Smart module for photovoltaic panels with power line communication

The utilization of renewable energy is growing all over the world; photovoltaic installations have doubled in the past years. One of the main concerns in the solar field nowadays is the maximization of energy production and safety of photovoltaic grids. Along with STMicroelectronics a product named SPPVJBCP02 was developed and tested. This product is a smart module, intended to be connected to a single PV panel. The PV installation design based on the SPPVJBCP02 will follow the same rules of a standard plant. The minimum number of panels connected in series is determined by the minimum voltage the inverter needs to work properly, and the number of series connected in parallel in the grid will depend in the desired power output of the installation. The SPPVJBCP02 includes all the possible features needed in a PV grid to enhance efficiency, assure safety conditions and provide data communication. The module includes: bypass diodes, MPPT algorithm, module monitoring, panel disconnection from the grid and communication. Regarding communication feature, this thesis explains why Power Line Communication was chosen as the best suited technology for this kind of application. The first part of the thesis is mainly theoretical. It includes the whole design explanation about the different circuits of the module and components selection: Bypass diodes, auxiliary switching mode power supply including topology selection and stability analysis, DC-DC converter, power line networking circuit, microcontroller selection and its firmware used for communication testing, power disconnection circuit and panel voltage and current sensing. Two systems on chip from STMicroelectronics are used in the module: SPV1020 and ST7580, in the DC-DC converter and power line networking system, respectively. Their functionalities are also explained in the first part of the thesis. The second part is experimental, all the calculations made in in the first part are tested in the laboratory with prototype modules, power line communication is tested and measured using PV panel simulators, to determine a first approximation of the maximum size implant that can communicate with power line communication technology. Electromagnetic compatibility tests were performed, which include conducted and radiated emissions to assure standard compliance and finally vibration tests were performed to assure the adequate mechanical resistance in real application conditions.

L’utilizzo di energie rinnovabili sta crescendo in tutto il mondo e negli ultimi anni gli impianti fotovoltaici sono duplicati. Uno degli aspetti fondamentali in questo campo, è la massimizzazione della produzione di energia e la sicurezza degli impianti. Con la collaborazione di STMicroelectronics, si è sviluppato e testato un prodotto chiamato SPPVJBCP02. Questo è un modulo intelligente fatto per essere collegato ad un singolo pannello fotovoltaico. La progettazione dell’impianto fotovoltaico basato sul SPPVJBCP02 seguirà le stesse regole di un impianto standard. Il numero minimo di pannelli collegati in serie sarà determinato dalla tensione minima richiesta dall’inverter per lavorare correttamente e il numero di stringhe collegate in parallelo nella rete dipenderà dalla produzione di potenza desiderata. L’SPPVJBCP02 possiede tutte le caratteristiche necessarie per aumentare l’efficienza, garantire le condizioni di sicurezza e provvedere alla comunicazione dei dati. Il modulo comprende: Diodi di bypass, algoritmo MPPT, monitoraggio del modulo, circuito di disconnessione del pannello dalla rete e la comunicazione. Riguardo alla caratteristica di comunicazione, questa tesi spiegherà perchè la Power Line Communication è stata scelta come la tecnologia più adatta per questo tipo di applicazione. La prima parte della tesi è sopratutto teorica. Verrà illustrata la progettazione dei diversi circuiti che compongono il modulo e la selezione dei componenti: diodi di bypass, alimentatore ausiliario a commutazione, includendo la scelta della topologia e analisi di stabilità, convertitore DC-DC, circuito di collegamento in rete tramite P.L.C., la scelta del microcontrollore e il firmware utilizzato per la verifica della comunicazione, circuito di scollegamento dalla rete e il circuito del sensore di tensione e corrente del pannello. Due sistemi integrati in chip della STMicroelectronics sono stati utilizzati nel modulo: SPV1020 e ST7580, nel convertitore DC-DC e nel sistema di collegamento in rete tramite power line rispettivamente. Le loro caratteristiche saranno descritte nella prima parte della tesi. La seconda, invece, è sperimentale. I calcoli svolti nella prima parte verranno validati in laboratorio mediante prototipi del modulo, la power line communication verrà testata e misurata con l’utilizzo di simulatori di pannello, per ottenere una prima valutazione della quantitá massima di pannelli che possono comunicare tramite tecnologia power line. Verifiche di compatibilità elettromagnetica verranno fatte , con misure di emissioni condotte e irradiate per assicurare la conformità con le norme e prove di resistenza alle vibrazioni per assicurare la solidità meccanica nelle condizioni reali di applicazione.