ROBUST CONTROLLER DESIGN FOR VOLTAGE SOURCE INVERTERS IN MICROGRIDS. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Thesis_Final_Version.pdf Download (9MB) | Preview

Arabic Abstract

اكتسبت مصادر الطاقة المتجددة كثيرا من الاهتمام في السنوات الأخيرة لمعالجة مسألة زيادة الطلب المتسارع على الكهرباء، و حيث أن المصانع تستند على الوقود الأحفوري فيستمر تأثيرها على البيئة بشكل عكسي. أكثر مصادر الطاقة المتجددة شهرة هي أنظمة الطاقة الشمسية وطاقة الرياح اللتان تستطيعان تزويد الطاقة الكهربائية على نطاق واسع وهما صديقتان للبيئة. وبطبيعة الحال فالتقدم التكنولوجي لمصادر الطاقة الطبيعية تم التحقق منها بكثير من الاهتمام. وأما مصادر الطاقة الطبيعية فيتم تكاملها مع شبكات الطاقة الرئيسية باستخدام الكترونيات القدرة والتي منها قلاب مصدر الجهد والمسمى اخصارا (VSI). يتم ذلك عن طريق تحويل فولتية الخرج لمصدر الطاقة الكهربائية ذات التيار الثابت (DC) الى تيار اخر متردد (AC) . أما المتحكمات المستخدمة في هذا المجال فهي ذو أهمية كبيرة كونها تستخدم للمحافظة على خرج ثابت سواء كان للفولتية والقدرة معا أو احداهما. كثيرة هي الأعمال البحثية في هذا المجال، عديدة هي القضايا ذات الصلة والمتعلقة بتصميم المتحكمات والتي تم تناولها متضمنة مشكلة حساسية النظام لتغير قيم المعاملات وعدم التأكد منها. في هذا العمل البحثي تم الاخذ بعين الاعتبار مشكلة تصميم المتحكمات المتينة لقلابات مصدر الجهد. تستخدم هذه القلابات في تطبيقات الشبكات الضغيرة سواء كانت قائمة بذاتها أو موصولة بالشبكة الكهربائية. ففي الشبكات القائمة بذاتها فان القلابات يتم وصلها بالاحمال غير التأكدية. وأما في حالة القلابات المتصلة بالشبكة فان عدم التأكدية تكون في قيم مقاومة خط الشبكة الكهربائية. تم تطوير طريقة تصميم جديدة للمتحكمات المتينة عندما تكون قيم النظام غير التأكدية تتغير في مدى معين. تم اشتقاق بعض العلاقات باستعمال معيار سلفستر (Sylvester’s criterion) لتحديد مصفوفات العوامل غير التأكدية للنظام. تضمنت هذه العلاقات أيضا بعض معاملات الضبط والتي يمكن أن تحسن لتحقيق مزيد من المتانة والاستقرارية للنظام بشكل تفاضلي. فالطرق المقترحة لحالة الشبكة القائمة بذاتها أو تلك المتصلة بالشبكة الكهربائية تعطي متحكمات قادرة وبقوة على المحافظة على استقرارية أنظمة قلابات الجهد بمعدلات تقارب مضمونة لمدى معين من عدم التأكدية. كما هو مطلوب أيضا من خرج النظام أن يتبع مرجعيات محددة. تم اضافة المتحكمات المتكاملة على قانون التحكم. تم أيضا عرض نظم التحسين لتصميم معاملات المتحكمات المتكاملة وفحص متانتها. تم بناء المتحكمات المصممة وفحصها باستخدام المحاكاة وباستخدام التجربة العملية للأجهزة العاملة في الزمن الحقيقي والمركبة على شكل حلقة والتي تم اثبات فعاليتها عن طريق النتائج المأخوذة. تم أيضا اجراء مقارنة لاظهار التحسن في الأداء للطريقة المقترحة مقارنة بالأعمال ذات الصلة في هذا المجال باستخدام قيم الانحرافات الناتجة عن قدر معين من عدم التأكدية وعن طريق زمن الاستقرار.

English Abstract

The renewable energy sources have gained a lot of interest in recent years to tackle the issue of rapidly increasing electricity demand, as the fossil fuel based plants continue to adversely affect the environment. Most popular of them, the solar and wind energy systems can provide electric power on a large scale and are environment friendly. Naturally the technological advancement of these renewable energy sources has been investigated with a lot of interest. An integral component of the power electronics system that interfaces a renewable energy source to the main power grid by converting DC to AC, is the voltage source inverter (VSI). A controller for the VSI is crucial to regulate its output voltage and/or output power. A lot of work exists in literature in this regard. Several issues relevant to the control design have been addressed including the problem of vulnerability of the system to parameter variation and uncertainty. In this thesis work the issue of robust control design for VSIs is considered. VSIs are considered for applications in standalone and grid-connected modes of the microgrid. For the standalone case VSI is connected to an uncertain RL load. For the grid-connected case, the uncertainty is considered in the line impedance of the grid. New robust control design methods are developed using the condition of bounds on uncertainty radius of the system. Using Sylvester’s criterion some relations are derived to determine the uncertainty coefficient matrices of the system. These relations also involved some tuning parameters which can be optimized to achieve an improved robustness and stability trade-off. The proposed methods for the standalone and grid-connected cases, result in controllers that robustly stabilize the VSI systems with guaranteed convergence rates for certain bounds of uncertainties. It is also required that the system output tracks the specified reference. For this integral controllers are augmented in the control law. Optimization schemes to design the integral controller gains and to test their robustness are also presented. The controller designed is implemented and tested on simulations and real-time hardware-in-the-loop experimental setup and its effectiveness is proven by the results. Also a comparison is performed to show the improvement in performance of the proposed method over some relevant works in the literature, in terms of deviations caused by a certain amount of uncertainties and the settling time

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Engineering Research Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor:	Abido, Mohammad Ali
Committee Members:	ElAmin, Ibrahim Mohamed and Kennel, Ralph and HABIBALLAH, iBRAHIM OMAR and Ibrir, Salim
Depositing User:	HUSSAIN SY ASIM (g201004800)
Date Deposited:	29 Nov 2015 11:11
Last Modified:	01 Nov 2019 16:31
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139729