Contribution to the analysis of the performance of distributed PV systems

Leloux, Jonathan (2019). Contribution to the analysis of the performance of distributed PV systems. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. y Sistemas de Telecomunicación (UPM).


Title: Contribution to the analysis of the performance of distributed PV systems
  • Leloux, Jonathan
  • Narvarte Fernández, Luis
Item Type: Thesis (Doctoral)
Read date: 2019
Faculty: E.T.S.I. y Sistemas de Telecomunicación (UPM)
Department: Ingeniería Audiovisual y Comunicaciones
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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This work aims to constitute a contribution to the field of the analysis of the performance of distributed photovoltaic (PV) systems and to the detection of faults of operation that can hinder their performance. With that objective in view, the work has been articulated around three main lines of research: the analysis of the performance of dozens of thousands of PV systems in Europe, the development of a novel fault detection method applied to PV system fleets, and the generation of solar irradiation data from the PV energy output. We have based our analysis on the operational data monitored at more than 31,000 PV systems in Europe, with special focus over Belgium and France, and in a lesser extent to the UK and Spain. For the analysis of the performance of PV systems, three main questions are posed: how much energy do they produce? What level of performance is associated with their production? Which are the key parameters have the most influence on their quality? The mean Energy Yield of the PV systems located in each of the four reference countries is 1115 kWh/kWp for France, 898 kWh/kWp for the UK, 908 kWh/kWp for Belgium, 1450 kWh/kWp for the PV plants in Spain mounted on a static structure, and 2127 kWh/kWp for those mounted on a solar tracker in Spain. The quality of the PV systems is quantified using the Performance Ratio (PR), and the Performance Index (PI). After a mean exposure time of 2 years, the mean value of Performance Ratio is 78% in Belgium and 76% in France, and the mean Performance Index of the PV systems is 85% in both countries, which implies that the typical real PV system produces 15% less than a very high-quality PV system (or reference PV system) under the same conditions. On average, the real power of the PV modules falls some 5% below their corresponding nominal power announced on the manufacturer’s datasheet. However, some modules show a real power more than 15% below the nominal power announced by their manufacturer. A brief analysis by PV module technology has led to relevant observations about two technologies. On the one hand, the PV systems equipped with Heterojunction with Intrinsic Thin layer (HIT) modules show performances higher than average. On the other hand, the systems equipped with Copper Indium Gallium Selenide (CIGS/CIS) modules show a real power that is 16 % lower than their nominal value. We have shown that the distribution of the yearly integrated PR can be modeled well using a Weibull distribution for PR values ranging from 60% to 90%. This range of values represents the majority of the PV systems, and we suggest that they are representative of the state of the art for PV systems in Europe. The typical PR value for the PV systems installed in Europe before 2015 is 79% and its value for the PV systems installed in the last few years is 81%. We have observed that the performance of the PV systems tends to increase when the peak power of the PV systems increases. We have found significant performance differences as a function of the inverter manufacturer, and the PV module manufacturer and technology. We have found an improvement of the state of the art, in the form of an increase in performance in the yearly integrated PR of around 3 to 4% over the last seven years, which represents an increase of about 0.5% per year. This work presents a fault detection procedure applied to distributed PV system fleets, based on a novel performance indicator, designated as Performance to Peers (P2P), that can be constructed on the sole basis of the comparison of the energy production data of several neighboring PV systems. This work explains how to construct this performance indicator and how to use it to carry out automatic fault detections. This fault detection procedure has been developed in the context of the performance analysis carried out on approximately 6,000 PV installations located in Europe, and it is illustrated and discussed through real application cases. The P2P has been shown to be more stable than the Performance Ratio (PR), in particular in the presence of sub-par metadata on the PV systems, and it thus constitutes a more robust performance indicator for fault detection. The main limitations of this novel methodology are discussed, and several future lines of research are suggested. Considering the dense network of residential photovoltaic (PV) systems implemented in Belgium, this work evaluates the opportunity of deriving solar irradiation data from the electrical energy production registered at PV systems. The study is based on one year (i.e., 2014) of hourly PV power output collected at a representative sample of roughly 1500 residential PV installations. Our results indicate that the accuracy of the derived solar irradiation data depends on a number of factors including the weather conditions, the density of PV systems, and other data sources that can be accessed to complement the PV data. In particular, the computed solar irradiation data degrade as the information about the orientation and tilt angles of the PV generator becomes more inaccurate. ----------RESUMEN---------- El objetivo de este trabajo es constituir una contribución al campo del análisis de la productividad energética de los sistemas fotovoltaicos (PV) distribuidos y a la detección de fallos de operación que pueden afectarla. Con ese objetivo en mente, el trabajo se ha articulado en torno a tres líneas principales de investigación: el análisis dea la productividad de docenas de miles de sistemas fotovoltaicos en Europa, el desarrollo de un método novedoso de detección de fallos aplicado a las flotas de sistemas fotovoltaicos y la generación de datos de irradiación solar a partir de datos de producción de energía fotovoltaica. Hemos basado nuestro análisis en los datos operativos monitoreados en más de 31,000 sistemas fotovoltaicos en Europa, con un enfoque especial sobre Bélgica y Francia, y en menor medida el Reino Unido y España. Para el análisis de la productividad de los sistemas fotovoltaicos, se plantean tres preguntas principales: ¿cuánta energía producen? ¿Qué nivel de productividad está asociado con su producción energética? ¿Cuáles son los parámetros clave que más influyen en su calidad? El productividad energética promedia de los sistemas fotovoltaicos ubicados en cada uno de los cuatro países de referencia es de 1115 kWh/kWp para Francia, 898 kWh/kWp para el Reino Unido, 908 kWh/kWp para Bélgica, 1450 kWh/kWp para las plantas fotovoltaicas en España montadas sobre una estructura estática, y 2127 kWh/kWp para las plantas usando en un seguidores solares en España. La calidad de los sistemas fotovoltaicos se cuantifica utilizando el Performance Ratio (PR) y el Performance Index (PI). Después de un tiempo medio de exposición de 2 años, el PR promedio es del 78% en Bélgica y 76% en Francia, y el PI promedio de los sistemas fotovoltaicos es del 85% en ambos países, lo que implica que el sistema fotovoltaico real típico produce un 15% menos que un sistema fotovoltaico de muy alta calidad (o sistema fotovoltaico de referencia) en las mismas condiciones. En promedio, la potencia real de los módulos fotovoltaicos cae aproximadamente un 5% por debajo de su potencia nominal correspondiente anunciada en la hoja técnica del fabricante. Sin embargo, algunos módulos muestran una potencia real de más del 15% por debajo de la potencia nominal anunciada por su fabricante. Un breve análisis por la tecnología del módulo fotovoltaico ha llevado a observaciones relevantes sobre dos tecnologías. Por un lado, los sistemas fotovoltaicos equipados con módulos de tecnología Heterojunction with Intrinsic Thin layer (HIT) muestran rendimientos superiores a la media. Por otro lado, los sistemas equipados con los módulos de tecnología copper indium gallium selenide (CIGS/CIS) muestran una potencia real que es 16% más baja que el valor nominal. Hemos mostrado que la distribución del PR anual se puede modelar de manera satisfactoria utilizando una distribución de Weibull para valores de PR entre el 60% y el 90%. Este rango de valores representa la mayoría de los sistemas fotovoltaicos, y sugerimos que es representativo del estado del arte de los sistemas fotovoltaicos en Europa. El valor de PR típico para los sistemas fotovoltaicos instalados en Europa antes del 2015 es del 79% y su valor para los sistemas fotovoltaicos instalados en los últimos años es del 81%. Hemos observado que la productividad de los sistemas fotovoltaicos tiende a aumentar cuando aumenta la potencia pico de estos sistemas. Hemos encontrado diferencias de productividad significativas en función del fabricante del inversor y de tanto el fabricante como la tecnología del módulo fotovoltaico. Hemos encontrado una tendencia hacia una mejora estado del arte con el tiempo, en la forma de un aumento en el rendimiento en el PR anual de alrededor de 3 a 4% en los últimos siete años, lo que representa un aumento de aproximadamente 0,5% por año. Este trabajo presenta un procedimiento de detección de fallos aplicado a las flotas de sistemas fotovoltaicos distribuidos, basado en un indicador de productividad novedoso, designado como Performance to Peers (P2P), que puede construirse basándose únicamente en la comparación de los datos de producción de energía de varias instalaciones fotovoltaicas vecinas. Este trabajo explica cómo construir este indicador de productividad y cómo usarlo para realizar detecciones automáticas de fallos. Este procedimiento de detección de fallos se ha desarrollado en el contexto del análisis de la productividad energética aplicada a aproximadamente 6000 instalaciones fotovoltaicas ubicadas en Europa, y se ilustra y discute a través de casos de aplicaciones reales. Se ha demostrado que el P2P es más estable que el PR, en particular en presencia de imperfecciones en los metadatos sobre instalaciones fotovoltaicas, y por lo tanto constituye un indicador de productividad más robusto para la detección de fallos. Se discuten las principales limitaciones de esta nueva metodología y se sugieren varias líneas de investigación futuras. Aprovechando la densa red de sistemas fotovoltaicos residenciales instalados en Bélgica, este trabajo estudia la oportunidad de obtener datos de irradiación solar a partir de la producción de energía eléctrica registrada en los sistemas fotovoltaicos. El estudio se basa en un año datos (en concreto, 2014) de producción de energía fotovoltaica registrada con paso horario en una muestra representativa de aproximadamente 1500 instalaciones fotovoltaicas residenciales. Nuestros resultados indican que la precisión de los datos de irradiación solar derivados depende de una serie de factores que incluyen las condiciones climáticas, la densidad de los sistemas fotovoltaicos, y otras fuentes de datos a las que se puede acceder para complementar los datos de producción fotovoltaica. En particular, los datos calculados de irradiación solar se degradan a medida que la información sobre los ángulos de orientación e inclinación del generador fotovoltaico se vuelve más inexacta.

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Item ID: 57788
DC Identifier:
OAI Identifier:
DOI: 10.20868/UPM.thesis.57788
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 29 Jan 2020 07:06
Last Modified: 01 Jun 2022 14:31
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