Improving the efficiency of a non-ideal grid coupled to a photovoltaic system with a shunt active power filter using a self-tuning filter and a predictive current controller - Zorig, Assam; Babes, Badreddine; Hamouda, Noureddine; Mouassa, Souhil (Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2024)
Recently, photovoltaic (PV) systems are increasingly favored for converting solar energy into electricity. PV power systems have successfully evolved from small, standalone installations to large-scale, grid-connected systems. When the nonlinear loads are connected to a grid-tied PV system, the power quality can deteriorate due to the active power supplied by the PV array, there’s a noticeable decline in the quality of power delivered to consumers. Its combination with the shunt active power filter (SAPF) enhances system efficiency. Consequently, this integrated system is adept at not only powering local loads but also at compensating for reactive power and filtering out harmonic currents from the main grid. The novelty of the work describes how an operation of a small scale PV system connected to the low voltage distribution system, and nonlinear load can be achieved, the investigation aims to analyze the system’s behavior and elucidate the advantages of employing various control algorithms. These proposed algorithms are designed to ensure a unity power factor for the utility grid while prioritizing high convergence speed and robustness against load power fluctuations across different levels of solar irradiation affecting the PV modules. The purpose of this work is to enhance the dynamic performance of the SAPF by cooperatively using a self-tuning filter (STF) based instantaneous active and reactive power method (PQ) with a novel predictive current control, enhance the system resilience, ensure optimal management of the total active power between the PV system, the electrical network and the non-linear load by integrating the functionalities of the SAPF under different levels of solar irradiation and maintain the DC-link capacitor voltage constant. Methods. A novel predictive current controller is designed to generate the switching signals piloted the three phase source voltage inverter, also a novel algorithm of instantaneous active and reactive power is developed, based on STF, to extract accurately the harmonic reference under non ideal grid voltage, also the perturb and observe algorithm is used to extract, under step change of solar irradiation, the maximum power point tracking of the PV module and the PI controller is used to maintain constant the DC-link capacitor voltage of the SAPF. Results. The efficacy of the proposed system is primarily centered on the grid side, and the performance evaluation of the control system is conducted using the STF based PQ algorithm and predictive current control. In addition, comprehensive testing encompasses all modes of operation, including scenarios involving distorted voltage sources, step changes in solar radiation, and variations in nonlinear loads. Results highlight superior performance in both transient and stable states, affirming the robustness and effectiveness of the proposed controllers. Practical value. The total harmonic distortion value of the grid current for all tests respects the IEEE Standard 519-1992.

Останнім часом фотоелектричні (PV) системи все частіше використовуються для перетворення сонячної енергії на електрику. Фотоелектричні системи успішно еволюціонували від невеликих автономних установок до великомасштабних систем, підключених до мережі. Коли нелінійні навантаження підключені до мережевої фотоелектричної системи, якість електроенергії може погіршитися через активну потужність фотоелектричної матриці, що подається, спостерігається помітне зниження якості електроенергії, що постачається споживачам. Його поєднання із шунтуючим активним фільтром потужності (SAPF) підвищує ефективність системи. Отже, ця інтегрована система здатна як живити локальні навантаження, так і компенсувати реактивну потужність і відфільтровувати гармонійні струми з основний мережі. Новизна роботи описує, як можна домогтися роботи маломасштабної фотоелектричної системи, підключеної до розподільчої системи низької напруги та нелінійного навантаження, дослідження спрямоване на аналіз поведінки системи та з’ясування переваг використання різних алгоритмів управління. Ці алгоритми розроблені для забезпечення одиничного коефіцієнта потужності для комунальної мережі, при цьому віддаючи пріоритет високої швидкості конвергенції та стійкості до коливань потужності навантаження на різних рівнях сонячного опромінення, що впливає на фотоелектричні модулі. Метою даної роботи є підвищення динамічних характеристик SAPF шляхом спільного використання фільтра, що самоналаштовується (STF), на основі методу миттєвої активної та реактивної потужності (PQ) з новим предиктивним управлінням струмом, підвищення стійкості системи, забезпечення оптимального управління загальною активною потужністю між фотоелектричною системою, електричною мережею та нелінійним навантаженням шляхом інтеграції функцій SAPF при різних рівнях сонячного опромінення та підтримання постійної напруги конденсатора ланки постійного струму. Методи. Новий предиктивний контролер струму, призначений для генерації сигналів перемикання, пілотованих трифазним інвертором напруги джерела, також розроблений новий алгоритм миттєвої активної та реактивної потужності, заснований на самонастроюючому фільтрі, для точного вилучення гармонійного опорного значення при неідеальній напрузі мережі, також використовується алгоритм обурення та спостереження при ступінчастій зміні сонячного випромінювання, відстеження максимальної точки потужності фотоелектричного модуля, а ПІ-регулятор використовується для підтримки постійної напруги конденсатора постійного струму SAPF. Результати. Ефективність пропонованої системи в першу чергу зосереджена на стороні мережі, а оцінка продуктивності системи керування проводиться з використанням алгоритму PQ на основі STF та керування струмом. Крім того, комплексне тестування охоплює всі режими роботи, включаючи сценарії, що включають спотворені джерела напруги, ступінчасті зміни сонячного випромінювання та зміни нелінійних навантажень. Результати підкреслюють чудову продуктивність як у перехідних, так і у стабільних станах, підтверджуючи надійність і ефективність пропонованих контролерів. Практична цінність. Загальне значення гармонійних спотворень мережі для всіх випробувань відповідає стандарту IEEE 519-1992.
Keywords: photovoltaic system; shunt active power filter; active and reactive power algorithm; self-tuning filter; total harmonic distortion; predictive current control; maximum power point tracking; фотоелектрична система; шунтуючий фільтр активної потужності; алгоритм активної та реактивної потужності; фільтр, що самоналаштовується; повне гармонічне спотворення; предиктивне управління струмом; відстеження точки максимальної потужності