Μη γραμμική ανάλυση, έλεγχος και ευστάθεια συστημάτων ισχύος με φωτοβολταϊκή πηγή και ελεγχόμενους μετατροπείς

Abstract

This PhD dissertation belongs to the general research field of power systems control and stability. More precisely, power systems that include photovoltaic (PV) sources with electronic power converter interfaces are considered wherein advanced methods for the analysis and control are proposed. Particularly, taking into account the accurate nonlinear models of the PV sources, the energy storage systems and the power converters, the behavior of PV systems is analyzed either in grid-connected mode or in islanded-mode. The two most common power devices used for the control of PV systems are the dc/dc boost converter (unidirectional or bidirectional) and the three-phase ac/dc power converter and therefore the analysis is focused on these power converters. After providing the complete nonlinear dynamic models, simple, universal, common in structure control laws are proposed for the control of PV-source/power-converters systems, which can be easily implemented in a real system. The proposed controllers are incorporated into the power converters, thus, a complete interfacing unit is obtained, which can fulfill the control targets regardless to the system topology. Additionally, a general method of analysis, based on advanced nonlinear techniques, is developed which proves that the proposed control scheme can guarantee closed-loop system stability, robustness and effective operation in transient and steady-state. The proposed control scheme is initially applied to a dc/dc boost power converter connected to a resistive load. In a similar manner, the three-phase ac/dc power converter is examined. In a more complex manner, a grid-connected multi-stage configuration PV system is considered, which comprises of a dc/dc boost converter and a three-phase ac/dc power converter. Finally, the proposed controllers are used for the control of an isolated power system with a PV source supported by energy storage devices and feeding dc- and ac-loads. To fully verify the theoretical results, the aforementioned cases are evaluated via extensive simulations, while additionally experimental results are provided by using suitable laboratory testbeds.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εντάσσεται στο πλαίσιο που αφορά στο πεδίο ελέγχου συστημάτων ισχύος και ειδικότερα στην εφαρμογή προηγμένων μεθόδων ανάλυσης και ελέγχου σε συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας που χρησιμοποιούν ως κύρια πηγή φωτοβολταϊκές (Φ/Β) συστοιχίες. Ειδικότερα, λαμβάνοντας υπόψη τα ακριβή μη γραμμικά μοντέλα της Φ/Β πηγής ενέργειας, των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας και των μετατροπέων ισχύος, αναλύεται η συμπεριφορά των Φ/Β συστημάτων είτε σε λειτουργία διασύνδεσης με το δίκτυο ή σε αυτόνομη λειτουργία. Επειδή, δυο είναι οι βασικές ηλεκτρονικές διατάξεις ισχύος που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο των Φ/Β συστημάτων, η ανάλυση μας εστιάζεται στους δυο αυτούς μετατροπείς, δηλαδή το μετατροπέα συνεχούς ρεύματος σε συνεχές ρεύμα (ΣΡ/ΣΡ) ανύψωσης τάσης (μονής ή διπλής κατεύθυνσης) και τον τριφασικό μετατροπέα εναλλασσόμενου ρεύματος σε συνεχές ρεύμα (ΕΡ/ΣΡ). Έχοντας αναπτύξει τα πλήρη μοντέλα, προτείνονται απλοί νόμοι ελέγχου, κοινής μορφής και γενικής χρήσης, για τον έλεγχο συστημάτων Φ/Β πηγής/μετατροπέων ισχύος που είναι εύκολα υλοποιήσιμοι σε ένα πραγματικό σύστημα. Οι διατάξεις ελέγχου αυτές ενσωματώνονται στους ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος δημιουργώντας έτσι μια ολοκληρωμένη μονάδα διεπαφής, η οποία επιτυγχάνει τους επιθυμητούς στόχους ελέγχου κάθε φορά ανεξάρτητα από την τοπολογία του κυκλώματος. Ταυτόχρονα, αναπτύσσεται μια γενική μέθοδος ανάλυσης που αποδεικνύει ότι η προτεινόμενη διάταξη ελέγχου εξασφαλίζει ευστάθεια κλειστού βρόχου για τα συστήματα αυτά, σθεναρότητα και αποτελεσματική λειτουργία στη μεταβατική και μόνιμη κατάσταση λειτουργίας. Αρχικά, η προτεινόμενη διάταξη ελέγχου εφαρμόζεται σε ένα μετατροπέα ΣΡ/ΣΡ ανύψωσης τάσης που τροφοδοτεί ένα ωμικό φορτίο. Στη συνέχεια, εξετάζεται η περίπτωση του τριφασικού μετατροπέα ΕΡ/ΣΡ. Ακολούθως, μελετάται ένα Φ/Β σύστημα συνδεδεμένο στο ηλεκτρικό δίκτυο μέσω ηλεκτρονικών μετατροπέων πολλών βαθμίδων και συγκεκριμένα ενός μετατροπέα ΣΡ/ΣΡ ανύψωσης τάσης και ενός τριφασικού μετατροπέα ΕΡ/ΣΡ. Η ολοκλήρωση της εφαρμογής του προτεινόμενου ελέγχου γίνεται με τον έλεγχο ενός αυτόνομου Φ/Β συστήματος που ενσωματώνει συσσωρευτές και τροφοδοτεί φορτία ΣΡ και ΕΡ. Για την πλήρη επαλήθευση των θεωρητικών αποτελεσμάτων, οι παραπάνω περιπτώσεις αναλύθηκαν με εκτενείς προσομοιώσεις, ενώ επιπλέον πραγματοποιήθηκαν οι κατάλληλες πειραματικές υλοποιήσεις μέσω σύνθετων εργαστηριακών διατάξεων.