underperforming strings in terms of the number of bypassed substrings. The effectiveness of the CVT approach was demonstrated using the real monitoring data of the two PV power plants being subject to static power limitations because of technical requirements of the responsible grid operator. Performances of the CVT approach with adequate curtailment factors can greatly simplify the maintenance of large-scale PV systems. Curtailment factors between 80 % and 90 % should be suitable for most CVT quality measurements if the measurement accuracy of the inverter regarding the string powers is smaller than +/-3 %. For relatively small maximum power point values and greater measurement uncertainties, the curtailment factor can be further decreased if necessary. Curtailment factors above 90 % may lead to ambiguous results. The CVT approach is easily automatable and may be implemented as a convenient maintenance add-on to existing inverter software. String quality assessment tools are advanced in terms of reliability and significant maintenance cost reductions may result, especially with regard to large-scale PV power plants. This work demonstrates that temporary or permanent power curtailment can be utilized for the reliable and automatized quality assessment of PV generators. It provides a solid basis for future monitoring and early defect detection systems for PV generators.show moreshow less
  • Da der bedeutende Anteil der Photovoltaik (PV) am Energiemix in der Zukunft weiter steigen wird, muss die Zuverlässigkeit der PV-Systeme zu jeder Zeit sichergestellt sein. Daher werden effiziente Werkzeuge zur Qualitätsbewertung benötigt, welche schlecht oder nicht funktionierende PV-Module und Stränge identifizieren, lokalisieren und klassifizieren. Solche Werkzeuge sollten automatisierbar sein und den Systemzustand des PV-Generators während des Betriebs und ohne externe Beeinflussungen und Veränderungen des PV-Systems analysieren, um jegliche Quellen für Abweichungen und Fehler zu vermeiden. In dieser Dissertation wurde die Qualität von zwei großflächigen, netzgekoppeltenDa der bedeutende Anteil der Photovoltaik (PV) am Energiemix in der Zukunft weiter steigen wird, muss die Zuverlässigkeit der PV-Systeme zu jeder Zeit sichergestellt sein. Daher werden effiziente Werkzeuge zur Qualitätsbewertung benötigt, welche schlecht oder nicht funktionierende PV-Module und Stränge identifizieren, lokalisieren und klassifizieren. Solche Werkzeuge sollten automatisierbar sein und den Systemzustand des PV-Generators während des Betriebs und ohne externe Beeinflussungen und Veränderungen des PV-Systems analysieren, um jegliche Quellen für Abweichungen und Fehler zu vermeiden. In dieser Dissertation wurde die Qualität von zwei großflächigen, netzgekoppelten PV-Freiflächenanlagen anhand von Wechselrichterdaten und thermografischen Untersuchungen beurteilt. Die Messdaten der zwei Ansätze wurden separat analysiert und klassifiziert, um deren Leistungsvermögen für die Qualitätsbewertung von großflächigen PV-Generatoren abzuschätzen. Die jeweiligen Strangklassifizierungsergebnisse wurden miteinander verglichen, besonders in Bezug auf Defekterkennungszuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit. Da die automatisierte Analyse von Wechselrichterüberwachungsdaten am wirtschaftlichsten ist, wurde ein neuartiger Ansatz für die automatisierte Erkennung und Klassifizierung von leistungsschwachen Strängen in PV-Systemen entwickelt, welcher lediglich auf Wechselrichterüberwachungsdaten und kontrollierter Leistungsabregelung basiert. Mit dem vorgestellen Verfahren, dem Common Voltage Test (CVT), kann die Leistungsabweichung eines leistungsschwachen Strangs bezüglich eines benachbarten Referenzstrangs durch Wechselrichterarbeitspunktverschiebungen auf der Gleichstromseite verstärkt werden. Es sind weder zusätzliche Sensoren noch eine Simulation des PV-Systems nötig. Der CVT-Ansatz kann auf einzelne Stränge sowie auf parallel geschaltete Stränge angewendet werden. Der Abregelungsfaktor ist von der konkreten Konfiguration des untersuchten PV-Systems und von den momentanen Umgebungsbedingungen vor Ort abhängig. Obwohl die Überwachungsdaten auf Strangebene erfasst werden, ermöglicht der CVT-Ansatz die zuverlässige Identifizierung und Klassifizierung von leistungsschwachen Strängen in Bezug auf die Anzahl überbrückter Substränge. Die Wirksamkeit des CVT-Ansatzes wurde anhand der realen Überwachungsdaten der zwei untersuchten PV-Freiflächenanlagen demonstriert, für welche feste Leistungsbegrenzungen aufgrund technischer Anschlussbedingungen seitens des verantwortlichen Netzbetreibers gelten. Durchführungen des CVT-Ansatzes mit einem angemessenen Abregelungsfaktor können die Wartung von großflächigen PV-Systemen erheblich vereinfachen. Abregelungsfaktoren zwischen 80 % und 90 % sollten für die meisten CVT-Qualitätsüberprüfungen geeignet sein, sofern die Messgenauigkeit der Wechselrichter bezüglich der Strangleistungen kleiner als +/-3 % ist. Falls nötig, kann für relativ kleine Werte des maximalen Leistungspunktes und größeren Messunsicherheiten der Abregelungsfaktor weiter verringert werden. Abregelungsfaktoren größer als 90 % können zu uneindeutigen Ergebnissen führen. Der CVT-Ansatz ist leicht automatisierbar und kann als praktisches Wartungszusatzprogramm zu bestehender Wechselrichtersoftware implementiert werden. Strangbewertungswerkzeuge werden in Bezug auf ihre Zuverlässigkeit verbessert und die Wartungskosten können erheblich gesenkt werden, besonders mit Hinblick auf großflächige PV-Freiflächenanlagen. Diese Arbeit zeigt, dass die temporäre oder permanente Leistungsabregelung für die zuverlässige und automatisierte Qualitätsüberprüfung von PV-Generatoren genutzt werden kann. Sie bietet eine stabile Basis für zukünftige Wartungs- und Defektfrüherkennungssysteme für PV-Generatoren.show moreshow less

Download full text files

Export metadata

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar Statistics
Metadaten
Author:Manuel DalsassORCiD
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-103512
Referee:Christoph J. Brabec
Advisor:Christoph J. Brabec
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of publication:2019
Date of online publication (Embargo Date):2019/01/24
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2019/01/23
Release Date:2019/02/04
Tag:Automation; Common Voltage Test (CVT); Infrared Thermography; Monitoring; Photovoltaics; Power Plants; Quality Assessment
Length/size:170
Institutes:Technische Fakultät
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
open_access (DINI-Set):open_access
Licence (German):Creative Commons - CC BY-NC - Namensnennung - Nicht kommerziell 4.0 International
Einverstanden ✔
Diese Webseite verwendet technisch erforderliche Session-Cookies. Durch die weitere Nutzung der Webseite stimmen Sie diesem zu. Unsere Datenschutzerklärung finden Sie hier.