Design and simulation of a single-phase inverter with grid support functions

Bérard, Jean-Philippe (2023). Design and simulation of a single-phase inverter with grid support functions. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

As a result of the ambitious decarbonization goals set globally, substantial efforts are put towards the electrification of many sectors, including transportation, leading to an increased demand in electricity. Meanwhile, the use of fossil fuels to generate electricity must also decrease to meet these goals. Consequently, there is a considerable number of zero-carbon renewable energy sources that are integrated to the power system every year, many of which are connected via power-electronics converters. Inverter-based resources like photovoltaic, wind power and battery storage present many challenges for the operation and stability of the electrical grid, at all voltage levels. Utilities and system operators, among others, have worked towards the development of interconnection standards and test procedures for these types of resources in order to mitigate the impact of their increasing penetration on the power system.

With regards to these challenges, this master’s thesis focuses on a low-voltage grid-connected single-phase inverter for the interconnection of photovoltaic resources at the residential level. More specifically, the objective is to study and design an inverter system that will provide a fast and robust dynamic response with good power quality over a wide-range of operating conditions and also contribute to grid stability through the implementation of grid support functions. The theory behind the relevant inverter system components will be discussed and their respective mathematical models will be presented in order to develop design procedures for the output filter and current controller. Furthermore, the implementation of a grid synchronization mechanism and grid support functions will be presented. In addition to theoretical analysis, every component and the resulting system will be modeled and simulated in the Matlab/Simulink environment to validate their performance. Simulation results will demonstrate that the designed inverter successfully complies with the aforementioned criteria.

Titre traduit

Conception et simulation d’un onduleur monophasé avec fonctions de support du réseau

Résumé traduit

En réponse aux objectifs ambitieux de décarbonisation fixés à l’échelle mondiale, des efforts substantiels sont déployés afin d’électrifier de nombreux secteurs, y compris les transports, ce qui entraîne une forte augmentation de la demande en électricité. De plus, l’utilisation de combustibles fossiles comme source de production d’électricité doit également diminuer afin d’atteindre ces objectifs. Par conséquent, un nombre considérable de sources d’énergie renouvelables à zéro-émission nette de carbone sont intégrées chaque année au système électrique, dont beaucoup sont connectées via des convertisseurs à électronique de puissance. Les ressources basées sur les onduleurs comme le photovoltaïque, l’éolien et le stockage par batteries présentent de nombreux défis pour la conduite et la stabilité du réseau électrique, à tous les niveaux de tension. Pour être en mesure de palier aux impacts de la pénétration croissante de ces ressources sur le réseau, plusieurs normes d’interconnexion et des procédures de test ont été développés dans les dernières années.

Dans ce contexte, la recherche présentée dans ce mémoire porte sur un onduleur monophasé connecté au réseau basse tension pour l’interconnexion de ressources photovoltaïques à l’échelle résidentielle. Plus précisément, l’objectif est d’étudier et de concevoir un onduleur qui fournira une réponse dynamique rapide et robuste en plus d’une bonne qualité de l’onde pour une large gamme de conditions de fonctionnement. De plus, l’onduleur devra également contribuer à la stabilité du réseau grâce à l’implémentation de fonctions avancées. La théorie sous-jacente aux composants du système sera présentée et les modèles mathématiques de ces derniers seront utilisés afin de développer des procédures de conception pour le filtre de sortie et le contrôleur de courant. Le mécanisme de synchronisation au réseau et les fonctions de support avancées seront également présentés en détails. En plus de l’analyse théorique, chaque composant et le système complet seront modélisés et simulés dans l’environnement Matlab/Simulink afin de valider leurs performances. Les résultats de simulation démontreront que l’onduleur conçu respecte avec succès les critères susmentionnés.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of a master’s degree with thesis". Comprend des références bibliographiques (pages 167-170).
Mots-clés libres:	onduleur monophasé, filtre harmonique, contrôle de courant, synchronisation au réseau, fonctions avancées
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Fortin Blanchette, Handy
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt:	07 sept. 2023 17:53
Dernière modification:	11 mars 2024 17:09
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3269

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