Design and Control of A Single-Phase Grid-Connected Inverter

Öz

The energy demand has been increasing over the last decade. With the integration of renewable energy sources, grid-connected inverters play a key role in a power system. The main objective of the paper is to discuss a grid-connected inverter with single-phase structure in particular. The design and working principle of a basic grid-connected inverter are presented together with the cycle-by-cycle average (CCA) model. The LCL filter design is also introduced to decrease the current harmonics. To attain unity power factor operation, the closed loop control is essential for the grid-connected inverters. For this reason, a current controller in dq-frame is performed by utilizing MATLAB/Simulink environment. The results indicate that the suggested current controller presents good performance during the variations. This study is anticipated to draw the attention of grid-connected inverter designers and serve as a reference for them.

Anahtar Kelimeler

• Energy
• grid-connected inverter
• current control
• simulation.

Tek Fazlı Şebekeye Bağlı Evirici Tasarımı ve Kontrolü

Öz

Enerji talebi son on yılda artmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının entegrasyonu ile şebekeye bağlı eviciriler bir güç sisteminde önemli bir rol oynamaktadır. Bu makalenin temel amacı, tek fazlı şebeke bağlantılı evirici yapısını detaylı olarak tartışmaktır. Şebekeye bağlı temel bir evirici yapısının tasarımı ve çalışma prensibi, döngü-döngü ortalama (CCA) modeli ile birlikte sunulmaktadır. Mevcut harmonikleri azaltmak için LCL filtre tasarımı da tanıtıldı. Birlik güç faktörü çalışmasını elde etmek için, şebekeye bağlı eviriciler için kapalı çevrim kontrolü gereklidir. Bu nedenle MATLAB/Simulink ortamından yararlanılarak dq eksen'de bir akım kontrolörü gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar, önerilen akım kontrolcünün varyasyonlar sırasında iyi performans gösterdiğini bildirmektedir. Bu çalışmanın şebeke bağlantılı evirici tasarımcılarının dikkatini çekmesi ve onlara referans olması beklenmektedir.

Anahtar Kelimeler

• Enerji
• şebeke bağlantılı inverter
• akım kontrolü
• simülasyon.

Kaynakça

1. [1] Kumar A. L., Alexander S. A., and Rajendran M., “Power Electronic Converters for Solar Photovoltaic Systems”, Eds.: Academic Press, USA, (2021).
2. [2] Selamoğulları U. S., “Yenilenebilir Enerji Kaynaklarına Sahip Bir Evin Talep Karakteristiğine Uygun Bir İnverter Tasarımının İncelenmesi”, Politeknik Dergisi, 23(2): 257-265, (2020).
3. [3] Arıcı N. and Iskender A.,“Fotovoltaik Güneş Santrallerinde Şebeke Bağlantı Sorunları ve Çözümleri”, Politeknik Dergisi, 23(1):215-222, (2020).
4. [4] Keskin V. , Khalejan S. H. P. R. and Çıkla R. , “Investigation of the Shading Effect on the Performance of a grid-connected PV Plant in Samsun/Turkey”, Politeknik Dergisi, 24(2):553-563, (2021).
5. [5] Jana J., Saha H., and Das Bhattacharya K., “A review of inverter topologies for single-phase grid-connected photovoltaic systems”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 72:1256-1270, (2017).
6. [6] Kavya Santhoshi B., Mohana Sundaram K., Padmanaban S., Holm-Nielsen J. B., and P. K. K, “Critical Review of PV Grid-Tied Inverters”, Energies, 12:10, (2019).
7. [7] Bierhoff M., Soliman R., and J. R. E. C, “Analysis and Design of Grid-Tied Inverter With LCL Filter”, IEEE Open Journal of Power Electronics, 1:161-169, (2020).
8. [8] Cao N., Cao Y. J., and Liu J. Y., “Modeling and analysis of grid-connected inverter for PV generation”, Advanced Materials Research, 760: 451-456, (2013).

9. [9] Hossain M. N., Routh T. K., Yousuf A. H. B., Asasduzzaman M. M., Hossain M. I., and Husnaeen U., “Design and development of a grid tied solar inverter”, 2012 International Conference on Informatics, Electronics & Vision (ICIEV), Dhaka, 1054-1058, (2012).
10. [10] Bin Omar A. M. and binti Zainuddin H., “Modeling and simulation of grid inverter in grid-connected photovoltaic system”, International Journal of Renewable Energy Research (IJRER), 4: 949-957, (2014).
11. [11] Abdar H. M., Chakraverty A., Moore D. H., Murray J. M., and Loparo K. A., “Design and implementation a specific grid-tie inverter for an agent-based microgrid”, 2012 IEEE Energytech, Cleveland, 1-6, (2012).
12. [12] Mnider A. M., Atkinson D. J., Dahidah M., and Armstrong M., “A simplified DQ controller for single-phase grid-connected PV inverters”, 2016 7th International Renewable Energy Congress (IREC), Hammamet, 1-6, (2016).
13. [13] Behera P. K., Das S., and Pattnaik M., “Performance Comparison Between Bipolar and Unipolar Switching Scheme for a Single-Phase Inverter Based Stand-alone Photovoltaic System”, 2019 IEEE 16th India Council International Conference (INDICON), Rajkot, 1-4, (2019).
14. [14] Liserre M., Blaabjerg F., and Hansen S., “Design and control of an LCL-filter-based three-phase active rectifier”, IEEE Transactions on Industry Applications, 41: 1281-1291, (2005).
15. [15] Marandi D., Sowmya T. N., and Babu B. C., “Comparative study between unipolar and bipolar switching scheme with LCL filter for single-phase grid connected inverter system”, 2012 IEEE Students' Conference on Electrical, Electronics and Computer Science, Bhopal, 1-4, (2012).
16. [16] Kjær S. B., “Design and control of an inverter for photovoltaic applications”, PhD Thesis, Institut for Energiteknik, Aalborg Universitet, (2005).
17. [17] Hyosung K. and Kyoung-Hwan K., “Filter design for grid connected PV inverters”, 2008 IEEE International Conference on Sustainable Energy Technologies, Singapore, 1070-1075, (2008).
18. [18] Kantar E., Usluer S. N., and Hava A. M., “Design and performance analysis of a grid connected PWM-VSI system”, 2013 8th International Conference on Electrical and Electronics Engineering (ELECO), Bursa, 157-161, (2013).