Published June 1, 2024 | Version v1
Publication Metadata-only

Maximizing photovoltaic system power output with a master-slave strategy for parallel inverters

Creators

  • 1. Mansoura University
  • 2. University of Hradec Králové

Description

Parallel inverters are commonly used for connecting photovoltaic (PV) and other renewable energy sources to Microgrids (MGs). One of the greatest challenges in MG operation is maximizing the PV system's performance while also enhancing the MG's reliability and efficiency. The PV inverters waste power if the shared load power is less than their maximum output power. When shared load power surpasses the PV inverter's maximum output power, the system may become unstable since PV sources are intermittent. This study proposes a master-slave control system for controlling parallel inverters connected to a PV system. The master inverter is connected to Energy Storage Devices (ESDs) and is responsible for maintaining stable voltage on the load bus. The PV units are connected via slave inverters and are managed using a dual-loop Proportional Integrator Derivative (PID) control approach, with the outer loop maximizing solar panel output. The system is built on a Direct-Quadrature-Zero (d-q-0) inverter architecture, and the controller guarantees that all inverter currents remain in phase to reduce circulating current and enhance overall system efficiency. The simulation model evaluates a system comprising three inverters, with the master inverter powered by ESDs. The PV Units power the other two Slave Inverters. The system is evaluated using four case studies featuring various load and radiation change scenarios. The results demonstrate that the system is highly reliable and operationally efficient, with the absence of circulating currents among the inverters. Moreover, the system is capable of precisely monitoring the MPPs of PV modules with 100% efficiency and a minimal 0.002% fluctuation, while also responding to changes in under 50 ms.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تُستخدم المحولات المتوازية بشكل شائع لتوصيل الخلايا الكهروضوئية (PV) ومصادر الطاقة المتجددة الأخرى بالشبكات الدقيقة (MGs). يتمثل أحد أكبر التحديات في تشغيل MG في تعظيم أداء النظام الكهروضوئي مع تعزيز موثوقية MG وكفاءتها. تقوم المحولات الكهروضوئية بإهدار الطاقة إذا كانت طاقة الحمل المشتركة أقل من أقصى طاقة خرج لها. عندما تتجاوز طاقة الحمل المشتركة الحد الأقصى لطاقة خرج المحول الكهروضوئي، قد يصبح النظام غير مستقر لأن مصادر الطاقة الكهروضوئية متقطعة. تقترح هذه الدراسة نظام تحكم رئيسي- عبد للتحكم في المحولات المتوازية المتصلة بالنظام الكهروضوئي. يتم توصيل المحول الرئيسي بأجهزة تخزين الطاقة (ESDS) وهو مسؤول عن الحفاظ على الجهد المستقر على ناقل الحمل. يتم توصيل الوحدات الكهروضوئية عبر محولات تابعة وتتم إدارتها باستخدام نهج التحكم في مشتق التكامل النسبي ثنائي الحلقة (PID)، مع الحلقة الخارجية التي تزيد من خرج الألواح الشمسية. تم بناء النظام على بنية عاكس Direct - Quadrature - Zero (d - q -0)، وتضمن وحدة التحكم بقاء جميع تيارات العاكس في المرحلة لتقليل تيار الدوران وتعزيز كفاءة النظام بشكل عام. يقوم نموذج المحاكاة بتقييم نظام يتكون من ثلاثة محولات، مع تشغيل المحول الرئيسي بواسطة ESDS. تعمل الوحدات الكهروضوئية على تشغيل المحولين التابعين الآخرين. يتم تقييم النظام باستخدام أربع دراسات حالة تتضمن سيناريوهات مختلفة لتغير الحمل والإشعاع. تظهر النتائج أن النظام موثوق للغاية وفعال من الناحية التشغيلية، مع عدم وجود تيارات دوارة بين المحولات. علاوة على ذلك، فإن النظام قادر على مراقبة MPPs للوحدات الكهروضوئية بدقة بكفاءة 100 ٪ وتقلب 0.002 ٪ كحد أدنى، مع الاستجابة أيضًا للتغيرات في أقل من 50 مللي ثانية.

Translated Description (French)

Les onduleurs parallèles sont couramment utilisés pour connecter des sources d'énergie photovoltaïque (PV) et d'autres sources d'énergie renouvelables aux micro-réseaux (MG). L'un des plus grands défis dans le fonctionnement de la MG est de maximiser les performances du système photovoltaïque tout en améliorant la fiabilité et l'efficacité de la MG. Les onduleurs photovoltaïques gaspillent de l'énergie si la puissance de charge partagée est inférieure à leur puissance de sortie maximale. Lorsque la puissance de charge partagée dépasse la puissance de sortie maximale de l'onduleur PV, le système peut devenir instable car les sources PV sont intermittentes. Cette étude propose un système de commande maître-esclave pour la commande d'onduleurs parallèles connectés à un système PV. L'onduleur principal est connecté à des dispositifs de stockage d'énergie (ESD) et est responsable du maintien d'une tension stable sur le bus de charge. Les unités photovoltaïques sont connectées via des onduleurs esclaves et sont gérées à l'aide d'une approche de contrôle PID (Proportional Integrator Derivative) à double boucle, la boucle extérieure maximisant la sortie des panneaux solaires. Le système est construit sur une architecture d'onduleur Direct-Quadrature-Zero (d-q-0), et le contrôleur garantit que tous les courants de l'onduleur restent en phase pour réduire le courant circulant et améliorer l'efficacité globale du système. Le modèle de simulation évalue un système comprenant trois onduleurs, l'onduleur maître étant alimenté par des ESD. Les unités PV alimentent les deux autres onduleurs esclaves. Le système est évalué à l'aide de quatre études de cas présentant divers scénarios de changement de charge et de rayonnement. Les résultats démontrent que le système est très fiable et efficace sur le plan opérationnel, avec l'absence de courants circulants entre les onduleurs. De plus, le système est capable de surveiller avec précision les MPP des modules PV avec une efficacité de 100% et une fluctuation minimale de 0,002%, tout en répondant aux changements en moins de 50 ms.

Translated Description (Spanish)

Los inversores paralelos se utilizan comúnmente para conectar la energía fotovoltaica (PV) y otras fuentes de energía renovable a las microrredes (MG). Uno de los mayores desafíos en la operación de MG es maximizar el rendimiento del sistema fotovoltaico y al mismo tiempo mejorar la confiabilidad y eficiencia del MG. Los inversores fotovoltaicos desperdician energía si la potencia de carga compartida es menor que su potencia de salida máxima. Cuando la potencia de carga compartida supera la potencia de salida máxima del inversor fotovoltaico, el sistema puede volverse inestable ya que las fuentes fotovoltaicas son intermitentes. Este estudio propone un sistema de control maestro-esclavo para controlar inversores paralelos conectados a un sistema fotovoltaico. El inversor maestro está conectado a dispositivos de almacenamiento de energía (ESD) y es responsable de mantener un voltaje estable en el bus de carga. Las unidades fotovoltaicas están conectadas a través de inversores esclavos y se gestionan utilizando un enfoque de control de derivada de integrador proporcional (PID) de doble bucle, con el bucle exterior maximizando la salida del panel solar. El sistema está construido sobre una arquitectura de inversor Direct-Quadrature-Zero (d-q-0), y el controlador garantiza que todas las corrientes del inversor permanezcan en fase para reducir la corriente circulante y mejorar la eficiencia general del sistema. El modelo de simulación evalúa un sistema compuesto por tres inversores, con el inversor maestro alimentado por ESD. Las unidades fotovoltaicas alimentan a los otros dos inversores esclavos. El sistema se evalúa utilizando cuatro estudios de casos que presentan varios escenarios de cambio de carga y radiación. Los resultados demuestran que el sistema es altamente confiable y operativamente eficiente, con la ausencia de corrientes circulantes entre los inversores. Además, el sistema es capaz de monitorear con precisión los MPP de los módulos fotovoltaicos con una eficiencia del 100% y una fluctuación mínima del 0,002%, al tiempo que responde a cambios en menos de 50 ms.

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تعظيم خرج طاقة النظام الكهروضوئي باستخدام استراتيجية رئيسية وعبدية للمحولات المتوازية
Translated title (French)
Maximiser la puissance de sortie du système photovoltaïque avec une stratégie maître-esclave pour les onduleurs parallèles
Translated title (Spanish)
Maximizar la potencia de salida del sistema fotovoltaico con una estrategia maestro-esclavo para inversores paralelos

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4389836354
DOI
10.1016/j.egyr.2023.12.020

Is supplement to
https://openalex.org/W2381993707 (Other)
https://openalex.org/W2367445858 (Other)
https://openalex.org/W2366644717 (Other)
https://openalex.org/W2366001104 (Other)
https://openalex.org/W2351307261 (Other)
https://openalex.org/W2290996769 (Other)
https://openalex.org/W2159563029 (Other)
https://openalex.org/W2093748482 (Other)
https://openalex.org/W2090575600 (Other)
https://openalex.org/W1956655372 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Egypt

References

  • https://openalex.org/W1884863497
  • https://openalex.org/W1999640491
  • https://openalex.org/W2048607562
  • https://openalex.org/W2058688415
  • https://openalex.org/W2067887469
  • https://openalex.org/W2072100557
  • https://openalex.org/W2113668379
  • https://openalex.org/W2118892773
  • https://openalex.org/W2129071329
  • https://openalex.org/W2130055347
  • https://openalex.org/W2154087834
  • https://openalex.org/W2159027549
  • https://openalex.org/W2166513529
  • https://openalex.org/W2168643093
  • https://openalex.org/W2285807728
  • https://openalex.org/W2317145150
  • https://openalex.org/W2343116268
  • https://openalex.org/W2472547855
  • https://openalex.org/W2524247548
  • https://openalex.org/W2534546369
  • https://openalex.org/W2578947365
  • https://openalex.org/W2592683581
  • https://openalex.org/W2606394655
  • https://openalex.org/W2606820636
  • https://openalex.org/W2621098296
  • https://openalex.org/W2760991002
  • https://openalex.org/W2769056149
  • https://openalex.org/W2773781139
  • https://openalex.org/W2804413843
  • https://openalex.org/W2886383694
  • https://openalex.org/W2898565072
  • https://openalex.org/W2966458521
  • https://openalex.org/W2982864875
  • https://openalex.org/W2987228531
  • https://openalex.org/W3016460412
  • https://openalex.org/W3082340748
  • https://openalex.org/W3087109957
  • https://openalex.org/W3105185664
  • https://openalex.org/W3169454181
  • https://openalex.org/W4200543891
  • https://openalex.org/W4226461704
  • https://openalex.org/W4284972266