استفاده از مبدل چند سطحی ماژولار با استفاده از روش کنترل پیش‌بین در سیستم‌های فتوولتاییک متصل به شبکه

نویسندگان

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر - دانشگاه کاشان

چکیده

امروزه سیستم‌های فتوولتاییک جایگاه ویژه‌ای در شبکه‌های قدرت یافته‌اند. ازآنجاکه اینورترها عناصر اصلی انتقال انرژی خورشیدی به شبکه هستند، لازم است عملکرد مطلوب و قابلیت اطمینان بالایی داشته باشند. انتخاب توپولوژی و نحوه کنترل اینورتر دو عامل مهم در رسیدن به این اهداف است. اینورترهای چندسطحی ماژولار به دلیل ویژگی‌های شاخص خود جایگزین مناسبی برای اینورترهای چندسطحی مرسوم می‌باشند. در این مقاله ساختار جدیدی از اینورتر چندسطحی ماژولار ارائه‌شده است. جهت کنترل هم‌زمان جریان بار، متعادل‌سازی ولتاژ خازن‌ها و کاهش جریان چرخشی از روش کنترل پیش‌بین استفاده می‌شود. عملکرد مبدل در حالت ماندگار و شرایط مختلفی مانند کاهش یا افزایش ولتاژ شبکه و تغییرات فرکانس شبکه و تغییر میزان تابش بررسی می‌گردد. نتایج شبیه‌سازی با استفاده از نرم‌افزار MATLAB/SIMULINK برای تأیید کارایی این اینورتر و مقایسه با ساختار چندسطحی مرسوم ارائه می‌شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

A Grid-connected PV System Based on Modular Multilevel Converter With Model Predictive Control Strategy

نویسندگان [English]

  • A. ketabi
  • Sh. Safaee
Computer and Electrical Engineering Department, Kashan university, Kashan, Iran
چکیده [English]

Today, PV systems have been widely used in power networks. The important issues about them are efficiency and power quality. In this way, inverters have the important role to achieve high efficiency, control power injected into the grid and improve power quality. The selection of inverter topology and the control strategy are two necessary factors to achieve the specified performance objectives. In this way, multilevel inverters with modularity and low cost can be a good choice for the next generation of efficient and reliable solar power stations. This paper introduces the improved topology of the photovoltaic supported MMC for grid interface. To observe all the control requirements simultaneously, only with one controller, FCS-MPC is used. It satisfies the control objectives like constant power in grid voltage sag/swell, synchronizing grid utility voltage with output current and low total harmonic distortion. The validity of the proposed system and the comparison with conventional topology is confirmed by MATLAB/SIMULATION.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Modular multilevel converter (MMC)
  • model predictive control (MPC)
  • photovoltaic (PV) array
  • total harmonic distortion (THD)
[1] J. M. Carrasco et al., “Power-electronic systems for the grid integration of renewable energy sources: A survey,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 53, no. 4, pp. 1002–1016, 2006.
[2] A. Keyhani, M. Marwali, Smart power grids, Springer, 2011.
  [3] سعید عباسی، علی اصغر قدیمی و امیر حسین ابوالمعصومی، «حذف نوسانات توان اکتیو تزریقی سیستم فتوولتاییک متصل به شبکه در شرایط افت ولتاژ»، مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز، دوره ۴۶ ، شماره ۲، صفحات ۱۴۹- ۱۵۸، ۱۳۹۵. 
[4] R. Teodorescu, M. Liserre, and P. Rodriguez, Grid Converters for Photovoltaicand Wind Power Systems, John Wiley & Sons, New York, USA, 2011.
[5] R. Maheshwari, S. Munk-Nielsen, and S. Busquets-Monge, “Design of neutral-point voltage controller of a three-level NPC inverter with small DC-link capacitors,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 60, no. 5, pp. 1861–1871, 2013.
[6] P. Kakosimos, K. Pavlou, A. Kladas, S. Manias, “ A single-phase nine-level inverter for renewable energy systems employing model predictive control,” Energy Conversion and Management, vol. 89, pp. 427-437, 2015.
[7] H. R. Teymour, D. Sutanto,K. M. Muttaqi, and P. Ciufo, “ Solar PV and Battery Storage Integration using a New Configuration of a Three-Level NPC Inverter With Advanced Control Strategy,” IEEE Transactions on Energy Conversion,vol 29, pp. 354-365, 2014.
[8] K. Himour, K. Ghedamsi, E. M. Berkouk, “Supervision and control of grid connected PV-Storage systems with the five level diode clamped inverter,” Energy Conversion and Management, vol. 77, pp. 98-107, 2014.
  [9] سعید سعیدآبادی، امین اشرف گندمی، سید حسین حسینی و مهران صباحی، «اینورتر جدید چند سطحی سه فازهیبریدی بهبود یافته»، مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز، دوره ۴۷ ، شماره ۲، صفحات ۵۵۱-۵۶۲، ۱۳۹۶
[10] سیما شاه محمدی، سیدحسین حسینی، ابراهیم بابایی، مهران صباحی و جابر فلاح، «آنالیز تحلیلی هارمونیکهای خروجی اینورترهای چند سطحی در حالت کلیدزنی نامتقارن»، مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز، دوره ۴۶، شماره ۱، صفحات ۲۰۹- ۲۱۹، ۱۳۹۵. 
[11] V. S. Prasadarao K, P. Sudha Rani , G.Tabita, “A New Multilevel Inverter Topology for Grid Interconnection of PV Systems,” Power and Energy Systems Conference: Towards Sustainable Energy (PESTSE), 2014.
[12] R. Karasani ,V. B. Borghate , P. M. Meshram , H. M. Suryawanshi , S. Sabyasachi, “A Three Phase Hybrid cascaded Modular Multilevel Inverter for Renewable Energy Environment,” IEEE Transactions on Power Electronics , vol. PP, no. 99,pp.1-20, 2016.
[13] Md. R. Islam, Y. Guo, J.  Zhu, “A Multilevel Medium-Voltage Inverter for Step-Up-Transformer-Less Grid Connection of Photovoltaic Power Plants,” IEEE Journal of  Photovoltaics, vol. 4, no. 3, pp .881-889, 2014.
[14] A. Lesnicar and R. Marquardt, “An innovative modular multilevel converter topology suitable for a wide power range,” Proceedings of IEEE  Power Tech Conference,  vol. 3, pp. 1–6, Bologna, Italy,2003.
[15] A. Lesnicar and R. Marquardt, “A new modular voltage source inverter topology,” European Power Electronics Conference, pp. 1–10, France, 2003.
[16] M. Hagiwara and H. Akagi, “Control and experiment of pulsewidth-modulated modular multilevel converters,” IEEE Transactions on Power Electronics,vol. 24, no. 7, pp. 1737–1746, 2009.
[17] M. Saeedifard, R. Iravani, “Dynamic Performance of a   Modular Multilevel Back-to-Back HVDC System,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol.25, no.4, pp.2903-2912, 2010.
[18] S. Debnath, J. Qin, B. Bahrani, M. Saeedifard, and P. Barbosa, “Operation, control, and applications of the modular multilevel converter: A review,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 1, pp. 37–53, 2015.
[19] L. Maharjan, T. Yamagishi, H. Akagi, and J. Asakura, “Fault-tolerant operation of a battery-energy-storage system based on a multilevel cascade PWM converter with star configuration,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 25, no. 9, pp. 2386–2396, 2010.
[20] M. Hagiwara, R. Maeda, and H. Akagi, “Negative-sequence reactive power control by the modular multilevel cascade converter based on double-star chopper-cells (MMCC-DSCC),” IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, pp. 3949–3954, 2010.
[21] B. N. Alajmi, K. H. Ahmed, G. P. Adam, S. J. Finney, and B. W.Williams, “Modular multilevel inverter with maximum power point tracking for grid connected photovoltaic application,” IEEE International Symposium on Industrial Electronics, pp. 2057–2062, 2011.
[22] S. Jasekar and R. Gupta, “Solar photovoltaic power conversion using modular multilevel converter,” Students Conference on Engineering and Systems, pp. 1–6, 2012.
[23] J. Mei, B. Xiao, K. Shen, L. M. Tolbert and J. Y. Zheng, “ Modular Multilevel Inverter with New Modulation Method and Its Application to Photovoltaic Grid-Connected Generator,” IEEE Trans. Power Electronics, vol. 28, no. 11, pp 5063-5073, 2013.
[24] A. Calle-Prado,S. Alepuz, J. Bordonau, P.Cortes, and J. Rodriguez, “Predictive Control of a Back-to-Back NPC Converter-Based Wind Power System,” IEEE Transactions on Industrial Electronics,Vol.63, pp.4615-4627, 2016.
[25] S. Kouro, P. Cortes, R. Vargas, U.Ammann, and J. Rodriguez, “Model predictive control - a simple and powerful  method  to control power converters,” IEEE Transactions on  Industrial Electronics, vol. 56, no. 6, pp. 1826–1838, 2009.
[26] J. Qin and M. Saeedifard, “Predictive control of a modular multilevel converter for a back-to-back HVDC system,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 27, no. 3, pp. 1538–1547, 2012.
[27] B. Chuco, E. H. Watanabe, “Back-to-Back HVDC Based on Modular Multilevel Converter” Brazilain Power Electronics Conference (COBEP), Brazil, 2011.
[28] A. Das, H. Nademi, L. Norum, “A Method for Charging and Discharging Capacitors in Modular Multilevel Converter,” Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society, Australia, 2011.
[29] J. Rodriguez and P. Cortes, Predictive control of power converters and electrical drives, John Wiley & Sons, New Jersey, USA, 2012.
[30] K. Barra, D. Rahem, “Predictive direct power control for photovoltaic grid connected system: An approach based on multilevel converters,” Energy Conversion and Management, Vol. 78, pp. 825-834, 2014.
[31] M.G. Villalva, F.P. Marafao, M.M. Kubo, and E.R. Filho, “Practical rules for designing a shunt active power filter for nonlinear unbalanced loads”, 16th Brazilian Conference on Automatic Control, Brazil, 2006.