In te r n ation a l Jou rn al  o f Po we r  Elec tron ic s an d   D r ive S y stem  (IJ PED S )  V o l.  10, N o.  3, S ep 2019,  pp.  1 5 6 4 ~1 5 7 4   ISSN: 2088- 8694,  DOI :   10.11591 /ijpeds. v10. i 3.pp1564-1574          1564     Jou rn a l  h o me pa ge :  ht tp: //i a e score . com / j o u r na l s / i n d e x . p hp/IJ PED S   Design and digital implementation  o f power control strategy for   grid c onnected pho tovoltaic inverter       Lin d a Hassa in e, Moh amed  R id a Ben gou r i n a   C e ntre  de   Dé ve l o p p e m e n t de s  En e r g i es   R enou vel a bl es,  CDER,  B P 6 2   Ro u t e  de  l ’o b s erv a toi r e  16 340  Bo uzaréah,   Algeria      Art i cl e In fo     ABSTRACT  A r tic le hist o r y :   R e c e i v e d  Oct  2 9 ,  2 018  Re vise d Mar   6,  201 9   Ac ce p t ed  Ap r   1 3 ,  2 019      Th is   p aper  p resen t s  th e  o p t i mizat io n  design   a n d   a   d e t ail e d  im pl e m ent a tion  in  FPGA  (Fiel d - P r o gram m a bl e  Ga t e   A rray)  o f   a  p o wer  cont rol  str a t e g y.   T his  st rateg y   i s   b a sed  on  t h e  ph ase  shif t  an gl e  of   t he  i nv ert e r  ou tp u t   volt a ge  w i t h  resp ect  t o  t h e  gri d   v oltag e   a nd   D S P WM   ( Di gital   Sinu soid al  P u l se  W i d t h   M o d u l a t i o n )  p a t t e r n s   “ P h a s e  s h i f t  a n g l e - D S P W M ”  f o r  a n   i n v e r t e r   for  ph ot ov olt a ic  s y s t e m  conn ected   t o  t h e  gri d .   T h e  pro p o s ed   c o n t r ol   can   sy nch r oni ze  a  s i nus o i dal   i nverter  o ut put   c u rre nt  w ith   a   g rid   v o l t ag e   and   con t ro l  the  po w e r  inj ected   i nto   t h e  gri d .  De t a ile d   d e vel opm en t  of   a   d igital   c o ntrol l e r   w i t h   lo we r  ha rd wa re  a nd   c o m pu ta ti on   r e q u i re me nt  i s  p roposed.   De sc rip tion   on   t he   d igi t a l   i m p l e me nta t io n  o f   t he   A /D  c o n v e rte r ,  t h e  P I   com p ensat o r ,  t he ph a se s hi f t  an d  t he D PW M ,   i s  p r o v i d ed.   T hi s  d i gi ta l cont rol  exh i b i t   sim p licit y,   r edu c ti on  o f   t he  m em ory   requ irem ent s   a n d   p o wer   calcu lati on   f o r   t he  c o n tro l .   T h e  f unctio nal   s t ru cture  o f   t h i s  s ystem  w i th  di gital contro l   has been validat e d  with  s i m u l at io n s  an d  ex p erim e n tal  re su lts. K eyw ord s :   Di gi t a l   c ont ro l     D S PW M   Pa t t e r n s   FPGA     G r id c on nec t ed   Inver t e r     Co pyri gh t © 2 019 In stit u t e  of Advanced  En gi neeri n g  an d  S c ien ce.   All  rights   res e rv ed.  Corres pon d i n g  Au th or:   Linda Hassaine,   Ce ntre  d e D é velo p p em en t de s  Energie s   R e n ou ve lab l es,  CD E R   BP 62  Ro u t e   de  l’observa toire   16 3 40  Bo uza r éa h, A l g ier s , A l g e r ia.   Em ail:  l . hassa i n e@c d er. d z       1.   I N TR OD U C TI O N   The   o v er all  effi c i e n cy   o f  gri d -co nne c t e d   p ho t o v o l ta i c   p o w er   g en e r at io n  s y ste m s  de p e nd s  o n   t he   efficie n c y   o f  t h e   D C - i n t o-A C   c onve rs io n  of  t he  i nve rte r .  Im port an t   i m p r ov emen t s   i n   th e   d e si gn   a nd   implem e n ta t i o n   o f  th is  pow e r   c on verter   d e v ic e  ca n   b e   c a rrie d   o u t  [ 1 –6].  Con t ro l  of  a c t iv e  and  rea c t i v e  p o w e r   in j e c t e d   i n t o  t h e  gr id;   c o ntro l  of   d c- li nk   v o lta ge ;  g u a r ante e   h ig h   q u a lit y  of   t he  i njec te d  p o w e r;  r ed uc t i o n   o f  the  h a rm on i c   d i s t o rt i o n,   e li m i na t i on  of  t h e   D C  com pon e n t   i n j e c t e d   i nto  t h e   gr id ;  gri d   s y n c h r o n i z a t i o n  a nd  di gita l  impl em enta t i o n   o f  t h e  con t ro l  [7,  8].  P u l s e   w i dt h  m o d u l at ion  (P WM)  tec h n i que  i s  use d   f or  c on t r ol lin g   the   v o lta ge  s o u r ce  inv e rters,   w hic h   i n j ec t s   c urre nts  in to  t he   g r i d .  T w o  m e t h o d s   o f   P W M   t e c h n i q u e s  c a n  b e   a d opt e d :   Th e   P W M   t echn i qu e   c o nsi s t   on   t h e   c o m p a ri son   of  a   t ri an gu lar  ca rrier   s ig nal  “ h i gh  fre q ue ncy”   w i t h  a  sinus o i da l  re fe renc e  w a v e fo r m   “ low   freque ncy”.   Th e   in tersec ti o n   po int  de term ines  t he  s w i t c h i n g   w a ve form .  The  sec ond   m et ho d,  t he   P WM  t e c h n i q u e  base d  o n   g e n e r at e d   s w itc h i n g   p a tter n s.  T h e   P WM   pat t ern  red u c e   the  l o w   orde r   of  h arm onic   c o mpo n e n t s   [ 9],  [10].   In  t hi s  case,   t he  s wi tc hin g   p a t t e rns  a r e  c a l c u l a t e d  a  p r i o r i   f o r   c e r t a i n   o p e r a t i n g  c o n d i t i o n s  a n d  a r e  t h e n   s t o re d  i n   m emor y  (loo k - up  ta ble)  f or  u se  i n  rea l   t i m e  [1 1 – 1 3 ].  D i g i t a l   i m p le me nt a tio n  o f fers  a dva nta g es  o v e r  t h eir  a n al o gue   c oun te rparts  [ 14 –1 7]:   imm uni ty  t o  t h e   n o i se  a n d   inse ns iti ve ne ss  i n   t he  c h a nge s  o f   v o l ta g e   a n d   t e m pe rature   [ 13].  F P G A ' s  implem e n ta t i o n   g i v e  s u pp le n e ss  i n   c ha ng in g  the  de s i gne d  circu i t ,  eas y  a nd  fas t   c irc u it   m odi fica ti on   w it hou t   modi fyi n g the   hardw a re  and  rapi d pr o t ot y p i n g   [1 2].   I n   t h i s  w o r k ,  t h e  ob je c t i v e   is   t o  im p l e m e n t  an  i n v e r ter  w ith  a   si m p le  p o w e r   c on trol  s trateg y.   T ha t   impl ies  to   r ed u c e   bo th  h ardw a r e  a nd  sof t w a re  r e quired  re sour ces   ( r e duc i ng  me mor y   a n d   c om put i ng  ne eds  o f   the  c o n t ro l  sy s t em )  u s in g  F P G A   de si g n   p la tform .   T he  p ropos ed  c o n t ro l  stra te gy  im p l e m entat i o n   a l l o w s  to   d e si gn   a n   i nvert e r   w i t h   lo w   c o st   a n d   hi gh   r e l i a bi li ty ,  wh il e   ma ny   o t h er  i mp le me nt a tio n s   a re   b ased   o n  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J  P o w   Elec  &  D r i   S y st   I S S N :  2088- 86 94       Desi gn   an d  digi tal  i m pl e m ent a tio n  of  pow e r  co nt rol  st ra t e gy   f o r  g r i d   c onne c t ed   …  (L i n da  Ha ssai n e)  1 565 c o mple x  ma th e m a t i c a l   a lg or it hm s  tha t   r eq uir e   m an y  r e sour ce s  of  bo th   s oft w are   a n d   h a r d wa r e .  F P GA   tec h n o lo gy   o f f e r s   a   f le xi b l e   p r ogr am m a ble  e n v i r o nm en t  a n d  a   h i g her   le ve l   of  v er sa t i l i t y.     T h e   c o de  i s  writte n  as b lo ck s to  b e   p r o c essed   in   p aral le l ,  wh i ch   m ak es th e  F PG A  i m p lem e nta t io n m o re  a ttrac tive .     I n   P V  system s  c o n n e c te d  to  t he   g r i d,   s ys t e m  contr o l  ca n  be  d ivi de d  in to  t w o   i mpor ta nt   p ar ts.   The   MP P   c ont r o l ,   w hic h   e x t r act  t he  m a x i m um   pow er   f r o m   t h e  P V   g ene r a to r   and  t h e  in ve r t e r   c on t r o l ,   w h ic h   en su re   t h e   c o n t r ol   o f   act iv e   an d   re a c t i v e   p owe r   g en erat ed   t o   t h e  gr id,   t h e   c o n t r o l   of  D C - lin k  v o lta ge ,   hi g h   qua lit y  of  t he   i n j e c t ed  pow er   a nd  gr i d   s y n c h r o n i z a t i o n  [2,   3,   7 ,   9,   1 7 – 1 9 ] .   T he  p r o pose d   pow e r   c o n tr o l   me t h od  [2 0–22 ]  is  b a s e d   o n  t h e  ph a s e   shif t   an gl e  o f   t h e   i nv e r t e r   ou t put  v o l tage  w it h  r e spect  t o  t h e  gr id   vo l t age  a nd  D S PWM   pat t e r n s   “ Phase   shift   ang l e-DS PWM”.  Hi g h   pow e r  f a ct o r   c an   b e   ac h i ev ed   f o r   a   l a r g e   r a nge  o f   o u tp u t   c ur r e nt.   The   m a in  a dva n t ag es  a r e   s im p l i c ity,   fe w   res ourc e s,  l ess   memor y ,  less  c i r c uit r y  and  hi g h  a ccur acy.   Th is  c on tro l   s tr ateg y  a l l o ws  t he  c on tro l   o f  p o we r  in jec t e d   i nt o   t he  g r i d.   U si ng  D P WM  p atter n s  f o r   di ff er e n t   m o du lat i on  in de x  ma   a nd  t h e  p h as e   shif t   a n g l e   o f   t he  in ver t e r   o ut p u t  vol tage   a s  con t r o l  par a m e ter .   The   o u t p ut   c ur r e nt   a mp l itu de   a nd   t he  p ow e r   f ac tor   c a n   be   c on tr o l l ed,  c h an gi ng  the   p o wer   fac t or ;  t h e  i n je cte d   in d u ct i v e  or  c a p ac it iv e  re ac t i ve  p owe r   c a n   b e  d y n am ical l y   c ha n g ed   a nd  c o nt roll ed ,  f o r   a c h i e v i ng   a n   in v e r t er  w i t h   a dva nce d   a c c ur a c y   a n d   r e l i a b il i t y.   I n   [ 2 0 – 22] ,   t h e   str a t e g y   has   be en   d e v e l ope d  w i t h   m et h o d ica l   de sc r i pt ion  a n d  ma them at i c a l   a na ly sis.   T he  t he or et ica l   p r e d i c t i on s  h a s  b e e n   v al i d a t e   wi th   s i m ul at ion   an d   f i rst   e xper i m e nt  r e s ults.   I n   t h i s  pa per   a   deta ile d  imp l e m entat i o n  in  F P G A  of  t h i s  p o w e r   c o n t ro l   st ra t e g y ,   “P h a s e   s h i ft   a n g l e - DP WM”  for   P V   i n v e r ter s   b a s e d   o n  t h e  l o ok   up  ta b l e,   i s  presen te d .  Descr i pt i on  on  the  d i gita l  imple m e n ta ti on   of   t he  m ai n  co ntr o l  b l oc ks,   w h i c h  a r e  the  A / D   con v er t e r ,   t h e   P I   c o n t roll er,  th e   ph a s e  shi f t  a n d   t h e  DPWM ,  i s   pr ovi de d.   T he  p r o pose d   c on tr ol  i s  s i m p l e   a nd  ada p ted  t o   F P G A  pl a t f o r m ;   i t   i s  a t t r a c t i v e  f o r  l o w  p o w e r  g r i d   co nn e c t e d   ap pli c at io ns  a nd   a ll o w s  c o nt roll i n g   th e   a c t i v e  a n d   re ac t i ve  p ow e r   i njec te d  int o   t he   g r i d .   M or e over ,   r obust n ess   o f   t he   p r opose d   c o n t r ol   a l l o w s   d e s ign i ng  a   low   c o s t   an d  s i m p l e   i nve r t er   w it h   a   r e duc e d   a m o u n t   o f  c o mpo n e n t s ,   based  o n   a   f ul l  br id ge   t op o l og y  tha t   c a n   b e  imp l em e n t ed  w ith  m i n i m um   c om put a t i o na l   r e sour ce s.       2.   POWE R   CONTRO L S T RAT EGY  I n   pho t o v o l t a i c   p ow e r   s ys te m ,   t he  c o n t r o l   of  p o w er   f ac t o r   is  a c hie v e d   b y  a d jus t ing  am pl itu de  a n d   pha se   a n g l e   be t w een  i n v er ter   vo l t age  a n d  g r id  v o l tage  a s  is  s ho w n   i n  th e   pha se  d ia gr a m   o f   t h e  eq u i vale n t   el ec t r i c al  c i r c u i t  of   th e   i n v e rt er c o n n ect e d  to   t h e g r i d  Fi g u r e  1 .           F i gur e  1.   P hase  d iagr a m   o f  t h e  equi va le nt  e l ectr i c a l   c i r cu it   o f   i n v e r ter   con n ec t e d  t o   t he  g r i d  i nver t e r       The   p o w e r   co ntr o l  is  o b t a i n e d  b y   m eans  o f   t he  p hase   s hi f t   a ng le  ( δ )  o f   t h e   i n v e r t e r  o u t p u t   v o l t a g e ,   w i t h   r espe ct  t o   the  gr id  v o l t a ge  a n d   t he  u se  o f   S P WM  p a t t e r n s.   The  pow e r   f a c tor   is  d e t e r m i ne d  b y   a n g le  ( φ)   be t w ee n  t h e   gr id  v o lta ge   a n d   t he  f u n d a m e n t al  c u r r e nt  c om p o ne nt   of   i n v e r t e r   o ut put  cu rren t .   C o n t r o l l i ng  the   phase  s h i f t   o f  t h e   in ver t e r  o ut pu t v o lta ge,   th e   o u t pu t  cur r e n t  am p l itu de  an d   t he pow e r   fact or  c an   b e   c o n t ro l l e d ,  a n d   t h e r ef ore  the   ma gnit ude   o f  the   ac t i ve  a n d   r e acti v e  p o we r  in jec t e d   i n t o  th e  gri d   [ 2 0 ] ,   [22] .     The   ana l ysis  i s  estab l ishe d  us in g  t h e  i n d u ct i v e  filte r  b e twe e n  t h e  in ve r t er   a nd  the   gr id  [ 24] .   C ons ide r i ng  t h e  fu n d am en tal   ha r m onic   ( p ur e si nu so ida l   w ave ) ,   a s  a first  a ppr oa ch,   t h e  to tal   harm o n ics   (T HD)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N: 2 0 8 8 - 86 94  I n t   J Po w   Elec  &  Dr i  Sy st,  Vo l. 1 0 ,  No . 3 ,   S e p   2 019   :     1 5 6 4   –   1 574  1 566 of   t he   c ur r e nt  i n j e c t e d   i nto  t h e  gr id  i s  ass u m e d  eq ua l   z e r o   ( TH D≈0) .  The r ef o r e,   t he   power  f act or,   PF ,  is  de t e rm ine d ,  on l y ,   by  the   d i s p l a cem ent  fac t or  (c o sφ),  a s will  be   s h o w n   i n  ( 1 )   [20 – 22]     cos s i n ad c ou t mV PF LI   ( 1 )     To   v ali d   t h e   p e r f o r m an c e   o f   t h e   p ropo se d   po we r   co nt ro l   stra t e gy   i t  i s   n ec essary,   t o   g uar a ntee   a   t o t a l   ha r m onic   d i s t o r ti on  no t   h i ghe r   t h a n   s pec i f i e d   5 %   as  s ug ge sts  th e   Interna tiona l  S t anda rd  I EEE  Std  929-2000  [ 2 ,   5,  18] .   Th is  c o n d i tio n  ca n  be  a c h ie ve d  ca lc u l a tin g  a n d   o p t i mi z i n g   of   u si ng   d i f f e r e nt   d ig it a l   S PW M   pa t t e r n   a nd  se lec t i n g  an  a p p r opr i a te  c ou p l i ng  f i l t er   [ 23]   a n d   f r e q u e n c y   m o d u l a t i o n  inde x  ( m f ) ;   a nd  the  dis p la ce m e nt   fact or  ( c o sφ)  has  to  b e   w i t h i n   t he  p re -ca l c u l a te d  lim its ,  to  g u aran t ee  t h e  sp ecif i ed  o u t pu t   cu rrent .  T h i s   m a gni t ude  c a n   b e   c ontr o lle d  se lec t i n g  an  a d e qua te  a mpl i t u d e   m o d ul a tio n   in de x,   m a ,  and  a   phase   s hi f t , ,  o f   the  i nver t e r   o u t p u t   v o l t a ge.   I n   F ig ur e  2,   w hi c h   s h o w s   P F  vs  ,   for   tw o   di ffe r e nt  v a l u e s  of  m a  a n d   o f   t h e   in ver t e r   o utp u t   v o l tage ,   V in v ,  ( V inv  =   m a . V dc ) ,    i t   c a n  b e   s e e n ,   t h a t  w i t h    t w o   v a l u e s   o f  m a   w e   c a n  r e a c h   t h e  P F     1   I n  a   w i der   r a nge  o f   .          Figure  2.  P ower factor  ( P F )  acco rd in g t o  the   pha se  s hif t         The   c h oi c e   o f   i nd uc tanc e   gr i d   c on ne ct i on  in f l ue nc es  t he   h a r m o n i c   c o n t e n t   o f   t he  c ur r e nt   i nje c t ed   in t o   t he   g r i d  a nd  the  m a xim u m  acti v e  a n d   r e a c tive  pow er   t ha t  t h e  in v e rt e r   c a n   d el iver  t o   t h e  g r id .  Hi gh  i ndu c t an ce s  l ead   t o   red u c ed   h a r mo ni c   di st ort i o n .   H o w ev er  i n c re a sing  t h e   in duc ta nc e  i n   t he  f il t r ate  show s  a   num ber   of  d r a w b a c ks :  cos t   r educ t i o n   a nd  tr ansfe r   o f   p o w e r   inver t e r.   To a na lyz e  the   b eha v i o r   of  t h i s co n t r o l  s t r a te gy f o r   sin g l e - pha se  i nv e r t e r  co nn e c t e d   to   t he   g rid   vi a   an  L  or   L CL  f i l t e r .   I t  ha s  bee n   u sin g   t he   e xpr ess i on  of   p ow er   f a c t or   m ent i one d  i n   ( 1 )   a nd   t o  me as ur e   t h e   di st or t i o n   o f  t h e  ou tp u t   c ur r e nt,   t h e  t o ta l  ha r m oni c   d i stor ti on ,   TH D   is  o f t en  u se d.   T ota l   H ar m onic  D i stor tio n   is  a   m ea sur e   o f   the  pr o por t i ona l ity  b e t w e e n   t he  f un dam e nta l   a nd   t he  s um   o f  a ll  ot he r   fr e quenc ies  i n   t he   c u r r e nt   w ave f o r m.   A s  show   i n  ( 2 )  d e fi nes  the   TH D  used  h e r e:     22 1 1 out out i ou t II TH D I  ( 2 )     Where   Io ut is  the   t o tal c u rrent ; ( R MS)   is t he Roo t me ans s q uar e   a nd I out 1  i s   t h e   f u nda me nta l  c u r r e n t   ( R MS ) .   T he   r ela t i o n s h i p  be tw een  t he   s w i t c hi n g   f r e q u enc y   f c  a n d   the   i n d u c t ance   v al ue  o f   o u t pu t  fil t er  i s  pr esen ted,   a ssu m i ng  a  pow er   f ac tor   P F =  0. 99 6.   I n   F igur e . 3,   t h e   s imula tio n  r e su l t s  of   t he  i n v er t e r   c o nnec t ed  t o  the   gr id  v ia  a n  L  f i l t e r   a nd   a n  L C L   fi lt e r .   Assu mi ng   a   P F  =   0 . 996,     i t   can   b e   con c l u d e   t h a t   fo r  lo w e r   s wi t c h i ng   f r e qu en c i es  ( mo d u l a t i on   i nd ex e s   f o r   l o w   fr eq ue ncie s)   l ess  tha n   5 kH z,   t he  i nd uc tanc e  va l u e  o f   t h e  L  f ilter   i s   h i gher   tha n   t he  v a l ue  o f  t h e  i ndu c t an ce  (L 1  +  L 2 )  o f   t h e LCL f i lter .      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J  P o w   Elec  &  D r i   S y st   I S S N :  2088- 86 94       Desi gn   an d  digi tal  i m pl e m ent a tio n  of  pow e r  co nt rol  st ra t e gy   f o r  g r i d   c onne c t ed   …  (L i n da  Ha ssai n e)  1 567   F i gur e   3.   I nduc ta nce  o f   L   f i lte r   and  LCL  f i l t e r   a s  func t i o n   o f   swit c h ing  fre q uenc y  fc,   for PF  =   0,996.      3.   PROPOSED   CONTRO L   STRUCTURE  The   pr o p o s ed  c on tr o l   s ys tem ,   f or   a   phot o v o lta i c   s ystem   co nne c t e d  to  t he   g r i d  is  s h o w n   i n   F i gur e   4.   The   p h o t ov olta ic   g ene r a t or   ( PV G ) ,  D C / D C   f o r   a m a xim u m  pow er   p o i nt   t r a c k in g  ( M P P T) a nd  a   P W M  in ver t e r  ( DC /AC).             F i gur e  4.   C o n tr ol  s tr uc tur e   f or   a   s ing l e   pha se   i n v er te r   [ 2 0 ]       The   D C / D C   c o n v er te r   i s   e m p l o yed  t o   b o o s t   t he  P V - ar r a y   vo l t age  t o  an  a ppr opr ia te  l e v el  b a s e d   o n  the   ma g n i t ude   o f   gr id   v o lta ge,   w h ile   t he   c on tr o l ler   of   t he  D C–D C  c o nver t e r   i s   de si gne d  t o   o per a t e   a s  a   m a xim u m  pow er   poi nt  t r a cker   ( MP P T ) .   T he  p er t u r b - a nd- obser ve   m et hod   i s   ad opt ed   o wing   t o   it s  si mp l e   str u c t ur e   a n d  i t   r e quir e s  few e r   m e a s ur ed  p a r am eter s  [2 4,   25] .   T hi s  s t r a te gy   i s  imple m e n te d  to  o pe r a te   unde r   r a pi dly  c h a n g i ng   s olar   r a d ia tio n,   u sin g   o n l y  one   v a r iab l e.   T he   co ns ta nt   v o l t a ge   m e t ho d  i s   acc omp l i s h e d   b y   ke ep i ng  t h e  vo lta ge   i n  t h e  P V   t er m i nals  c o n s t an t  a n d  cl ose  t o   t h e  M PP .   The   c o ntr o l   lo op   f or   t he   P WM  i nver t e r   i s  a ssur e d   b y   t he  o u t put   c u r r e n t   c ontr o l,   t he   D C   b u s  c o ntr o l   a n d   sy nc hr o n i z in g  to  t he   g r i d ,   t o  inje c t   p o w er   i nt o  t h e  g r id  a t   a ll  t i me .   The   o u tp ut   v ol t a ge  o f  t h e  P W M   in ver t e r   i s  a l r e ady   se t   by   t he  u t i l i t y   P V   m o d u l e s.   T he r e f o r e ,   t he  i n v er t e r   i s   c o n tr olle d  to   e ns ur e  o n ly   p ow e r   in jec t io n  i n t o   t he   g r i d.   I n  F i gur e  5,   a r e   r epre se n t ed  a n  inte r n al  a n d   a n  e x t e r n a l   c o n t r o l  l oops  o f   a  c o ntr o ller .   Th e  i n t e rn a l  o ne   i n   o r de r   t o   c on t r o l   t h e  i nv erte r  o u t put   c u rren t an d the e x te rnal one  to c o n t ro l  t h e D C   b u s   V dc .  Th e  referen ce  o f   t h e   o u t pu t  c u rren t   ( I ref )  d e pen d s  on   t h e   D C   bu s  vo lt ag e   ( V dc )  an d   its  r e f e ren c e  (V ref ).  A   l o w   pa ss  F ilter   is  i nc or porate  in  o rde r   t o  e n s u re   t ha t   h i g h   f r e que n c y   s w i t c hi ng   noi se   p resen t   i n   t h e   me a s u r e d   in ver t e r   o u t p u t   cur r ent  sig n a l   doe s  no t  pa ss  t hr o u g h   t o  the  P I   co n t roller.   The   c ontr o l  st r u c t ur e  is  a ss o c iate d  w i t h   p r o p o r t i ona l – i n te gr al  ( P I)   c ont r o ller s   s i n ce  th ey  h a v e   a  sa tisfa c t or y  be ha v i or   w hen   r e gu la ti n g   d c  v a r i ab les.   T he   g a i n   a n d  t i m e   c ons ta n t s  has  b e e n   c a l cu la te d  f o r   the   two  P I   c on tro lle rs.  The   Gain  o f  the   curr en t  PI  c on tr oller   is   e q ua l   to  0 . 9 81 9,   w he r e   t he   t i m e   cons tan t   i s  abo u t   0. 00 171 7.  I n add i ti on,  the  g a i n o f  t he  v o l ta g e  P I c o n t r o lle r   is   2 . 438 , an d   th e ti me co n stan t is  a b out  0 .02 758 . A  lo o k   u p  ta ble   to  s tor e   t he  d iffer e n t   p at ter n s  an d  t h e  zer o   cr os si n g   d e t e c tor   ( Z C D )   f o r   sync hr o n iz i n g  t h e   D P WM  w i t h  t h e   gr i d   v o l tage .         V re f I MP P T Di gi t a l  c o n t r o l DP W M ZC D   ( V gri d ) PI Loo k _ u p   Ta b l e   ( δ ) PI V gr i d L I ou t I re f I ou t M PPT PV G DC/ A C V dc V in v C V re f I MP P T Di gi t a l  c o n t r o l DP W M DP W M ZC D   ( V gri d ) PI Loo k _ u p   Ta b l e   ( δ ) Loo k _ u p   Ta b l e   ( δ ) PI V gr i d L I ou t I re f I ou t M PPT PV G DC/ A C V dc V in v C Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N: 2 0 8 8 - 86 94  I n t   J Po w   Elec  &  Dr i  Sy st,  Vo l. 1 0 ,  No . 3 ,   S e p   2 019   :     1 5 6 4   –   1 574  1 568 4.   PROPOSED C O N TROL   I MPLE M E N T ATI O N   The   b l ock  d i a g r a m   of   t he  c o n tr ol  i s  de t a ile d  i n   F i g ur e  5 .   T o   ea ch  a m p l i tu de  m od u l at i o n  i nde x  m a  c o rre spo n d s  a  sw i t c h in g  pa t t e rn  SPWM  ch ar acte r ized  by  switc h i n g  a n g l e s  ( α 1 ,  α 2 ,  α 3 ,        α  n ,   α n+ 1 )   de fi ned  b y   the  n u mbe r  o f in ter s e c t i ons,   O n l y  the   c h a ng e ang l es  a r e  s t o r e d,   H ig h  a c c u r a c y   r e s ol ut i o n  ca n be   a c h ie ved a n d  whe n   u sin g   s y m me tric  p at ter n s  the   loo k   u p   ta b l e   ca n  be  r e duce d .   E ac h  pat t er n  is  a c c o m p anie d  by  a t t r ib utes   suc h   a s  a   ma ximum   and  a  m i nimum   p h ase   ang l e,   a   m inim um   a nd   a   m a xim u m  cur r ent  stor ed  i n  t h e  loo k u p   t a bl e  (R OM ).   On c e   t h e   d at a  a r e   st o r e d ,  th e  DPWM   c on vert s  t h e  d at a  co d e   p at t e rn s  an d  it s  a t t r ibu t es  i n   a  pu lse d   s i gna l  tha t   w i l l   be  g e n er a t e  the  sw i t c h in g  signa l s   f o r   t he  in v erte r tra n sist ors.          F i gur e  5.   S chem e  of  t he   p r o p o se d  con t r o l  i m pl e m e n tat i on       The   co n t r o l  a l gor it h m   i m p l e me nt e d   i n  F P G A   is  s how n  in  F ig u r e  6.   T he  r e f e r enc e   c ur r e nt  i s  up da te   in  e a c h   p er io d  of  t he  c o n tr o l   s ys t e m  a nd  c o mpa r ed  w it h  t h e   o u t p u t   c ur r e nt  o f  t h e  i nve r t er .   D e pe ndin g   o n  t h e   sig n   e rro r,  t h e   c o n t r oll e r  in cre a s e s  o r   d e c r ea ses   t h e  ph as e   ang l e  δ  b e t w e e n   V inv   and   V gr i d   to   c om pe nsa t e   t h e  erro r.  O n c e   t h e  o u t p ut   c u rren t   i s  equ a l   to   t h e   r ef ere n ce   c u rren t,   t he   c on t r ol   k ee ps t he  c ur r e nt  p hase   a n g l e .   T he  de sig n   m e t ho d   of   i nver t er   p r o p o se d  i n   t hi s  w o r k   i s  a t tr a c t i ve   t o  m e d i um   a nd  l o w   p o w e r   P V   s ystem ,   w hic h   c a n c o n t ro l   ac tive   an d  rea c ti ve  powe r  for r el ati v e  low  cost.           F i gur e  6.   C o n tr ol  a lg or ithm   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J  P o w   Elec  &  D r i   S y st   I S S N :  2088- 86 94       Desi gn   an d  digi tal  i m pl e m ent a tio n  of  pow e r  co nt rol  st ra t e gy   f o r  g r i d   c onne c t ed   …  (L i n da  Ha ssai n e)  1 569 I n   t h i s  c o ntr o l   sc hem e ,   t h e   c o ntr o l l e r   i s  i m p l em ented   by   s p e c i f i c   h a r d w a r e   i n  F P G A .  T h e s e  d e v i c e s   a r e  particu l arl y   s u i tab l e  f o r  t h e  d i re ct  g e n era t i o n  o f   t r i gge r  signa ls  f or   t he   s w itc hes,   s o  the  D P WM  b l o ck  i s   a c tua l l y   e mbe dde d  w ith in   t he   c on tr o lle r ;   i t   is  one   o f  t h e  a dva n ta g e s   of   t he   s pe c i f i c  har d w a r e   f eatur e s .   H o w e ver ,   t he   s pe ci f i c  har d w a r e   f ea tur e s  t w o   d i s tinc t i v e   a d van t a ges :   g r e a t e r   a c c ur a c y  a n d  fle x ib i l i t y   i n  bl oc k   D P WM,   i t   i s  r e a c hed   a n d   i t   i s   p oss i ble   to   g ener ate  a n y  n u m ber   o f  t r i g g e r  si gn a l s,   w hi ch   i s  i m po ssi b le   i n   a  D S P   bec a use  t h ey   h a v e  on e  o r   a s  m a ny  t w o   D P WM  b loc k .   N o r m ally,   al l   si gn al s  i nvo lv ed   i n   th e   co nt rol   l oop  a r e  cont inu o u s .   H ow eve r ,  w h en  u s i ng  a   d i g ital  c o nt r o lle r   som e   o f   t h e  c o nti n u o u s  f unc t i ons  a r e   r eplac e d   b y  di scr e te  s e q ue nc es,   t h us  t w o   d is t i nc t  d o ma in s  a ppear   t he   c o n ti n ued   d o m ina n ce   ( A n a l og)   c o nnec t or   o n   t h e   pr o c ess  si de  a nd   t he   ( d i g ita l )   d i s c r e t e  dom a i n  o n   t he  s i d e   of   t he  r e g u l a t or .   To  c on nec t   b ot h  d o m a in s   som e   ki n d   o f in terfa ce   i s  ne ede d .   U s ua l l y the s e in t e r f ac es  a re   a na lo g / di g i t a l  c onve r t er s ( D A C )   and dig i t a l  / a n al o g   c o n v erter s   ( DAC).  The   f o ll ow in g  de scr i bes  a nd  r e qu ir e m e n ts  f or   e ach  o f  the  di g i t a l  bloc ks  t ha t  ar e   par t   o f   the  c ontr o l   lo o p   t o  ens u re   c ertain  d es ign   spec if i c at i ons  a r e   d i s c u sse d :   fi l t e r ,   P I   c ontr o lle r ,   m odu la tor   D P WM,   lo ok  up   t a bl e,  z ero   c r o ssin g   d et e c t o r  Z C D.  I t   i s   c l ear  t h a t   e ach   o f  th e   b lo ck s  f o rmi n g   t h e  co nt rol  l o op ,  d i re c tly   a f f e c t  the  s y ste m   r espo nse.       5.   DIGIT A L  CO NTROLLER   The   pr o p o r t i o nal   i n te gr al  c o n tr olle r s   P I s   a r e   a   g o o d   c om pr om i s e   b e t we en  t he   s im p l ic i t y   in   d i g i t a l   im pl e m e n ta t i o n   a n d   t he   obta i ne d  per f o r m a n ces.   The  P I   c om pen s at o r   de si gne d  i n   t his  st ud y  g u ar a n t e e  the   sta b i l i t y   o f  th e  ou t put- r egu l ated  v ar ia b l e,  t he  p hase   s hi ft.  Th e   har d w a r e   r e a lizat i on  of  t he   c om pe nsa t o r   tran sfer  f u n c tion  in   th e FP G A  p l a tfo r m is ach iev e d   by  u s i ng  th e   c or r e sp ond in g  d i f f e r e nce  equa tio n :     [1 ] [ ] [ ] pi i Dn k e n k D n   ( 3 )     Where :   k p   a nd   k i  a r e  the   c o e f f i c i e n ts  t hat   d e te rmine   t h e  pr op ortio na l ,   d e r iva tive   a n d  in t e gra l   g ai n,   r e spec tive l y.  D [ n ]  is  t h e   v a l u e   o f  t h e   dut y  cy cl e   at   d i s c r et e   ti me   n ;  e [ n ]   is  t he  d i g it iz ed  v a l ue   o f  th e   e rror;   D i [ n ] ,   i s  the  st ate  o f   t he  i nte g r a tor ;   O nce   the   di gi ta l  co de  o f   the   e r r or ,   e [ n]   i s  ob ta i n ed,   th e   va lue   o f   t he   p ha se  sh ift a n g l e   [ n ] i s  g e n era t ed  f ol lo wi ng  t h e  scheme sh o w n   i n   F i g u r e 8 .   T h e  c o ef fi c i ent s   o f   e ach  g a i n s   ( K p   a nd  K i ) ,   m ay  b e   r o un de d  t o   pow e r s  of   2   i n  pr a c t i ce.   T h i s  ma kes   it  im pl e m e n ta t i o n   e a s y  us i ng  b i nar y   s h i fts.   T his  co n t r o l  la w   c a n  b e  impl em ented  us i ng  di ffe r e nc e  eq uat i o n s ,   lo o k - u p  ta b l e s   o r   c a lc u l ate d   d ir e c tl y  us ing  mic r o p r o ce s s or s  w i t h  h i g h   p e r for m a n ce .   I n   t h i s  pa pe r ,   t he  pr opose d   p ha se   s h i f t   c on tr o l   i s  ba se d  o n   t ha t   for   a  de ter m ined  vo l t a g e  of  t he  D C  bus  a nd  c u r r e nt   m o d u l a tio n   in de x,   m a,   it  c a n   i njec t  c u r r e nt   i nt o  t h e  g r id   by  var y in g  t h e   phase  a ng l e   b e t wee n   t h e   i nvert e r   o u t put   vol t a g e   a nd  t h e  gr i d   v o l t a ge.   The   c o n t r o l   pa r a m e ter   i n   t hi s  c a se,   is  t h e   a ng le  phas e   δ   g ene r a ted  be t w e e n  o u t put  v ol t a ge  o f  t h e   in ver t e r   a n d   t h e   g r i d  vo lta ge .   The  u pda t i n g   o f   t he   c ur r e n t   v alu e   of   t he  p ha se   s h i ft   a c c o r d i n g   to   t he  l aw   o f  th e   im pl e m e n te d  c o n t r o l   i s   r e a liz e d .    I t  is  c le ar  t hat  t h e  m e th od   u se d   i s   t o   ave r ag e   t h e  erro r  b e t w ee n   t h e  re f e re n ce  c u r r e nt   a n d   t he   a c t ua l   me asur ed  v a l ue  i n  se ver a l  cyc l e s   o f   gr id   v o l t a ge,   so  t ha t   r e g u la t o r y   r e qui r e m e n t s  w i ll  en su re   s t a bi li ty   o f   th e   sy st em  [ 19 ],  [ 3 6 ] .  Di re ct   r e p resen t ati o n   o f   d if fe r e nt ials  e q u a t i on  an d  o p er a t ing   m ode s  of   L i n ea r   Reg u l at or   f or   t h i s  c a s e  ar e  show n  r e spec t i ve l y   i n  F i g ur e   7( a )   a nd  F i gur e  7( b) .             (a)       (b )    F i gur e. 7.   ( a).   D i r ect  r epr e sentat i on  o f   d i f fer e nt i a ls  e q u a t i o n  a nd  ( b ) .   O pera t i n g   m odes  Line ar   Reg ula t or       T h e  A/   D   c onv ert e r  n e ed ed   t o   i m p l ement   t h e  con t ro l l e r  mu st   h a v e   b etter  p e rfo rman ce  ( r e so lu tion )   w i t h  g r e a t e r  n u m b e r   o f  b i t s   ( n   +  1 ) .  T h i s   i s   d u e  a   g r e a t e r  n u m b e r   o f   l e v e ls   o f  q u a nt i f i cati o n   are   n eed ed.  T h e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N: 2 0 8 8 - 86 94  I n t   J Po w   Elec  &  Dr i  Sy st,  Vo l. 1 0 ,  No . 3 ,   S e p   2 019   :     1 5 6 4   –   1 574  1 570 vo l t age s   t hat  d e fi ne  t he  t o l e r anc e   b a nd  li m i t  the s e   le vels.   O n c e   t h e  e r r o r   signa l  e  [ n ]   is  o b t a i ne d,   t he  v a l ue  o f   pha se   s hi f t   δ   [ n ]   i s  ge ner a t e d  a ccor d i n g  to  F ig ur e  7.      01 2 1[ ] [ 1 ] [ 2 ] nn b e n b e n b e n      ( 4 )     To  a vo id  e xce s si ve  F P G A   r e sour ce   c o n sum p t i on,   f i x e d - p o i n t   f or m a t  is  u sed  in   t he  r o u n d i ng   o f  the   di ff er e n ce  e qua tio n  c o ef fic i e n ts  ( b 0 ,   b 1   a n d   b2)   w he n  i m pl e m e n t ing   th e   co mp e n sa tor  t r an sf e r   f un ct io n   i n   ha r d w a r e .   Mo r e ove r ,   i n  or d e r   to  i m p r o ve   t he  t r a ns ien t   r e s ponse   o f   t h e  c o n v e r t e r ,   t h e   t i m e  d e l a y  o f   t h e   a n al o g /d ig i t a l   ( A / D )   c onve r t er   s houl d  be  m in imize d .   Ther e f or e,   a  hig h - s pe e d   A /D   c onver t e r   i s  ne ede d .       6.   DIGIT A L  SP WM  I n   t his  w o r k ,   the   P W M   ge ne r a tor   is  b ase d   on  o n l y   one  c o u n t er   w i t c h  g u a r a nt e e   t he  s y n c hr onism   o f  a l l   si g n al s,   t he   a ddr ess  si g n a l ,   sy ncr o - s ig na l   a nd  the   c o n t r o l  s i gna l.   I n  F i gu r e   8 ,   i s   s how n  t h e  s i m u l a tio n   r e sults  o f  DPWM  s i g na ls  i m p lem e n t ed  i n   M ode lSim .  (Vg1,  V g2,   V g 3 ,   a n d   V g 4)   w hic h   r e p r e se nt  t he   P WM   si gna l for e ach  I GT  o f the   sin g le -p hase  i n v ert e r .           F i gur e   8.   D P W M  si gna ls       7.   D I G I TA L   P H A S E  S H I F T   I M P L EM EN T A T I ON   F i gur e  7  ( 4   s e c t i o n) ,   show s  t h e  c o n t r o l  a l g o r ithm   o f   t he   i n v e r t er   o utp u t  c u r r e nt  b a s e d   on  t h e  phas e   sh ift  o f   t he  i n v erter   out p u t  vo ltage .  The   p h a s e  sh ift   is  d esi g n e d   t o  pr o v i d e   f l e x i b il i t y   in  o r d er   t o  pr od uc e   e i t h e r   l ag g i n g ,   lead i ng  or   i n  p h ase ,   i n  or der   t o   a dj us t  t h e  po w er  f ac tor.  In it i a ll y   t h e   phas e   c o unt er  i s  l o a d e d   t o   th e   sh i f t   ph a s e   a ngle   val u e  e q ua l  z e r o   ( δ  =  0) .   The   co n t r o l  ha ve   t o  ma i n t a i n   t he  a de qua t e   s h i f t   p ha se  a n g l e   w hic h   a cco m p lis h   tha t   t he   i nve r t er   o ut p u t  c u r r ent  I out   e qu a l   t o  th e  referen c e I ref .   The   sign  of  t he   pha se   a ngle   depe n d s  o n   t he   pow er   f a c tor   c h ar a cter  (ind u c t i v e  or c apac it i v e) .   F r om   t he r esol ut ion w i t h  w h i ch the   m agn i tu de of   t h e o u t p u t cur r en t  I out   i s  r e pr e s ente d,  th e  r esol uti on ( n umbe r   of   b i t s)   o f   the  pha se  s hif t ,   I AD C   r esol u tio n  o f   t h e   a na lo g  d i gita l   A   /   D   conver t e r ,   expr e s sed  i n  c u r r e n t ,   w i l l   de pe n d   on  ma x i m u m   out p u t   c ur r e nt  I ma x  a n d   i n cremen t   c u rre n t   I q:   The   r e solu ti o n   o f  the   c o n v e r t e r   A / D   de pen d   on  the   m a gn i t u d e  of   t h e  curre nt t o stea dy     q I I ma x 2 AD C log N  ( 9 )     F r om   d e s ign   t o p o lo g y ,   t h e  s e lec t ed   a p p roa c h   h as   b ee n  t h e  regu la t i on   o f   t h e  ou tpu t   c urren t   o f  th e  in ver t e r  ( I out )  a s   a  fu n c tio n   of   t h e  δ of f set [2 ] - [ 4 ].     22 2 2 2 1 co s 2 in v r e d s inv r e d VV L I VV        ( 10)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J  P o w   Elec  &  D r i   S y st   I S S N :  2088- 86 94       Desi gn   an d  digi tal  i m pl e m ent a tio n  of  pow e r  co nt rol  st ra t e gy   f o r  g r i d   c onne c t ed   …  (L i n da  Ha ssai n e)  1 571 F r om   ( 9) ,   eac h  val u e  of   t he   a ng les    c an   b e  ca l c ul at ed   f o r   e ac h   out put   c u rren t   v alu e   o f  t h e   in v e r t e r  I out   c or r e spo n d i n g   t o  t h e   c u r r ent  of  t he   m a x imum   pow er   p oin t   o n  t h e   s id e   of  t he  p hot o v o l t a ic  s ys tem .   O nc e  the  ph ase  sh ift   a ngle     h as  b e e n  c a lc u l ate d ,   the  pha se  s h i ft  a n g l e  φ   betw ee n  t h e  i n ver te r  o u t pu t   cu rren t   a nd  the  gr i d   v o l t a g e   ( 1) ,   i s   d e t er m i ned,   w h i ch  a l l ow s  t o   d e t e r m i ne   an d  to  c on tr o l   t he  a c t i v e  p o w e r   a nd  r e a c ti ve   pow e r   i n j ec t e d   int o   t he  g r i d  b y   t he  i n v e r ter .   S i nc e the   ou t p ut   c ur r e n t   I out   i s  a  fu nc ti o n   o f   the   o u t pu t v o lt age   of   t he i n v e r ter  V inv   a n d   th e  ph ase   shi f t   ,   t hen  V in v   c a n   b e   e xpr esse d  as  a   f un c t ion  o f   t he   d u t y  cyc l e   ( d )   ( 10) .    dc V d inv V   ( 11)     The   pr inc i ple   ope r a ti o n   o f  t h is  c o n t r o l  str a t e gy,   b a s e d   on  t h e  P W M  co n t r o l  a nd  pha se  s hi f t ,   cons is ts   o f   s e n sing   t he  c u r r e n t   a nd   c a l cu l a ti ng  th e   phas e   s hif t .  Th e  ou t pu t  cu rren t   can   b e  re p r e s ent e d   by   a   s ing l e  PW M  swi t c hi ng   p a t t e r n   ( d   =   co n s t a nt ) a s   a   f un ct ion  o f   a   s i ngl e  st at e varia b le :   p h a s e sh i f t   an g l e δ betwee n t h e o u tp ut   vo l t age  o f   t he   i nver t er   V inv   a nd  t h e   v o lta ge  o f  the   gr i d   V gr i d .    ) ( f out I   ( 12)     Th is  i s  a   ve r y   i mpor ta nt   f u n c tio n  sinc e   i t   g r e atl y   s im p l i f i e s   t he   h a r dwar e  com p le x ity   b y  t r ansfe rrin g   the   p r evi o us  c alc u l a tio ns  t o  a  P C   o f  t h e   S P W M   s w itc h i n g   pa t t er n .  In   a   " l ook   u p  t a bl e "   w e  sto r e   ea ch   p h a se  shi f t   an gl e  v a lu e s   b y e   t h e i r   c o r re sp ond ing   cu rr e n t   ma gn it ud e  I ou t .   U s ing  as  a   d es ig n  pla t f o r m   a n  F P GA ,   the   pha se   s hi f t   a ng l e   c a n   b e   ge ne r a te d  ac c o r d i n g  to  t he   c l o c k   a n d   t he   g r i d  f r e q u e n c y   ( t s  co rre s p ondi ng  to   f s ).     N q 2 max   ( 13)     Ta k i n g   t he  m axim um  n um be r   of  p u l se s  cor r e s po ndi ng  to  t he  m aximu m  ph a s e  s h i f t   an gle  f o r  a n   I ou t   m a x,   t he  c ou nt er   o f  the   pha se   s h i f t   a ng le  c a n   b e  si z e d .         q N ma x 2 log      q N ma x 2   ( 14)     The   de si gn  of  t he   l oo k  up  tab l e  w ill   b e  de te r m ine d   by  the   m a xim um  a ng l e   o f  p h ase   s h i f t  ma x   an d   b y   the  r e so l u t i on  of  t he  o u t p u t   c ur r e nt   I out .   F i gur e . 9,   s how s  t h e  inve r t er   o u t pu t  c u r r e n t   I out   a s  a   func ti on  of   t he   pha se   a ng le   δ .   Th is  f igur e  r e pr esen ts  t he   o utp u t   c u r r ent  I out1   f or   a n  inv e r t er   o ut p u t   vol ta ge   V in v 1  =  3 4 2  V     (m a1  =  0. 91 0)   a nd   t he   o ut p u t   c ur r e nt  I ou t 2   fo r  V inv2   =   3 7 0   V   ( ma 2  =  0. 9 8 6 ) ,   e ns ur in g   a   p o w e r   f ac t o r   P F >   0.   9 9.   O n l y   t w o   p a t te r n s  a r e  ne ce ssa r y  to  c o v e r   r ange   f r o m   3. 5  A   to  3 3 .4   A ,  wh i l e  PF  re mai n s  al wa y s   h i g h e r  t h an  0. 99.   T he r e f o r e ,   t h e   n u mbe r   o f  D S P W M  pa tter n s  is  d e t e r mina t e   b y  t h e   m a ,   an d   t h e  min i mu m  aff o rd ab l e   P F  ( w i t h  r e spec t  t o   t he  q ua lit y  of   i njec te d  cur r ent) .           F i gur e   9.   I nve r t er   o u t p u t   c ur r e nt,   I out  vs  a n g l e   phase  δ   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N: 2 0 8 8 - 86 94  I n t   J Po w   Elec  &  Dr i  Sy st,  Vo l. 1 0 ,  No . 3 ,   S e p   2 019   :     1 5 6 4   –   1 574  1 572 I n   F ig ur e  9,   i t   is  p oss i b l e  t o   obs er v e   how   t he  c ur r e nt   I ou t   c han g e s   a s  a   f u nc t i o n   o f  the   pha se  s hi f t   .  A s  a  r e s u l t ,   t h e  o u t p u t  c u r r e n t  I out .   Discr e tized  i n  N 2   i nter va ls  a s  a  fu nc ti on  o f   t he   p ha se  s h i f t    r e p r e s e n t e d   by  a  f i nite  n umbe r   N CD   b it s  f o r   eac h  value s   o f  t h e   cur r en t  of   t he  s ystem .   The   co nd i t i on  of  t he   l imite d  dut y  cyc l e  t o   b e  hap p e n e d :  q N ma x 2 log   ( 15)   The n :   N   = N AD C   +1   ( 16)     qA DC q I I   ( 17)     I t   m e a ns  t ha t   the   r e solut i on  e xpr esse d  in  c ur r e nt  m ust   be  g r e a t e r   t ha n  tha t   o f   t h e  A   /  D  conve r t e r .   The   F P GA   u sed  i n   t hi s  w o r k   i s  X i l i n x   S PA RTA N - 3  X C 3S 20 0  F P G A   fa m i l y   bo ard   pr o c e s so r.   T o  im pl e m e n t  t h e   pr op ose d   c on tr o l   s tr a t eg y,   X C 3 S 2 00  pr o c essor   is  u se d  as  a   P WM  g e n er a t or   t o  b u i l d   t he   a ppr opr ia te  g a t i n g  s i gna l s   t o   t h e  in v e r t er   s w itc he s.   F ig ur e   1 0 ,   s ho ws  t h e   s i m ul a t i o n  resu l t s   o f  th e   c o nt rol  St r a t e g y  “ P h as e   s h i f t   a n g l e - DPW M ”;  t h e   D PW M   s i g n al s ,  t h e   a n g l e  p h ase  a nd  the   DZC.      .      F i gure  10. Propos ed  h igh- resolut i on  c ontrol  s t r ategy  base d on  F P G A  r e sour c e s      The   pr o p o se d  D i g ita l  P u l s e  Wi dth  M o d u l a t or   ( D P WM)   takes  a d va nta ge   o f  th e   ca p a bil i t y   of  FPGA   to   s h i ft   t he   p h a se   o f  t h e   c l oc k  in  s m a ll   i ncr e me nts.   A   S pa r t an- 3E  d e v ice   fr om  X i l i n x  ha s  be e n   u se d  i n   t h e   e xper i m e nta l   r e s u l ts.   T h e  so l u t i on  ha s  bee n   i mplem e nte d   by  m ean s  o f   a   c ou n t er  b ase d   D P W M  a r chi t e c t ur e  a nd  a  s p ec if ic  b l o c k   a va i l a b le   i n  the   F P G A   [ 3 7 ] .   T he   t i m e  pe r i o d  of  t he   s ys tem   cloc k  is  s lice d   by  m e a n s  o f   the  pr oper   pha se   s hi ft ing  o f   t he  c loc k   s ig na l.   T his  sol u tio n  pr o v ide s   a   l ow er   e qui vale n t   F P G A   cloc k  per i o d .         8.     EX PERIMEN T AL   RESULT S   F i gur e  11  s h ow s  a   pr ot o t y p e   o f  s i ng le- p h a se  i nver t e r   w ith  t he  d i g it a l   c o n t r ol   “ Ph as e  sh i f t   angl e- D S P W M”  i m p l e me nt ed  i n  a   F P G A   plat f o r m  ( S p a r tan- 3  of  X il in x)   r ea liz e d  and  te st e d    V gr i d   = 2 30  V ,   a nd  co u p l i n g  i n du c t a n ce   L = 2 0   mH .          F i gur e  1 1 .   S i ngl e - phase  i n v er ter   pr ot ot y p e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J  P o w   Elec  &  D r i   S y st   I S S N :  2088- 86 94       Desi gn   an d  digi tal  i m pl e m ent a tio n  of  pow e r  co nt rol  st ra t e gy   f o r  g r i d   c onne c t ed   …  (L i n da  Ha ssai n e)  1 573 F i g u r e   12(a )   s hows  the  P W M  Pa tte rn,  the   in verte r   o u t p u t  c u r r ent  I ou t   a nd  i nver t e r   o ut p u t   v o l t a g e   V inv .  F i gur e  12 ( b )   show s  the  I nver t er   out p u t  cur r ent  a nd  gr i d   v o l ta g e  a n d  PW M   P a t t e rn s .         (a)     (b )     F i gur e   1 2 .   ( a ) .   P W M   P a tt e r n,   i nve r t er   o u t put   c ur r e nt  a nd  i nve r t er   o u t p u t  v o lta ge ,   ( b ).  I nv e r ter   outpu t  c u r r e nt   and  gr id  v o l t a g e .    Th e  ex pe r i men t a l   r e s u l t s   s ho w  t h e  v i a b il it y  of   t h e   SPWM   me t hod   pr o pose d   a nd   v a lida t e   th e   the o r i c a l   p r e d i cti o ns.   The  c u r r e nt  t o t a l   h a r m oni c   d i s t or ti on  ( T H D )   i s  3 . 5%,   w h i c h  i s   b el ow   t he  s u g g es ted   va lue   b y   S tand ar d  I EEE  S t d  929- 200 0.       9.   CONCLUSION  The  p a per   ha s  foc u se d  o n   t he   d e t a i l e d  imp l e m entat i o n  o f   t he  p ow e r   c on tr ol  s tr ate g y  o f   P V   inver t e r   c o n n ec ted   t o   t he  g r i d.   T he  p r opose d   s t r a t e g y   base d  o n   a   “ P h ase   shift  a n g l e – DSP W M”  p a t t e rn   i s   able   t o   c o n t r o l   bo t h   t h e   a ct ive  a n d  r e a c ti ve  p ow er   a nd  r e duce   b o t h   har d w a r e   a n d   s of tw ar e  r e qu ir ed  r e s our ce s  usin g   F P GA  de si g n   p la t f orm .   D i g i t a l  imp l em en ta t i o n   o f  th e   ma i n   c o n t r o l   b l oc ks,   w h ic h  a r e   t h e  A / D   c o nver t er ,   the  c o mpe n sa t o r   P I ,   the  phase  shi ft  an d  t he   D P W M,  has be e n   p r o vide d .   H o w e ve r ,  the  p r o p o se d  c ontr o l a l g o r i t h m   pr ovi de  f lex i bili t y   t o  a d j u s t   t he  pow e r   f a c t o r   a n d  r e gu la t e   t he   r ea c t i v e  powe r .  Th is  d i g ita l  p o we r  c ontr o l   str a t e gy   h a s   b e e n  imple m e n t e d  in  F P G A   pla t f o r m   a nd  va l i date d  w i t h   e xp er i m enta l   r e su lts.   The   e x per i m e nta l   r e sults  s how   t he  v ia b i l ity  o f   t h e   S P WM   m e t hod  pr o p o s ed,   th e  si m p l i c it y  o f   t he  d i g ita l  i m p l em e n ta t i o n ,  r e duc ti o n   o f  th e   m e m o r y   r equir e me nt s  an d  p o w e r   c a lcula t io n  f o r   t h e   p r o pose d  con t r ol .   Th is  t e c h n i qu e  is  s im ple   and  a d ap te d  t o   F P G A   plat fo r m ,   i t   i s  a t tr acti v e  f o r  low   powe r   g r i d   co nn e c t e d  appl i c a t i o ns  a n d   all o ws  t o   c ont ro l  t h e   a c tiv e  a nd  rea c t i v e   p o w e r   in jec t e d   i n t o  the  gr i d .   Mor e over ,   r obust n ess   o f   t he   p r opose d   c o n t r ol   a l l o w s   d e s ign i ng  a   low   c o s t   an d  s i m p l e   i nve r t er   w it h   a   r e duc e d   a m o u n t   o f  c o mpo n e n t s ,   based  o n   a   f ul l  br id ge   t op o l og y  tha t   c a n   b e  imp l em e n t e d  w i t h  m i n i m u m  c o m p u t a t i o n a l   r e sour ce s.       REFERE NC E S   [1]   M .   C al ais,   J .  My rz i k ,   an d  T .   S po oner,   ‘Invert ers  f o r  Singl e -pha se  G ri d  Co nnect ed  P ho to vo lt aic  S y s t em s  -  A n   O v ervi ew’, in  P r oc. IE EE,  PESC ’ 02 ,   vol.  2  p p .   1 9 95– 20 00 ,   2 0 02  [2]   S. B.  K j aer,  J.  K .   P ed ersen , an d   F .   B laabjerg,  ‘A Re v iew  of  S in g l e-P h ase G r id -Co n n ected Inv erter s  fo r  P hoto v o l t a ic  M o dul es’,   IEEE T r ans actio ns  on  Ind u s t r y   Ap p l i c a t io n s ,   vo l .  4 1 , no .   5 ,   20 05 .   [3]   L .   H as sa i n e,  E .  Olías ,   J .  Qui n t e ro,  an d  V .   S alas ,  ‘Ov e rview   of   P o we r  In ve rte r   T op olog ie s  a n d  Co ntro l  S t ruc t ure s   f o r  Grid   c on nected   P ho to voltai c   S yst e m s ’,   R e newa ble &  S u stai n a bl e  Ener gy  R eviews ,   v o l .   30,   p p .   7 96 –80 7,   F eb .  20 14 .  [4]   Y .   Y ang   an d  F.  b l aabjerg ,  ‘Ov e rv iew   of   s in g l e-phas e   g rid   co nn ec ted  p hot ovol ta i c   s yst e ms’,  Electric Po wer  Co mpo n en ts  System s ,  v o l .   4 3,  n o .   1 2 ,   p p.  135 2– 1 3 63 ,   J ul.   20 15.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.