کنترل اینورتر فتوولتائیک سه فاز متصل به شبکه با استفاده از تکنیک مد لغزشی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

پژوهشکدۀ انرژی ـ پژوهشگاه مواد و انرژی، کرج ـ ایران

چکیده

اینورتر سه‌فاز متصل به شبکه، واسط میان مولدهای برق تجدیدپذیر و شبکۀ برق سراسری است. این مبدل از یک‌سو با مولد برق تجدید‌‌پذیر در ارتباط است و تغییرات در آن سمت را تجربه می‌کند و از سمت دیگر، با شبکۀ سراسری برق در ارتباط است و شرایط غیر ایده‌آل در سمت شبکه را تجربه می‌کند. بر این‌اساس، اینورتر سه‌فاز متصل به شبکه ‌باید به یک سیستم کنترل مقاوم مجهز باشد. در این مقاله، یک کنترل‌کنندۀ مد لغزشی برای اینورتر فتوولتائیک سه‌فاز متصل به شبکه به عنوان یک کنترل‌کنندۀ مقاوم غیر خطی ارائه می‌شود. کنترل‌کنندۀ مد لغزشی در اینجا با هدف تنظیم جریان‌های سه‌فاز تزریقی به شبکه به کار گرفته می‌شود. هدف کلی‌‌‌تر در سیستم کنترل اینورتر فتوولتائیک سه‌فاز متصل به شبکۀ پیشنهادی، استحصال حداکثر توان قابل تأمین از منبع فتوولتائیک و تزریق آن به شبکۀ برق سراسری است. به این‌منظور، در آن از الگوریتم ردیابی نقطۀ حداکثر توان مناسب برای یافتن ولتاژ نقطۀ حداکثر توان بهره گرفته شده است که این ولتاژ به عنوان ولتاژ مرجع لینک DC اینورتر در نظر گرفته می‌شود. به ازای ضریب توان «واحد» در سمت شبکه، تغییرات توان تولیدی منبع فتوولتائیک، به معنای تغییرات در دامنۀ جریان تزریقی به شبکه است. بنابراین، کنترل‌کنندۀ مد لغزشی با تنظیم جریان‌های تزریقی به شبکه در مقادیر مرجع آن‌ها، تزریق حداکثر توان قابل استحصال از منبع فتوولتائیک به شبکۀ سراسری برق را ممکن می‌سازد. در این مقاله، پس از طراحی کنترل‌کنندۀ مد لغزشی، عملکرد آن توسط مدل سوئیچینگ دقیقی که در نرم‌افزار MATLAB/Simulnik برای اینورتر فتوولتائیک سه‌فاز متصل به شبکه ایجاد شده، مورد ارزیابی قرار گرفته است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Control of Three-Phase Grid-Tied PV Inverters using Sliding Mode Technique

نویسندگان [English]

  • Mohammad Reza Ghodsi
  • Farhad Barati
  • Majid Jamil
Division of Energy, Materials and Energy Research Center, Karaj, Iran
چکیده [English]

Three-phase grid-tied inverters are the key technology for integrating renewable sources into the utility grid. They interact with the renewable source which has a variable nature from one side and with the utility grid which is non-ideal in most cases from the other side. So, they must be equipped with a robust control system. In this paper, a sliding mode controller is proposed as a robust nonlinear control technique for three-phase grid-tied inverters. It is employed for the purpose of regulations of the three-phase injected currents to grid. The main function of the control system of a three-phase grid-tied PV inverter is, however, to extract the maximum possible power from the PV and inject it to the utility grid. For this purpose, the control system is equipped with a maximum power point tracking algorithm for obtaining the voltage of the maximum power point at any weather conditions. The obtained voltage is employed as the reference value for the DC link voltage. We employ an appropriate maximum power point tracking algorithm in this paper. For the unity power factor at the point of common couplings, a variable power extracted from the PV results in varying the amplitudes of injected currents to grid accordingly. The proposed sliding mode controller, by regulating the injected currents to grid at their appropriate reference values, makes the injection of maximum extractable power from the PV to the utility grid possible. The performance of the proposed approach is validated using a detailed switching model developed for the three-phase grid-tied PV inverter in MATLAB/Simulink environment.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Three-Phase Grid-Tied Inverters
  • PV
  • Sliding Mode Control
  • Maximum Power Point Tracking Algorithm
[1]        A. Das, H. K. Jani, G. Nagababu, and S. S. Kachhwaha, “A comprehensive review of wind–solar hybrid energy policies in India: Barriers and Recommendations,” Renew. Energy Focus, vol.35, pp.108-121, 2020.
[2]        N. Omar, A. K. Tiwari, and K. Seethalekshmi, “Design of a novel synchronized transition control and processor in the loop validation with TI C2000 DSP TMS320F28335 for microgrid operations,” in 2021 Int. Conf. on Technology and Policy in Energy and Electric Power, pp. 169–174.
[3]        S. Sarkar, M. S. Bhaskar, K. U. Rao, V. Prema, D. Almakhles, and U. Subramaniam, “Solar PV network installation standards and cost estimation guidelines for smart cities,” Alexandria Eng. J., vol. 61, no. 2, pp. 1277–1287, 2022.
[4]        W. Ali, H. Farooq, A. U. Rehman, Q. Awais, M. Jamil, and A. Noman, “Design considerations of stand-alone solar photovoltaic systems,” in 2018 Int. Conf. on Computing, Electronic and Electrical Engineering, pp. 1–6.
[5]        M. Sarvi and A. Azadian, “A comprehensive review and classified comparison of MPPT algorithms in PV systems,” Energy Syst., pp. 1–40, 2021.
[6]        K. Gupta etal., “Effect of various incremental conductance MPPT methods on the charging of battery load feed by solar panel,” IEEE Access, vol. 9, pp. 90977–90988, 2021.
[7]        S. Kouro, J. I. Leon, D. Vinnikov, and L. G. Franquelo, “Grid-connected photovoltaic systems: An overview of recent research and emerging PV converter technology,” IEEE Ind. Electron. Mag., vol. 9, no. 1, pp. 47–61, 2015.
[8]        I. Vairavasundaram, V. Varadarajan, P. J. Pavankumar, R. K. Kanagavel, L. Ravi, and S. Vairavasundaram, “A Review on small power rating PV inverter topologies and smart PV inverters,” Electronics, vol. 10, no. 11, 2021.
[9]        F. Barati, A. Mazaheri, and M. Jamil, “A simulation-aided LCL filter design for grid-interactive three-phase photovoltaic inverters,” J. Sol. Energy Res., vol. 4, no. 4, pp. 229–236, 2019.
[10]      M. Dursun and M. K. DÖŞOĞLU, “LCL filter design for grid connected three-phase inverter,” in 2018 Int. Symp.on Multidisciplinary Studies and Innovative Technologies, pp. 1–4.
[11]      A. Mazaheri, F. Barati and F. Ghavipanjeh, "Multi-variable PI control design for grid-tied three-phase PV inverters," 2019 Iranian Conf. on Renewable Energy & Distributed Generation, pp. 1-5.
[12]      A. Mazaheri, F.Barati, and F.Ghavipanjeh, “Dead-time compensation in three-phase grid-tied inverters using LQG multivariable control, ” Scientific Reports, vol.13, no. 1, 2023.
[13]      H. K. Khalil and J. W. Grizzle, Nonlinear systems, Prentice Hall, 2002.
[14]      J. E. Slotine and W. Li, Applied nonlinear control, Prentice Hall, 1991.
[15]      A. Mehta and B. Naik, Sliding mode controllers for power electronic converters, Springer, 2019.
[16]      S.C. Tan, Y.M. Lai, and C.K. Tse, Sliding mode control of switching power converters: techniques and implementation. CRC press, 2018.
[17]      H. Li, W. Wu, M. Huang, H. S. Chung, M. Liserre, and F. Blaabjerg, “Design of PWM-SMC controller using linearized model for grid-connected inverter with LCL filter,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 35, no. 12, pp. 12773–12786, 2020.
[18]      V. Rajakumar, K. Anbukumar, and I. Selwynraj, “Sliding mode controller-based voltage source inverter for power quality improvement in microgrid,” IET Renew. Power Gener., vol. 14, no. 11, pp. 1860–1872, 2020.
[19]      Y. Chaibi, M. Salhi, and A. El-Jouni, “Sliding mode controllers for standalone PV systems: modeling and approach of control,” Int. J. Photoenergy, vol. 2019, 2019.
[20]      K. Rayane, M. Bougrine, A. Benalia, and K. Guesmi, “Sliding mode control of a three-phase inverter with an output LC filter,” in 2018 Int. Conf. on Applied Smart Systems, pp. 1–4.
[21]      C. J. O’Rourke, M. M. Qasim, M. R. Overlin, and J. L. Kirtley, “A geometric interpretation of reference frames and transformations: dq0, clarke, and park,” IEEE Trans. Energy Convers., vol. 34, no. 4, pp. 2070–2083, 2019.
[22]      A.Yazdani and R. Iravani, Voltage-sourced converters in power systems: modeling, control, and applications, John Wiley, 2010.
[23]      “PV array block in Simulink”, MathWorks Inc., 2018. https://www.mathworks.com/help/physmod/sps/powersys/ref/pvarray.html.
[24]      M. Drif, M. Bahri, and D. Saigaa, “A novel equivalent circuit-based model for photovoltaic sources,” Optik (Stuttg.), vol. 242, p. 167046, 2021.
[25]      D. Wei, M. Wei, H. Cai, X. Zhang, and L. Chen, “Parameters extraction method of PV model based on key points of IV curve,” Energy Convers. Manag., vol. 209, p. 112656, 2020.
[26]      A.Babu and P. Pathipooranam, “PV module temperature estimation by using ANFIS,” in Springer 2020 Soft Computing for Problem Solving, pp. 311–318.
[27]      M.R.Ghodsi, Design and simulation of sliding mode controller for three-phase grid-connected inverter [In Persian], Master's thesis, Materials and Energy Research Center, 2024.
[28]      “IEEE recommended practice for utility interface of photovoltaic (PV) systems,” , 2000.
[29]      “IEEE 1547 standard for interconnecting distributed resources with electric power systems,” IEEE Standard, 2003.