SUPERVISOR
Hamid Reza Karshenas,Ahmadreza Tabesh
حمیدرضا کارشناس (استاد مشاور) احمدرضا تابش (استاد راهنما)
STUDENT
Mehrnaz Madadi
مهرناز مددی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390
TITLE
Modeling and Control of Electronic Interfaces for Photovoltaic Power Plants with Reactive Power Capability
Environmental pollution of fossil fuels along with the rising cost of these finite energy resources are the major reasons for the accelerated growth of renewable energy sources especially wind and solar energy over the past few years. In the meantime, solar energy, an infinite source of clean energy, is on the rise as a response to the development of PV technologies and the improvement of PV panels efficiency. Significantpricereduction for PV panels has provided economic justification for a steep increase in the pace of large-scale PV plants installation over the last five years. Now in most industrialized countries, many utility-scale PV power projects are under construction or in operationat a scaleof at least 100 MWp. Traditionally, the main priority of the solar inverter control algorithms is the injection ofmaximum available active power from the solar arrays to the grid. More recently, due to the increment of inverters power rating in utility-scale PV plants the possibility of controlling reactive power has been provided which results in voltage stability margin improvement and powerlosses reduction. Therefore, independent power providers have shown interestin the capability of solar inverters to also control reactive power.There are many inverters in a large-scale PV power plant which their output power widely varies during a day. Especially in cloudy conditions or at night active power output of inverters is much less than their rated power capacity. By employing appropriate control methods, these surplus capacitiesof thesolarinverters in a PV power plant can be usedforreactive powerinjection to the grid. Even in emergency conditions, the amount of active power exchange can be reduced to compensate reactive power. This thesis proposes a dynamic model for a PV power system based on instantaneous active/reactive power components which facilitates control of reactive power in PV inverters. Since instantaneous active/reactive power components are independent of any qd reference frame, thus, the designed controller is inherently robust against the system dynamics. It is also shown that using power components instead of conventional qd current components as the system state variables in the proposed model, reduces the nonlinearities in system dynamicsequations. Moreover, this thesis introduces two control methods based on this model. The first method adopts the sequential loop closing technique and the second one uses feedback linearization technique to control theactiveandreactivepowerof PV power plant independently. The validity and performance of the proposed model and control approaches are investigated through both time-domain simulation of a 120 kW grid-connected PV system and a low-power laboratory prototype of a PV inverter. Close match between simulation and experimental results verifies the accuracy of the model. It also indicates that this model can successfully control theactiveandreactive power independently apart from the salient features of controller such as fastresponse, zero tracking error, and disturbancerejection capability. Keywords: Dynamic modelling, Control of grid-connected PV system, Control of instantaneous active and reactive power components, Multivariable control of PV system, Feedback linearization method.
آلودگی های زیست محیطی، پایان پذیر بودن سوخت های فسیلی و افزایش قیمت آن ها موجب شده است که استفاده از منابع تولید پراکنده با واسطه الکترونیکی به ویژه در سیستم های انرژی بادی و خورشیدی در سال های اخیر رشد چشم گیری داشته باشد. در این میان گرایش به انرژی خورشیدی به عنوان یک منبع انرژی پاک و پایان ناپذیر با پیشرفت فناوری ساخت سلول های فتوولتایی و افزایش بازده آن ها به شدت افزایش یافته است به طوری که با کاهش شدید قیمت تولید سلول های خورشیدی در پنج سال گذشته، استفاده از نیروگاه های توان بالای خورشیدی فتوولتایی از جنبه اقتصادی توجیه پذیرتر شده است. در حال حاضر در اکثر کشورهای صنعتی طرح های نیروگاهی فتوولتایی در مقیاس بالاتر از صد مگاوات در حال ساخت و یا بهره برداری می باشد. در الگوریتم های کنترلی مدارهای واسطه های الکترونیکی سیستم های فتوولتایی، اولویت اصلی تزریق بیشینه توان اکتیو قابل دریافت از خورشید به شبکه می باشد. البته با توجه به امکان کنترل توان راکتیو به دلیل افزایش ظرفیت مبدل های الکترونیکی در نیروگاه های بزرگ و اهمیت کنترل توان راکتیو در بهبود حاشیه پایداری ولتاژ سیستم قدرت وکاهش تلفات، اخیرا بحث کنترل توان راکتیو توسط مبدل های نیروگاه های فتوولتایی نیز مورد توجه پژوهش گران قرار گرفته است. یک نیروگاه فتوولتایی از مبدل های الکترونیکی متعددی تشکیل شده که توان خروجی آن ها در طول شبانه روز در بازه ی گسترده ای تغییر می کند و در شرایط ابری و یا شب هنگام توان اکتیو خروجی مبدل ها بسیار کم تر از ظرفیت نامی آن هاست. با به کار گیری روش های کنترلی مناسب، می توان از این ظرفیت استفاده نشده برای تبادل توان راکتیو با شبکه استفاده نمود و یا حتی در شرایط اضطراری می توان میزان تبادل توان اکتیو نیروگاه را به منظور تزریق توان راکتیو کاهش داد. در این پایان نامه یک مدل دینامیکی پیشنهادی برای کنترل سیستم های فتوولتایی ارائه شده است که در آن توان های اکتیو و راکتیو لحظه ای به طور مستقیم به عنوان متغیرهای دینامیکی سیستم کنترل در نظر گرفته شده اند. استفاده از توان اکتیو و راکتیو لحظه ای به عنوان متغیرهای دینامیکی به دلیل مستقل بودن شکل موج توان از قاب مرجع انتخابی موجب مقاوم تر شدن کنترل کننده ی طراحی شده نسبت به دینامیک های مدل نشده سیستم می شود. همچنین نشان داده شده است که مدل پیشنهادی به دلیل استفاده از متغیر حالت توان به جای جریان موجب کاهش میزان غیرخطی بودن معادلات دینامیکی سیستم می شود. در ادامه دو روش کنترل با استفاده از مدل پیشنهادی که یکی بر مبنای روش بستن متوالی حلقه های کنترلی و دیگری با استفاده از روش خطی سازی با فیدبک است، برای کنترل مستقل توان اکتیو و راکتیو در یک نیروگاه خورشیدی مطرح شده است. دقت مدل و کارایی ساختار کنترلی پیشنهادی از طریق شبیه سازی یک سیستم فتوولتایی 120 کیلووات متصل به شبکه و هم چنین پیاده سازی عملی کنترل کننده ها بر روی یک سامانه تست آزمایشگاهی توان پایین مورد بررسی قرار گرفته است. مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی ها و نتایج عملی ضمن تایید صحت مدل پیشنهادی نشان می دهد که ساختار پیشنهادی و راهبرد کنترل آن قابلیت کنترل مستقل توان اکتیو و راکتیو سیستم فتوولتایی با سرعت پاسخ مناسب در محدوده چند ده میلی ثانیه بدون خطای ماندگار و توانایی پس زنی اعوجاج را داراست.