SUPERVISOR
Hamid Reza Karshenas,Ahmadreza Tabesh
حمیدرضا کارشناس (استاد راهنما) احمدرضا تابش (استاد مشاور)
STUDENT
Mohammad Ebrahimi
محمد ابراهیمی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Performance Evaluation and Implementation of Single-Phase Grid-Connected Inverters Based on Synchronous and Stationary Reference Frame Controllers
This thesis is concerned with the dynamic and steady state performance evaluation of single phase grid connected inverters using different control methods. Renewable Energy Systems (RES) have been widely used as a viable approach to obtain sustainable energy resources due to the increasing price of fossil fuels, environmental concerns and growing demand for energy consumption. The energy produced by renewable energy sources is usually raw and mostly in dc form. For example, photovoltaic (PV) cells produce dc energy with large fluctuation depending on the Sun insolation. As almost the entire electric energy consumption is in the ac form, an inverter is an indispensable part of the grid connected renewable energy systems to interface between the source and load. Many governments have set up incentives for residential use of renewable energy resources. The power level and accessible type of grid in such applications is usually single phase. The above factors have resulted in a considerable growth of single phase grid connected inverters in recent years. Therefore, optimum and efficient operation of single phase grid connected inverters have become an important issue for researchers. In this thesis, different methods of extracting the phase and frequency of the grid voltage in a single phase system using a Phase Locked Loop (PLL) have been introduced. Using Park Transformation for implementing a single phase PLL has been shown. Different methods of orthogonal quantity generation as a key block for realizing this type of PLL are presented. The performance of different methods have been compared using both simulation and experimentally. Current mode control is often used to control a grid connected inverter. Therefore, several approaches have been introduced for controlling single phase grid connected inverters based on current mode control. Control methods using Proportional Integral (PI) controllers in synchronous reference frame and Proportional Resonance (PR) controllers in stationary reference frame are considered in this thesis because of their satisfactory performance and popularity. The existence of two coupled orthogonal quantities in a three phase system makes it possible to use Park Transformation in order to transfer the quantities from stationary to synchronous reference frame. However, single phase systems lack such a pair of orthogonal quantities. Therefore, the implementation of a controller in synchronous reference frame cannot be performed by itself for single phase systems. To overcome this problem and exploit the advantages of control in synchronous reference frame, the second required orthogonal quantity is usually synthesized by various methods for implementation of the controller in synchronous reference frame. In this thesis, a comprehensive study is presented to evaluate and compare the performance of these methods. To study the dynamic performance, the model of the system is obtained with all system blocks taken into consideration. Using this model, the dynamic behavior of controllers implemented with different orthogonal signal generation techniques is evaluated. The results are also compared with a PR controller. An experimental setup was implemented using a TMS320F28335 DSP to experimentally verify the theoretical results. Key Words Single-Phase Inverter, Grid-Connected Inverter, Current Control, Synchronous Reference Frame, Orthogonal Quantity Generation, Proportional-Resonant Controller
در این پایان نامه به بررسی رفتار دینامیکی و حالت دائمی اینورترهای تکفاز متصل به شبکه در حضور کنترل کننده های مختلف پرداخته شده است. انرژی های تجدیدپذیر به عنوان راه حلی در مسیر جستجوی منابع انرژی پایدار مطرح و با توجه به افزایش قیمت سوخت های فسیلی، نگرانی های زیست محیطی و افزایش تقاضا برای مصرف انرژی، استفاده از آن ها بسیار فراگیر شده است. خروجی خام و dc این منابع و مصرف غالب انرژی الکتریکی به فرم ac، اینورترها را به جزء لاینفک سیستم های انرژی تجدیدپذیر متصل به شبکه تبدیل کرده است. از سوی دیگر با توجه به سطح توان و نیز نوع شبکه در دسترس در مصارف خانگی انرژی های تجدیدپذیر، استفاده از اینورترهای تکفاز متصل به شبکه بسیار رونق گرفته است. از آن جا که اینورتر در این ساختار در تقابل با شبکه قدرت قرار دارد، استفاده از استراتژی مناسب برای همگام سازی جریان تولیدی با ولتاژ شبکه الزامی می باشد. در این پایان نامه استفاده از PLL تکفاز مبتنی بر تبدیل پارک پیشنهاد و روش های تحقق بلوک تولید کمیت متعامد به عنوان جزء اساسی در این ساختار معرفی شده اند. همچنین ارزیابی های متعددی برای انتخاب روشی کارا به منظور تولید کمیت متعامد انجام گرفته است. روش های متفاوتی برای کنترل اینورترهای تکفاز متصل به شبکه به کار می رود که عمدتا جزو دسته روش های کنترل جریان قرار می گیرند. از میان این روش ها، استفاده از کنترل کننده های تناسبی انتگرالی (PI) پیاده سازی شده در مختصات سنکرون و کنترل کننده تناسبی رزونانسی (PR) پیاده سازی شده در مختصات ثابت به دلیل کاربرد بیشتر و کارایی مطلوب در حوزه مطالعه این پایان نامه قرار گرفته است. تفاوت چشمگیری میان استفاده از کنترل کننده های PR برای سیستم های تکفاز و سه فاز وجود نداشته و در مقابل، پیاده سازی کنترل کننده در مختصات سنکرون برای این سیستم ها متفاوت می باشد. وجود دو کمیت متعامد کوپل شده در یک سیستم سه فاز، امکان استفاده از تبدیل پارک برای انتقال کمیت ها از مختصات ثابت به سنکرون را فراهم می آورد. این در حالی است که این کمیت متعامد در یک سیستم تکفاز موجود نبوده و باید به طریق مناسب تولید گردد. این مسائل در کنار افزایش تعداد اینورترهای متصل شده به شبکه های توزیع لزوم بررسی دقیق تر رفتار دینامیکی و حالت گذرای این سیستم ها را طلب می نماید. برای بررسی رفتار اینورترهای تکفاز متصل به شبکه در این پایان نامه ابتدا مدل مناسبی از سیستم استخراج شده است. این مدل فارغ از پیچیدگی های غیر لازم در روند بررسی مسائل سیستماتیک اینورتر بوده و در عین حال رفتار سیستم را با دقت قابل قبولی شبیه سازی می کند. به این ترتیب امکان ارزیابی عملکرد حالت دائمی و حالت گذرای روش های کنترل مذکور فراهم و این ارزیابی با دقت کافی انجام شده است. از سوی دیگر برای بررسی رفتار این سیستم در عمل، یک نمونه آزمایشگاهی با استفاده از پردازندهDSP از نوع TMS320F28335 پیاده سازی گردید. نتایج حاصل از تحلیل مدل با نتایج عملی بدست آمده مقایسه و تطابق مطلوب میان آن ها نشان داده شده است. کلمات کلیدی: اینورتر تکفاز، اینورتر متصل به شبکه، کنترل جریان، قاب مرجع سنکرون، تولید کمیت متعامد، کنترل کننده تناسبی-رزونانسی