Προβλεπτικός έλεγχος σε συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές

Abstract

In this Ph.D. thesis entitled «Predictive control in power generation from renewable energy sources»the employment of advanced digital controllers applicable to Renewable energy systems is investigatedas well as a new multilevel topology is developed. More specifically, the development of combineddigital-analog controllerσ for DC-DC converters and the design of a control strategy for a new multileveltopology are the key points that are considered in depth. Model Predictive Control (MPC) is adopted asthe central control technique providing important advantages over conventional control techniques.Firstly, four different MPC types for DC-DC converters are investigated of the two main categories,finite and continuous states (valley, peak and average current controller) concerning abrupt inputreferences and external factors variations. Moreover, a sliding mode control is developed forcomparison purposes, a technique which combines simplicity, robustness and stable dynamicbehavior. Furthermore, a new multilevel inverter topology is introduced for renewable energyapplications; this inverter topology is the cascaded full H-bridges consisting of neutral point clampedlegs. A MPC is developed ensuring independent control of DC bus voltages, capacitors’ voltagebalancing, as well as power factor regulation. The total harmonic content of the grid current isexamined in order to comply with the international standards. Highlighting the advantages of theproposed controller of MPC, a conventional controller using proportional integral (PI) compensators isthus investigated. Both controllers are subject to step variations even under asymmetrical conditions.Theoretical findings for both DC-DC converters and multilevel inverter topologies are validated byexperiments carried out controlling the output power of a PV system.

Στην παρούσα διατριβή με τίτλο «Προβλεπτικός έλεγχος σε συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές» μελετάται η χρήση σύγχρονων ψηφιακών ελεγκτών σε εφαρμογές ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ) καθώς και η ανάπτυξη νέων διατάξεων μετατροπέων.Συγκεκριμένα, η ανάπτυξη συνδυασμένων ψηφιακών-αναλογικών ελεγκτών σε μετατροπείς από ΣΡ σε ΣΡ και η σχεδίαση της κατάλληλης στρατηγικής ελέγχου για μία νέα τοπολογία πολυεπίπεδου αντιστροφέα τάσης είναι τα κύρια σημεία επιστημονικής συνεισφοράς. Η βασική τεχνική ελέγχου που υιοθετείται είναι αυτή του προβλεπτικού ελεγκτή βασισμένου στο μοντέλο αναπαράστασης του κυκλώματος η οποία προσφέρει σημαντικά συγκριτικά πλεονεκτήματα έναντι των συμβατικών τεχνικών. Αρχικά, διερευνώνται τέσσερα βασικά είδη του προβλεπτικού ελέγχου σε μετατροπείς ΣΡ από τις δύο βασικές κατηγορίες του, τον διακριτό και τον συνεχή, μεριμνώντας για απότομες μεταβολές των αναφορών εισόδων και των εξωτερικών επιδράσεων. Παρουσιάζονται ακόμη συγκριτικά αποτελέσματα με την τεχνική ολισθήσεως επί επιφανείας, μία τεχνική η οποία συνδυάζει εξαιρετική απλότητα, ευρωστία και σταθερή δυναμική συμπεριφορά. Επιπλέον, εξετάζεται η ανάπτυξη μίας νέας τοπολογίας αντιστροφέα τάσης για εφαρμογές ΑΠΕ. Αυτή η τοπολογία είναι ο πολυεπίπεδος αντιστροφέας τάσης αλληλένδετων βαθμίδων πλήρων γεφυρών με σκέλη περιορισμού του ουδετέρου σημείου. Για την τοπολογία αυτή αναπτύσσεται η κατάλληλη στρατηγική ελέγχου βασισμένη στον διακριτό προβλεπτικό έλεγχο εξασφαλίζοντας ανεξάρτητο έλεγχο των τάσεων των DC ζυγών,εξισορρόπηση της τάσης των πυκνωτών που απαρτίζουν τον κάθε ζυγό ΣΡ, καθώς και δυνατότητα ρύθμισης του συντελεστή ισχύος. Για την ανάδειξη των πλεονεκτημάτων του προτεινόμενου ελεγκτή,αναπτύσσεται μία συμβατική τεχνική με χρήση μόνο αναλογικών ολοκληρωτικών ελεγκτών. Και οι δύο τεχνικές ελέγχου υπόκεινται σε βηματικές μεταβολές ακόμα και υπό συνθήκες ασύμμετρης λειτουργίας δίνοντας έμφαση στο συντελεστή συνολικής αρμονικής παραμόρφωσης του ρεύματος δικτύου. Τα θεωρητικά ευρήματα για τους ελεγκτές που αναπτύσσονται για τους μετατροπείς συνεχούς τάσης,καθώς και ο προβλεπτικός ελεγκτής για τον πολυεπίπεδο αντιστροφέα τάσης επιβεβαιώνονται μέσω της διεξαγωγής πειραμάτων ελέγχοντας την ισχύ εξόδου μίας Φ/Β συστοιχίας.