Advanced Control Design for Grid-Connected Photovoltaic System and Electric Drives = 그리드 연결 태양 광 시스템 및 전기 드라이브를위한 고급 제어 설계

국문 초록 (Abstract)

분산 발전 시스템에서 PV (Photovoltaic)의 적용은 전력 전자 기술 및 전 세계 환경 문제의 발전으로 더 많은 고려를 얻고 있습니다. 태양 광 발전은 전력 생성을 위해 태양 에너지를 소비하는 데 중요한 역할을합니다. 깨끗하고, 오염이없고, 풍부하고, 무한한 성질로 인해 태양 광 PV의 사용이 기하 급수적으로 증가하고 있습니다. 계통 연결 PV 시스템에서 다양한 전력 구조에 대해 높은 효율을 달성하려면 인버터의 설계 및 작동에 상당한주의가 필요합니다. 계통 연결 인버터에 대한 요구 사항은 다음과 같습니다. 계통에 주입 된 전류의 낮은 총 고조파 왜곡, 최대 전력 점 추적, 고효율 및 계통에 주입 된 제어 전력. 계통에 연결된 인버터의 성능은 주로 적용된 제어 방식에 따라 다릅니다. 이 논문에서는 PV 시장의 글로벌 상태, PV 시스템의 분류, 그리드 연결 PV 인버터의 구성, 다양한 인버터 유형의 분류 및 토폴로지가 개략적 인 방식으로 논의, 설명 및 제시됩니다. 단상 및 3 상 인버터의 제어 방법에 대한 간략한 요약도 제시되었습니다. 마지막으로 인버터 선택 기준과 향후 추세를 종합적으로 제시합니다.
또한 Grid-Connected PVS는 2 차 고조파 리플과 전류 컨트롤러를 극복하여 그리드에 고품질 전류를 공급하기 위해 고급 DC 링크 컨트롤러가 필요했습니다. 이 논문은 공진 고조파 보상기 (RHC)를 이용한 DC- 링크 전압 컨트롤러 및 비례 공진 (PR)을위한 퍼지 로직 기반 PI (F-PI) 및 퍼지 로직 기반 슬라이딩 모드 컨트롤러 (F-SMC)의 설계를 성공적으로 제시합니다. )를 단상 2 단계 그리드 연결 트랜스포머리스 (STGT) PV 인버터 용 전류 컨트롤러로 사용하십시오. 전류 컨트롤러는 피드 포워드 PV 전력 루프 유무에 따라 설계되어 역학 및 제어 기능을 향상시킵니다. SOGI (Second Order General Integral) 기반 PLL (Phase Lock Loop)은 빠른 동적 응답, 빠른 추적 정확도 및 고조파 내성을 갖도록 설계되었습니다. 3 kW STGT-PV 시스템은 Matlab / Simulink에서 시뮬레이션에 사용됩니다. 설계된 컨트롤러의 비교 평가는 기존의 잘 조정 된 PI 컨트롤러를 사용하여 수행됩니다. 설계된 컨트롤러는 그리드 연결 PV 시스템의 정상 상태 및 동적 성능을 향상시킵니다. 또한 결과, 성능 측정 분석 및 고조파 내용은 이전 작업과 관련된 설계된 컨트롤러의 견고성, 견고성 및 효율성을 인증합니다.
이 논문에서 미국 에너지 기반 단상 전압원 스마트 인버터 (SPV-SSI) 5kVA의 Smart Grid Initiative는 전력을 로컬 부하에 공급하고 그리드에 전력을 공급하는 기능을 결합한 세부 설계 및 분석되었습니다. , 인버터의 정격 용량까지 유틸리티로드에 전원 공급, 납 축전지 뱅크에 에너지 저장, 전압 강하 / 결함 동안 PCC (Point of Common Coupling) 지점에서 전압 제어 기능 및 실시간 의사 결정 기능 사전 계량을 통해 유틸리티 그리드에서 얻은 가격 정보. 이 논문은 또한 dq 동기식 레퍼런스 프레임, 양방향 DC-DC 벅-부스트 컨버터, IEEE 표준 1547 기반 아일랜드 및 리 클로저 및 STATCOM 기능에서 Smart Inverter의 완벽한 설계를 포함합니다. 또한 최적의 고급 컨트롤러, 즉 F-PI 및 F-SMC가 설계되었습니다. F-PI 및 F-SMC의 성능은 전압 제어 루프 (섬 모드) 및 전류 제어 루프 (그리드 연결 모드) 모두에 대해 기존의 튜닝 된 PI 컨트롤러와 비교하여 우수하고 안정적이며 강력합니다. 시뮬레이션 결과는 제안 된 컨트롤러의 효능을 효과적으로 검증합니다.
이 논문은 또한 고품질 전류를 공급하기 위해 RHC를 사용한 디지털 PR의 모델링 및 설계를 제시합니다. 신규성은 종래의 방법과는 다른 접근법으로 제어를 설계하는 것이다. 결과적으로 실무 엔지니어는 제어 전략을 쉽고 빠르고 정확하게 설계 할 수 있습니다. 제안 된 시스템은 유효 전력과 무효 전력을 효과적인 방식으로 주입 할 수 있습니다. 비 이상적이고 왜곡 된 그리드에서 잘 작동하는 동기 참조 프레임 기반 위상 잠금 루프가 동기화에 사용됩니다. 시뮬레이션 및 자동 코드 생성에 사용되는 플랫폼은 PSIM 9.1이며 코드 작성기 스튜디오 6.2.0은 디버깅에 사용됩니다. 설계 컨트롤러의 실행 가능성과 효과는 Texas Instruments의 DSP 보드 TMS32F28335에서 실시간 테스트를 위해 Typhoon (Hardware in Loop) HIL 402 장치를 사용하여 검증되었습니다. 설계된 컨트롤러는 다양한 왜곡, 방해 및 이상적이지 않은 조건에서 테스트됩니다. 시뮬레이션 및 HIL 결과는 설계된 컨트롤러의 견고성, 견고성 및 효능을 인증합니다.
최근에, 유도 모터 (IM)를위한 IFOC (Indirect Field Oriented Control) 방식은 고성능 응용 분야에서 널리 채택되고 있습니다. IFOC는 쉬운 하드웨어 구현과 함께 디커플링 토크 및 플럭스의 뛰어난 특성을 가지고 있습니다. 그러나 디 튜닝은 파라미터의 불확실성으로 인해 드라이브의 성능을 제한합니다. 기존에는 가변 속도 드라이브 응용 분야에서 PID 컨트롤러를 사용하는 것이 매우 빈번했습니다. 그러나 광범위한 속도로 IM을 작동 할 수는 없습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 최적의 강력하고 적응 형 제어 알고리즘이 주로 사용됩니다. 이 논문에 제시된 작업은 적응 PI 컨트롤러, 슬라이딩 모드 제어, SD (Steepest Descent) 기반의 퍼지 로직 (FL) 제어, Levenberg-Marquardt (LM) 알고리즘을 포함한 새로운 최적의 강력하고 적응 형 제어 전략을 기반으로합니다. , FL은 뉴턴 알고리즘 (NA) 기반, FL은 가우스 뉴턴 알고리즘 (GNA) 및 하이브리드 제어 (HC) 기반의 적응 형 슬라이딩 모드 컨트롤러 또는 기존의 제어 전략의 결함을 극복합니다. 또한 주요 주제는보다 빠른 동적 응답, 파라미터 불확실성 및 속도 변동에 대한 안정적인 작동, IM의 토크 및 효율을 극대화하는 강력한 제어 체계를 설계하는 것입니다. IM 컨트롤의 테스트 벤치에는 IM 모델, 인버터 모델 및 컨트롤 구조의 세 가지 주요 부분이 있습니다. IM은 dq 모델링을 사용하여 동기식 프레임으로 모델링되는 반면 SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation) 기술은 인버터 변조에 사용됩니다. 제안 된 컨트롤러는 파라미터 불확실성, 속도 변화, 부하 장애 및 전기 고장과 같은 다양한 조건을 고려하여 PI 컨트롤러와 비교하여 비판적으로 분석 및 비교됩니다. 또한 결과는 설계된 컨트롤러의 효과를 검증 한 후 이전 작업과 관련이 있습니다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The application of Photovoltaic (PV) in the distributed generation system is acquiring more consideration with the developments in power electronics technology and global environmental concerns. Solar PV is playing a key role in consuming the solar energy for the generation of electric power. The use of solar PV is growing exponentially due to its clean, pollution-free, abundant, and inexhaustible nature. In grid-connected PV systems, significant attention is required in the design and operation of the inverter to achieve high efficiency for diverse power structures. The requirements for the grid-connected inverter include; low total harmonic distortion of the currents injected into the grid, maximum power point tracking, high efficiency, and controlled power injected into the grid. The performance of the inverters connected to the grid depends mainly on the control scheme applied. In this thesis, the global status of the PV market, classification of the PV system, configurations of the grid-connected PV inverter, classification of various inverter types, and topologies are discussed, described and presented in a schematic manner. A concise summary of the control methods for single- and three-phase inverters has also been presented. Finally, the criteria for the selection of inverters and the future trends are comprehensively presented.
In addition, Grid-Connected PVS required advance DC-link controllers to overcome second harmonic ripple and current controllers to feed-in high-quality current to the grid. This thesis successfully presents the design of a Fuzzy-Logic Based PI (F-PI) and Fuzzy-Logic based Sliding Mode Controller (F-SMC) for the DC-link voltage controller and Proportional Resonant (PR) with Resonant Harmonic Compensator (RHC) as a current controller for a Single-Phase Two-Stages Grid-connected Transformerless (STGT) PV Inverter. The current controller is designed with and without a feedforward PV power loop to improve dynamics and control. A Second Order General Integral (SOGI)-based Phase Lock Loop (PLL) is also designed that has a fast-dynamic response, fast-tracking accuracy, and harmonic immunity. A 3 kW STGT-PV system is used for simulation in Matlab/Simulink. A comparative assessment of designed controllers is carried out with a conventionally well-tuned PI controller. The designed controllers improve the steady-state and dynamic performance of the grid-connected PV system. In addition, the results, performance measure analysis, and harmonics contents authenticate the robustness, fastness, and effectiveness of the designed controllers, related to former works.
In this thesis, Smart Grid Initiative of the U.S department of energy based Single Phase Voltage-Source Smart Inverter (SPV-SSI) 5 kVA is designed and analyzed in detail that has the combined capability of supplying power to local load, injecting power into grid, supplying power to the utility load up to rated capacity of the inverter, store energy in lead acid battery bank, the ability to control voltage at the Point of Common Coupling (PCC) during voltage sags/faults, and decision making capability on real time pricing information obtained from the utility grid through advance metering. This thesis also includes complete design of Smart Inverter in dq synchronous reference frame, bidirectional DC-DC Buck-Boost converter, IEEE standard 1547 based islanding and recloser, and STATCOM functionalities. Moreover, optimal and advance controllers i.e. F-PI and F-SMC are designed. The performance of F-PI and F-SMC is superior, stable, and robust in comparison to that of conventionally tuned PI controllers both for voltage control loop (islanded mode) and current control loop (grid connected mode). The simulation results effectively validate the efficacy of the proposed controllers.
This thesis also presents modeling and design of a digital PR with RHC to feed-in high quality current. The novelty is on designing the control in a different approach than the conventional methods. As a result, practical engineers find an easy, fast and accurate way to design the control strategy. The proposed system has the capability to inject both active and reactive power in an effective manner. Synchronous reference frame-based phase lock loop that works well under nonideal and distorted grids, is used for synchronization. The platform used for simulation and auto code generation is PSIM 9.1 while code composer studio 6.2.0 is used for debugging. The feasibility and effectiveness of the design controller is also validated using Typhoon (Hardware in Loop) HIL 402 device for real time testing on the DSP board TMS32F28335 from Texas Instruments. The designed controller is tested under various distortion, disturbance, and non-ideal condition. The simulation and HIL results authenticate the robustness, fastness, and efficacy of the designed controller.
Recently, the Indirect Field Oriented Control (IFOC) scheme for Induction Motors (IM) has gained wide acceptance in high performance applications. The IFOC has remarkable characteristics of decoupling torque and flux along with an easy hardware implementation. However, the detuning limits the performance of drives due to uncertainties of parameters. Conventionally, the use of a PID controller has been very frequent in variable speed drive applications. However, it does not allow for the operation of an IM in a wide range of speeds. In order to tackle these problems, optimal, robust, and adaptive control algorithms are mostly in use. The work presented in this thesis is based on new optimal, robust, and adaptive control strategies, including an Adaptive PI controller, sliding mode control, Fuzzy Logic (FL) control based on Steepest Descent (SD), Levenberg-Marquardt (LM) algorithms, FL based on Newton Algorithm (NA), FL based on Gauss Newton Algorithm (GNA) and Hybrid Control (HC) or adaptive sliding mode controller to overcome the deficiency of conventional control strategies. In addition, The main theme is to design a robust control scheme having faster dynamic response, reliable operation for parameter uncertainties and speed variation, and maximized torque and efficiency of the IM. The test bench of the IM control has three main parts: IM model, Inverter Model, and control structure. The IM is modelled in synchronous frame using dq modelling while the Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM) technique is used for modulation of the inverter. Our proposed controllers are critically analyzed and compared with the PI controller considering different conditions: parameter uncertainties, speed variation, load disturbances, and under electrical faults. In addition, the results validate the effectiveness of the designed controllers and are then related to former works.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction, Motivation, Contribution 1
• 1.1 Background and Motivation 1
• 1.2 Problem Statement 6
• 1.3 Thesis Objectives 8
• 1.4 Thesis Limitation 8
• 1.5 Contribution: 9
• 1.6 Thesis Outline 12
• 1.7 References 12
• 2. A Comprehensive review on Inverter Topologies and Control Strategies for Grid Connected Photovoltaic System 16
• 2.1 Introduction 16
• 2.2 Global Status of the PV Market 20
• 2.3 Classification of the Power Electronic based Converters 21
• 2.3.1 Line-Commutated Inverters 21
• 2.3.2 Self-Commutated Inverter 22
• 2.4 Various Inverter Topologies 25
• 2.4.1 Inverters based on number of power processing stages 25
• 2.4.2 Transformer and transformer less inverters 28
• 2.4.3 Multilevel Inverters 31
• 2.4.4 Soft/Hard Switching Inverters 34
• 2.5 Classification of Photovoltaic System 36
• 2.6 Configurations of the grid-connected PV inverters 38
• 2.6.1 Central Inverters 38
• 2.6.2 String Inverters 39
• 2.6.3 Multi-string inverter 40
• 2.6.4 AC Modules 41
• 2.6.5 Control of grid-connected photovoltaic system 42
• 2.7 Comparative Assessment of Industrial Inverters 44
• 2.8 Future scope of the research 46
• 2.9 Conclusion and Future Work 46
• 2.10 References 49
• 3. Design of Fuzzy-PI and Fuzzy-SMC for Single-Phase Two-Stages Grid-Connected Transformerless PV Inverter 65
• 3.1 Introduction 65
• 3.2 Proposed System Design 68
• 3.2.1 DC-DC Converter 69
• 3.2.2 DC-AC Inverter 69
• 3.3 Control of Transformerless PV Inverter 70
• 3.3.1 Control Loop Design 70
• 3.3.2 Second Order Generalized Integrator (SOGI) PLL Design 72
• 3.4 Proposed Adaptive Controllers 73
• 3.4.1 Proposed Fuzzy-PI Controller 73
• 3.4.2 Design of Fuzzy-Sliding Mode Controller 75
• 3.5 Results and Discussion 77
• 3.5.1 Case I: Without Feedforward Loop of PV Power 77
• 3.5.2 Case II: With Feedforward Loop of PV Power 80
• 3.6 Conclusion 83
• 3.7 Appendix 84
• 3.8 References 85
• 4. Design of High-Performance and Multi-Functional Control for Transformerless Single Phase Smart Inverter for Grid Connected PV System 92
• 4.1 Introduction 92
• 4.2 Mathematical Modelling 94
• 4.3 Proposed Inverter and Smart Functionalities 97
• 4.4 Controller Design 100
• 4.4.1 Design of Fuzzy-PI Controller 100
• 4.4.2 Designed Fuzzy-Sliding Mode Controller 102
• 4.5 Performance Evaluation: 104
• 4.6 Conclusion 111
• 4.7 References 112
• 5. A Novel Design of Robust Digital PR Controller with RHC for Three Phase Grid Connected Photovoltaic System 117
• 5.1 Introduction 117
• 5.2 Three Phase grid Connected System 119
• 5.2.1 Mathematical Modeling of the System 119
• 5.2.2 System Description 120
• 5.2.3 SRF-PLL Design 122
• 5.3 Design Digital PR with RHC 122
• 5.3.1 Proportional Resonant Controller 122
• 5.3.2 PR Controller with Resonant Harmonic Compensator 123
• 5.3.3 Resonant Harmonic Compensator Coefficient Calculation 124
• 5.4 Results and Discussion 125
• 5.4.1 Simulation Results 125
• 5.4.2 Hardware in Loop (HIL) Results 129
• 5.5 Conclusion 133
• 5.6 Appendix 134
• 5.7 References: 134
• 6. Dynamic Simulation of Adaptive Design Approaches to Control the Speed of an IM Considering Parameter Uncertainties and External Perturbations 142
• 6.1 Introduction 142
• 6.2 Modelling of IM in Synchronous Reference Frame 145
• 6.2.1 Stator Model 145
• 6.2.2 Rotor Model 146
• 6.2.3 Rotor Electromagnetic Torque 146
• 6.2.4 Electrodynamics of IM 146
• 6.3 Field Oriented Control Schemes 147
• 6.3.1 Field Oriented Control Schemes: A Taxonomy Overview 148
• 6.3.2 Implementation of Indirect Field Oriented Control Schemes 149
• 6.3.3 Proposed Model of Indirect Field Oriented Control 150
• 6.4 Optimal Speed Controllers: A Design Overview 151
• 6.4.1 PI Control Scheme Design 151
• 6.4.2 Adaptive PI Control Scheme Design 151
• 6.4.3 Proposed FLC based on LM 153
• 6.4.4 Proposed FLC based on SD 156
• 6.4.5 Sliding Mode Control (SMC) Strategy 158
• 6.4.6 Designed Hybrid Controller 159
• 6.4.7 Results and Discussions 161
• 6.5 Conclusion and Future Work 170
• 6.6 Appendix A 171
• 6.7 References 172
• 7. Robust Speed Regulation of Indirect Vector Control IM using Fuzzy logic Controllers based on Optimization Algorithms 176
• 7.1 Introduction 176
• 7.2 Mathematical Modelling of Induction Motor 179
• 7.3 Vector Control Schemes 179
• 7.4 Robust Speed Controllers: A Design Overview 179
• 7.4.1 Proposed Fuzzy Logic Controller based on LM 180
• 7.4.2 Planned Steepest Descent Controller 180
• 7.4.3 Fuzzy logic Controller Based on Newton Algorithm Design 180
• 7.4.4 Fuzzy logic Based on Gauss Newton Design 181
• 7.5 Performance Evaluation 182
• 7.5.1 Electrical Faults with load variation 183
• 7.5.2 Speed variation along with load disturbances 185
• 7.5.3 Parameter and Load variation 185
• 7.6 Conclusion and Future Work 189
• 7.7 Appendix 190
• 7.8 References 191
• 8. Conclusion and Future Work 196
• 8.1 Summary 196
• List of Papers Published 199
• Journal Papers 199
• Conference Papers 200
• Korean Abstract 201
• Acknowledgements 206