Control Technique Development for Inverters Used in Grid Connected Applications

Abstract

تناول هذه الأطروحة استراتيجيات التحكم المتقدمة للمبدّلات متعددة المستويات، خصوصًا في أنظمة الطاقة الشمسية (PV) المتصلة بالشبكة الكهربائية. يعرض الفصل الأول مراجعة شاملة للمبدّلات متعددة المستويات، وهياكلها المختلفة، ومزاياها وعيوبها فيما يتعلق بتقليل التوافقيات، وعدد المكونات، وجودة الطاقة. يقدم الفصل الثاني النماذج الرياضية لتعديل المتجه الفضائي (SVM) والتحكم التنبئي (MPC)، مع تحليل العلاقة بينهما واختيار المتجهات المثلى للتحكم في المبدّل. يناقش الفصل الثالث استراتيجيات التحكم في الأنظمة الشمسية، بدءًا من التقنيات التقليدية وصولًا إلى الأساليب المتقدمة مثل التحكم التنبئي في التيار (MPCC) وتنظيم ناقل التيار المستمر. يركز الفصل الرابع على تنفيذ نظام طاقة شمسية متصل بالشبكة باستخدام محوّل رفع DC-DC يتم التحكم فيه بواسطة خوارزمية MPPT Hell-Clamping. كما يتم تقييم استراتيجيتين للتحكم في المبدّل – DPC-PI التقليدي و DPC-ST المحسن – من خلال محاكاة تحليلية. تُظهر النتائج أن الطريقة المقترحة تحسن الأداء بشكل كبير من خلال تقليل الضغط على ناقل التيار المستمر، وتقليل التشوه التوافقي الكلي (THD)، وتحقيق استقرار أفضل للطاقة المحقونة في الشبكة. تختتم الأطروحة باستنتاج عام يلخص النتائج الرئيسية ويقترح توجيهات للبحوث المستقبلية

Cette thèse explore les stratégies de commande avancées pour les onduleurs multiniveaux, en particulier dans les systèmes photovoltaïques (PV) connectés au réseau. Le premier chapitre présente un état de l’art détaillé des onduleurs multiniveaux, leurs topologies, ainsi que leurs avantages et inconvénients en termes de réduction des harmoniques, du nombre de composants et de qualité de puissance. Le deuxième chapitre introduit les modèles mathématiques de la modulation par vecteur spatial (SVM) et du contrôle prédictif (MPC), en analysant leur relation et le choix optimal des vecteurs de tension pour la commande de l’onduleur. Le troisième chapitre traite des stratégies de contrôle des systèmes PV, des techniques classiques aux méthodes avancées comme le contrôle prédictif du courant (MPCC) et la régulation du bus DC. Le quatrième chapitre se concentre sur la mise en œuvre d’un système PV connecté au réseau via un convertisseur élévateur DC-DC contrôlé par l’algorithme MPPT Hell-Clamping. Il évalue également deux stratégies de commande d’onduleur – DPC-PI classique et DPC-ST amélioré – à travers des simulations. Les résultats montrent que la méthode proposée améliore considérablement les performances en réduisant le stress sur le bus DC, en minimisant la distorsion harmonique totale (THD) et en stabilisant la puissance injectée. La thèse se termine par une conclusion générale qui résume les résultats et propose des perspectives pour des recherches futures

This thesis explores advanced control strategies for multilevel inverters, particularly in grid-connected photovoltaic (PV) systems. The first chapter presents a comprehensive review of multilevel inverters, their topologies, advantages, and drawbacks concerning harmonic reduction, component count, and power quality. The second chapter introduces mathematical models of space vector modulation (SVM) and model predictive control (MPC), analyzing their relationship and the selection of optimal voltage vectors for inverter control. The third chapter discusses control strategies for PV systems, covering classical and advanced techniques such as Model Predictive Current Control (MPCC) and DC bus regulation. The fourth chapter focuses on the implementation of a PV grid-connected system using a DC-DC boost converter controlled by the Hell-Clamping MPPT algorithm. It also evaluates two inverter control strategies—traditional DPC-PI and enhanced DPC-ST—through simulation analysis. The results demonstrate that the proposed method significantly improves performance by reducing DC-link voltage stress, minimizing total harmonic distortion (THD), and stabilizing power output. The thesis concludes with key findings and recommendations for future research