Grid Integration of Photovoltaic Systems Using Advanced Control Strategies for Enhanced Grid Performance

Abstract

Solar energy is one of the leading renewable energy sources that can be harnessed for sustainable and efficient electricity generation. This thesis investigates the integration of photovoltaic (PV) systems into the electrical grid using advanced control strategies to enhance grid performance. The study addresses the fundamental principles of photovoltaic energy conversion and the effects of solar irradiance and temperature on PV system performance. It also explores the application of power electronic converters and Maximum Power Point Tracking (MPPT) techniques to maximize energy extraction. To improve the performance of grid-connected PV systems, a Model Predictive Control (MPC) strategy integrated with Common-Mode Voltage (CMV) reduction is proposed. Simulation results demonstrate that the proposed controller maintains sinusoidal three-phase currents over an operating frequency range of 50–100 Hz while reducing the inverter CMV from Vdc/2 to the theoretical minimum of Vdc/6. The obtained current Total Harmonic Distortion (THD) remained very low, with values of 0.26% for the conventional FCS-MPCC method and 0.35% for the proposed MPC with CMV strategy, confirming high power quality in both cases. Furthermore, the proposed method reduced the computational burden (approximately 2 × 10⁻⁷ compared with 3 × 10⁻⁷ for the conventional FCS-MPCC at Ts2), demonstrating its suitability for real-time implementation. Overall, the proposed control strategy improves the stability, efficiency, and reliability of grid-connected photovoltaic systems ُعد الطاقة الشمسية من أبرز مصادر الطاقة المتجددة التي يمكن استغلالها لتوليد الكهرباء بصورة مستدامة وفعّالة. تهدف هذه الرسالة إلى دراسة دمج الأنظمة الكهروضوئية ) (PVمع الشبكة الكهربائية باستخدام استراتيجيات تحكم متقدمة لتحسين أداء الشبكة. كما تتناول المبادئ الأساسية لتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية، وتأثير كل من الإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة على أداء النظام الكهروضوئي. بالإضافة إلى ذلك، تستعرض استخدام محولات إلكترونيات القدرة وتقنيات تتبع نقطة القدرة العظمى ) (MPPTلضمان استخلاص أكبر قدر ممكن من الطاقة. ولتحسين أداء الأنظمة الكهروضوئية المتصلة بالشبكة، تم اقتراح استراتيجية تحكم تنبؤية ) (MPCمدمجة مع تقنية تقليل جهد النمط المشترك ) . (CMVأظهرت نتائج المحاكاة أن المتحكم المقترح يحافظ على تيارات ثلاثية الطور ذات شكل جيبي ضمن نطاق تردد تشغيلي يتراوح بين 50و 100هرتز، مع تقليل جهد النمط المشترك ) (CMVللعاكس من Vdc/2إلى الحد الأدنى النظري .Vdc/6كما بقيت قيمة التشوه التوافقي الكلي للتيار ) (THDمنخفضة ج ًدا، حيث بلغت % 0.26للطريقة التقليدية FCS-MPCCو % 0.35للاستراتيجية المقترحة MPCمع، CMV مما يؤكد جودة القدرة العالية فيكلتا الحالتين. علاوة على ذلك، حققت الطريقة المقترحة انخفا ًضا في العبء الحسابي، إذ بلغ حوال 2 × 10⁻⁷مقارنةً بـ 3 × 10⁻⁷للطريقة التقليدية FCS-MPCCعند زمن العينة ،Ts2مما يبرز ملاءمتها للتطبيقات ذات التنفيذ الآني ). (Real-Timeوبشكل عام، تسهم استراتيجية التحكم المقترحة في تحسين استقرار الأنظمة الكهروضوئية المتصلة بالشبكة وكفاءتها وموثوقيتها