Ανάλυση και έλεγχος φωτοβολταϊκού συστήματος συνδεδεμένου σε DC φορτίο και στο δίκτυο μέσω μετατροπέων

Abstract

Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι ο έλεγχος και η ανάλυση ευστάθειας ενός φωτοβολταϊκού (Φ/Β) συστήματος που παρέχει ηλεκτρική ισχύ σε ένα τοπικό, μεταβαλλόμενο φορτίο συνεχούς ρεύματος και στο ηλεκτρικό δίκτυο μέσω μετατροπέων ισχύος. Για τον έλεγχο του συστήματος χρησιμοποιήθηκαν μη γραμμικοί αναλογικοί-ολοκληρωτικοί (proportional-integral, PI) ελεγκτές σε διαδοχική διάταξη (cascade control). Αξιοποιώντας κάποιες ιδιότητες του πλήρους μη γραμμικού συστήματος κλειστού βρόχου, παρατίθεται η απόδειξη της ευστάθειας σε δύο βήματα, όπως αυτή έχει πρόσφατα προταθεί στη διεθνή βιβλιογραφία. Στο πρώτο βήμα αποδεικνύεται η ιδιότητα της παθητικότητας (passivity) για το σύστημα. Στο δεύτερο βήμα, εφαρμόζεται η Lyapunov τεχνική στο γραμμικό υποσύστημα του συνολικού συστήματος. Συνδυάζοντας αυτά τα δυο βήματα, κατασκευάζεται μια σύνθετη συνάρτηση Lyapunov με την οποία αποδεικνύεται η ευστάθεια από είσοδο-προς-κατάσταση (input-to-state stability, ISS) του πλήρους μη γραμμικού συστήματος κλειστού βρόχου. Για την βαθύτερη κατανόηση της εργασίας, αρχικά γίνεται μια αναφορά στις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας, στο μοντέλο της Διεσπαρμένης Παραγωγής ενέργειας και στη φιλοσοφία των Μικροδικτύων. Ακολουθούν η παρουσίαση και συνοπτική ανάλυση των Μετατροπέων Ηλεκτρικής Ισχύος και των βασικών ενεργών δομικών τους στοιχείων που είναι τα Ημιαγωγά Διακοπτικά Στοιχεία. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται λεπτομερώς τα χαρακτηριστικά της Φωτοβολταϊκής Τεχνολογίας. Επίσης, παρουσιάζονται οι αλγόριθμοι ανίχνευσης του Σημείου Λειτουργίας Μεγίστης Ισχύος για ένα Φ/Β σύστημα που ελέγχουν κατάλληλα τους μετατροπείς ισχύος ώστε να παρέχει το Φ/Β κάθε στιγμή τη μέγιστη δυνατή ισχύ. Στο τελευταίο σκέλος της εργασίας, παρατίθεται η απόδειξη για της ISS ευστάθειας του πλήρους Φ/Β συστήματος συνδεδεμένου με το ηλεκτρικό δίκτυο ενώ, τέλος, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης που πραγματοποιήθηκε σε περιβάλλον MATLAB/Simulink.

The main purpose of this diploma thesis is the control and stability analysis of a photovoltaic ( PV) system providing, electrical power to a local switching dc load and grid, through power converters. To this end, linear proportional-integral (PI) controllers in cascade form were adopted. Based on some crucial properties of the linear closed-loop system, we present the stability proof in two steps as shown in international bibliography. In the first step, the passivity property for the system is achieved. In the second step, we apply Lyapunov techniques for the linear subsystem of the complete system. With the combination of these two steps, a composite Lyapunov function is constructed to prove the input-to-state (ISS) stability of the complete nonlinear closed-loop system. For a clearer understanding of this diploma thesis, an introduction in Renewable Resources, Distributed Generation model and in the concept of Microgrids is firstly made. Then, the main operation of Power Converters and Power Semiconductors Devices is presented , with the last devices constituting the basic elements in Power Converters operations. An extensive analysis of the Photovoltaic Technology is also made. Finally, the Maximum Power Point Tracking algorithms, used in PV systems in order to achieve the maximum power supply, are presented. In the last section of this diploma thesis the input-to state (ISS) stability analysis of the grid-connected PV system is presented as well as the simulation results in Matlab/Simulink.