Dynamic Characterization of Three-Phase Inverter in Photovoltaic Applications

Power electronic devices are used as an interface between renewable energy sources and the utility grid. A photovoltaic generator that produces dc electricity is interfaced to a three-phase grid with an inverter. A photovoltaic generator is internally a current source that has highly nonlinear terminal characteristics. The properties of the input source has a great impact on the converter dynamics, which is seldom recognized. Electrical quantities of a power electronic converter are usually regulated to a desired level. This task is laid on the control system which should be tuned to achieve good regulation and disturbance rejection. The knowledge of the converter's small-signal behavior is a great advantage in the control system design. Conventional small-signal modeling can not be performed in the case of dc-ac converters due to the fact that some of the quantities are sinusoidal by nature and thus have no steady-state solutions. Nevertheless, small-signal modeling of a three-phase inverter can be done if the three-phase variables are transformed into a synchronous reference frame. However, such a model becomes quite complex and e.g. closed-loop transfer functions can not be solved with reasonable effort. In this thesis, a reduced order model is developed based on a dc-dc equivalence of the inverter. The validity of reduced order model was verified by comparing the inverter transfer functions with the proposed model using a simulation model and frequency response analysis. A prototype was constructed and results were verified by comparing measured and predicted frequency responses. The effect of a photovoltaic generator on the converter dynamics was examined. It was found out that the photovoltaic generator has a profound effect on the small-signal characteristics of the converter especially from the control design point of view. Most important results were the appearance of a right-half-plane zero in control dynamics and negative output impedance with a typical cascaded control scheme. Such a control system has to be implemented in grid-connected photovoltaic systems in order to transfer maximum power to the grid. The negative output impedance can impose stability problems in the converter-grid-interface and reduce damping in the grid. /Kir11Tehoelektroniikkaa käytetään rajapintana liitettäessä uusiutuvia energialähteitä jakeluverkkoon. Aurinkopaneeli tuottaa tasasähköä ja se on liitettävä jakeluverkkoon kolmivaiheisen vaihtosuuntaajan avulla. Se on rakenteeltaan virtalähde, jonka virta-jännite käyttäytyminen on epälineaarista. Aurinkopaneelin ominaisuuksilla on suuri vaikutus vaihtosuuntaajan dynamiikkaan, vaikka tätä ei kirjallisuudessa usein huomioida. Teholähteet ovat yleensä säädettyjä järjestelmiä. Aurinkosähkösovelluksissa esimerkiksi paneelin jännite pidetään sopivana tehontuoton maksimoimiseksi. Säätöjärjestelmä on viritettävä siten, että se on stabiili ja riittävän nopea. Tämän saavuttamiseksi teholähteen piensignaalikäyttäytyminen on syytä tuntea. Tavanomaisessa piensignaalimallinnuksessa ratkaistaan teholähteen toimintapiste ja tutkitaan toimintaa tämän pisteen ympäristössä. Vaihtosuuntaajan tapauksessa tämä ei ole mahdollista, sillä osa suureista on sinimuotoisia. Mallinnus voidaan kuitenkin tehdä hyödyntämällä avaruusvektoriteoriaa. Sinimuotoiset suureet muunnetaan verkkotaajuudella pyörivään avaruusvektori-koordinaatistoon, jolloin niistä tulee tasasuureita ja toimintapiste voidaan ratkaista. Edellisen tuloksena saatava malli on kuitenkin hyvin monimutkainen, jonka vuoksi suljetun järjestelmän siirtofunktioita ei pystytä ratkaisemaan. Tässä työssä kehitettiin yksinkertaistettu malli kolmivaiheiselle vaihtosuuntaajalle, josta myös suljetun järjestelmän siirtofunktiot on mahdollista ratkaista. Mallin pätevyys varmennettiin simulointimallien ja taajuusvaste-analyysin avulla. Lopuksi rakennettiin prototyyppi, josta taajuusvasteet voitiin mitata. Aurinkopaneelin vaikutusta teholähteen piensignaalikäyttäytymiseen tutkittiin prototyypin avulla. Saatujen tulosten perusteella paneelilla on suuri vaikutus vaihtosuuntaajaan erityisesti säätösuunnittelun kannalta. Tärkeimmät tulokset olivat oikean puolitason nollan ilmestyminen teholähteen dynamiikkaan sekä negatiivinen lähtöimpedanssi käytettäessä kaskadisäätöä. Kaskadisäätöä käytetään jakeluverk- koon kytketyissä säätöjärjestelmissä tehontuoton maksimoimiseksi. Negatiivinen lähtö- impedanssi voi aiheuttaa stabiilisuusongelmia ja huonontaa verkon vaimennusta