Internati o nal  Journal of Ele c trical   and Computer  Engineering  (IJE CE)  V o l.  6, N o . 1 ,  Febr u a r y   201 6,  pp . 26 ~33  I S SN : 208 8-8 7 0 8 D O I :  10.115 91 /ij ece.v6 i 1.8 632          26     Jo urn a l  h o me pa ge : h ttp ://iaesjo u r na l.com/ o n lin e/ind e x.ph p / IJECE  Control of Power and Voltag e of  Solar Gri d  Connected       Boucetta Abd Allah * L a be d   Djamel **  Department o f  Electrical Engin e ering,  Univ ersity   of Constantine 1 ,  Alger i     Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received  J u l 21, 2015  Rev i sed  O c t 26 , 20 15  Accepted Nov 10, 2015      Renewable energ y  is high o n  intern ational agendas. Curr ently ,  gr id- connected photo voltaic s y stems are a  popular technolog y   to co nvert solar  energ y  in to e l e c t rici t y .  Control  of power inj ect ed into  the  grid , m a xim u m   power point, high efficiency and lo w total  harmonic distor tion of the  currents in jected  into th e grid  ar e th requir e ments for inver t er  connection   into the grid. Co nsequently the perform ance of th e invert ers  connect ed to the   grid  depends largely   on the control  st rateg y  applied.  In this   paper the  simulation and  design of grid  connect ed thr e e phase photovoltaic s y stem   using Matlab/S i mulink has examined . Th proposed s y stem consists  photovoltaic panels, boost and  inverter   the PV sy stem convert the su n   irradiation  into   direct cur r ent,  thereaf ter  we h a ve used  a boost to  track  th maximum powe r  point of th e P V  s y stem,  three- phase inv e rter and LC ou tput  filte r. A VOC c ontrol strat e g y   based  on the phase shifting of the invert e r   output voltag e  with respect to the grid  voltage. Th e proposed contr o l strateg y   requires f e w har d ware and  comp utation a resources. As a result,  the inv e rter  im plem entat i on  is sim p le,  and  it be com e s an  attr act ive solu ti on for low   power grid  conn ect ed  appli cat ion s Keyword:  Gri d -c on nect e d   Matlab / Si m u li n k   M a xi m u m  pow er  poi nt   Pho t ov o ltaic  VOC   Copyright ©  201 6 Institut e  o f   Ad vanced  Engin eer ing and S c i e nce.  All rights re se rve d Co rresp ond i ng  Autho r Bo u cetta Abd  Allah ,    Depa rt m e nt  of  El ect ri cal  Engi neeri n g ,   Uni v e r si t y  of  C o nst a nt i n 1,   Ro ad el Bey, C o n s tan tin e, 2500 0,  A l g e r i a.  Em ail: boucetta_abdallah@yahoo.c o m       1.   INTRODUCTION   In rece nt years ,  the use of re newable ene r gy resour ces in  Alg e ria in stead   of p o llu tan t  fo ssil fu els h a in creased Photo v o ltaic g e n e ratio n is  b e comin g  in creasing l y i m p o r tan t   as th e m o st im p o r tan t  po ten tial in   A l g e r i a  is  th e so la r  en e r g y   [ 1 -5 ].  (Ho w ev er  th e  co s t  is  th mo s t  is s u e )   The m o st  i m port a nt   of t h e M e di t e rra nea n   bas i n:   •  Th 16 9.440  TW h / year   5, 00 0 t i m es t h e Al ge ri an  el ect ri ci t y  cons um pt i on.     60  t i m e s t h e co nsum pt i o n  o f  t h e E u r o pe   (estimated at 3,000 T W h / year)  [6].  As a rene wa bl e reso urce a n d  si nce i t  don ’t  causes f u el  cons um pt i on, m a i n t e nan ce, p o l l u t i on, a n d   e m itting noise  com p ared with  other alternati v es use d   i n   p o wer app lication s   [7 ]. Man y  co un tries are tryin g  t o   increase the  pe netration of re newa ble ene r gy. The US  plans to reac h 20% of electricity de m a nd wit h  solar  tech no log i es by  2 030  [ 8 ].   A l g e r i also  pro m ised   to   ach i e v e  4 0 % p o w e r  g e n e r a tio fro m   r e n e w a b l e en erg y  b y   2030  [ 9 ].  The  pri n ci pal  com pone nt  f o r c o nnect i n g  rene wa bl e ener gy  so u r ces  t o  t h gri d   i s  t h e p o we r   electronics i n terface. T h is inte rface  has t w main functions : conversion  of direct c u rrent  powe r to alternative  cur r ent   p o we fo r t h e  g r i d  co nnect i o n a n d e x t r act i n g t h e  m a xi m u m  powe r  fr om  t h e PV   m odul es.   Wh en  con n ect ed  to a  p o wer  n e two r k ,  t h e PV system m u st  mee t  strin g e n t   p o wer qu ality   requ irem en ts set b y  th e u tility  in clu d i ng  low  to tal h a rm o n i d i sto r tion   (THD) and  fast  d y n a m i c resp on se [10 ] In th is  reg a rd we  h a v e  stud ied  an d sim u late d  a  grid -c onne c ted power sys t e m . The syste m   is com posed of PV  arrays, DC/DC  bo o s t ,  a t h ree l e v e l inv e rt er, a LC filter and  a th ree ph ase  grid Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  IJEC E V o l .  6, No . 1, Feb r uar y   20 1 6   :    2 6  – 33   27 2.   POWER S Y S TEM DE SCRIPTION  Because of the  photovoltaic array c onvert s o lar irradiation into dc  c u rre n t. The dc/ d c boost aim  to   t r ack m a xi m u m  power   poi nt  o f  t h e P V  sy st em . The t h ree - l e vel  i n ve rt er  i s  co nt r o l l e b y   hy st eresi s   curre n t   co n t ro l and  LC filter is inserted  t o  elim in a t e th h a rm o n i cs con t ain e d  i n  bo th th e curren t  and vo ltag e   o f  th i nve rt er out p u t .           Fi gu re  1.  Di a g r a m  of  gri d -c o n n ect ed  p hot o v o l t a i c  sy st em  wit h  t h ree-l e vel  i nve rt er       3.   MO DUL ATI O N     3. 1.   Photovoltaic Generator Model  Th b a sic un it o f  a PV system is th e so lar cell.  The cu rre nt  an d p o w er  pr o duces  by  a n  i n di vi d u al   so lar cell typ i cally b e tween   1 an d 2   [1 ].  Th e eq u i v a len t   circu it is shown  i n  Fi g u re  2. It is con s titu t e d  of a  l i ght  ge nerat e d  curre nt  so ur ce , a seri es resi st ance, an d a pa r a l l e l  di ode [2] .  The gr o u p e of P h ot o vol t a i c  cel l s   pr o duct  a  ph ot ov ol t a i c  m odu l e s, w h i c h a r e  com b i n ed i n   paral l e l  an d se ri es t o   pr ovi de  t h e desi red  o u t p ut   po we r.   Whe n  t h e number  of cells in  series is Ns , a nd t h n u m b e r o f  cells in  p a rallel is Np , th e relatio n s h i bet w ee n t h e  o u t put  c u r r ent   an vol t a ge  i s   gi v e by :         Fig u re  2 .  Circuit o f  a so lar cel     0 .. ex p 1 sP V s P V PV P sh VR I V R I II I AR             ( 1 )      . .  (2 )     I pv :  i s  t h ph ot ocu rre nt  i n  ( A ) .   I 0 : th d i od e satu ration  cu rrent (A).  K: th e B o ltzm a n n  con s tan t   23 1 1. 38 10 JK   .  q: the electronic cha r ge   19 1. 6 0 2 1 0 C           T: the cell temperat ure  (K),  n :  th d i od e ideality facto r     Sh   R S   V DC   p   PV   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8     C ont r o l  of   Po w e r a n d  V o l t a ge  of  S o l a Gri d  C o n n ect ed   ( B oucet t a  A b d  al l ah)   28     Fi gu re  3.  Si m u l i nk m odul e  o f   PV  pa nel  i n  M a t l a b/ Sim u l i n k       3. 2.   Mo del  o f  the Boos t DC - D C  Co nver ter   Th e DC/ DC  co nv erter is u s ed  to  track  m a x i m u m  power  poi nt of the  PV syste m . There are two  hardware t o pol ogies for MPPT,  one -stage  a n d two-sta g e PV system s. Because it  offers  an a dditional  degree  of  free dom  i n  t h e o p erat i on  o f  t h e sy st em we ha ve se lected the two-stage PV ene r g y   co nv er sion  syste m . To   red u ce hi gh f r e que ncy  ha rm oni cs we ha ve con n ect ed a cap aci t o r bet w ee PV ar ray  and t h e b oost  ci rc ui t .  The   co nfigu r ation   o f  th bo o s t ci rcu it and  its con t ro l syste m  ar e illu strated  in fig u re 4. DC -DC con v e rters b o o s step -u p th PV  v o ltag e  to  t h e lev e o f  th e allo wab l e m a x i m u m  l i n e  voltag e  and  to  t h e stab le requ ired   DC   lev e l withou t sto r ag e elem en t s         Fi gu re 4.   Si m u l i nk m odul e  o f   bo ost  i n  M a t l a b/ Si m u l i nk      3. 3.   The Inverter   The  DC  powe r from  the PV s y ste m  is conve r ted t o   A C   p o w e r b y  th e  in v e r t e r  th a t  w e   h a v e  in s e r t ed   to the gri d . T h m odel for a three-phase inverter  gri d -conn ected  is presen ted  in  Fi g u re 1  wh ich  shows th e   powe r circuit  of a three - phas e inve rt er grid-connected, wit h  IGBT s w itche s [3]. T o  eliminate the ha rmonics  co n t ain e d  i n   bo th  curren t  and vo ltag e   o f  th in v e rter  o u t pu t, an LC  filter is in serted  after th d c -ac inv e rter i n   or der .           Fi gu re  5.  Sc he m a t i c  di agram   of  g r i d -co n n ect ed t h ree-l e vel  i nve rt er   2 C onn2 1 C onn1 T S U out I pv  panel v + - VM 1 25 T e m per at ur e R1 In s o l a ti o n C1 s - +    i 3   I 2 2 i 1   K 1   K * 1   K 2   K * 2   K 3   K * 3   V dc   Gr id Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  IJEC E V o l .  6, No . 1, Feb r uar y   20 1 6   :    2 6  – 33   29 Am ong t h e si x  swi t c hes use d   i n  t h e t o p o l o gy  of Fi g u r e  1, t h ree of t h em  are cont r o l l e d i n d e pen d e n t l y   wh ereas t h e con t ro l of th e rest  is in terd ep enden t  [3 ].  Th e i n tern ation a l stand a r d s su ch as  I EEE15 47 , EN 610 00- 3- 2 and I E C 6 1 727   p r esen t t h e stan d a rd d e fi n e d   b y  th e g r i d  au t h orities. Acco rd ing  t o  th ese stan d a rd s,  g r i d  in teractiv e in v e rter mu st op erate at  u n ity  harm oni c com p o n e n t s  of t h e i nvert er a n d  po wer fact or,  and t h e o u t p ut  cur r ent  an d / or t o t a l  harm oni c s   d i sto r tion   of this cu rren t (THD%) m u st b e  limited  [4 ].      4.   CONTROL SYSTEM    4. 1.   MPPT   The  out put   v o l t a ge t h at  c o r r e s po n d s t o  t h m a xim u m  out put   p o we of t h e P V  a rray   v a ri es wi t h  t h e   voltage ac ross  the array, t h e irra diance a nd  cell te m p erat u r e. MPP track i ng  is th technique t h at adjust s the   out put   vol t a ge  of t h PV a r r a y  i n  or der t o  ext r act  t h e m a xi m u m  avai l a bl e p o we r at   any  cha nge i n  sol a r   irradiation or cells te m p erature .  The r e are  a num ber  of  diffe re nt approaches for MPPT. They are the ope ci rcui t  v o l t a ge  m e t hod , c o nst a nt  v o l t a ge  m e t h o d sh ort  ci r c ui t  m e t hod,  p e rt ur b a n o b s e rve  m e t hod a n d  t h e   in crem en tal co n d u c tan c e m e t h od   [5 ].    4. 2.   Inver t er Control  Fig u re 5  p r esen ted   t h e d i agram   o f   th inv e rt er  co n t ro l. Th ob j ective o f   t h con t ro is  to  regu late  th in pu t power to   th e grid.          Fi gu re 6.   The  bl oc k di ag ram   of   V O C  wi t h  d ecou p l i n a n d feed   f o r w ar d       . .     : dr e f d q r e f qr e f q d r e f IV V P A IV V Q           5.   SIMULATION RESULTS      Tabl e 1. Param e t e rs  o f   t h e gri d -c o nnect e d   i n vert er   Para m e ter Sy m bol   Value  Unit  Gr id voltage  Vn  400   Gr id fr equency  f   50   Hz  Filter inductance   18   m H   Filter c a pacitor  640  m F       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8     C ont r o l  of   Po w e r a n d  V o l t a ge  of  S o l a Gri d  C o n n ect ed   ( B oucet t a  A b d  al l ah)   30 The M a t l a b/ Si m u li nk h a s be en u s ed  fo r si m u l a t i ng t h p r o p o sed c o nt r o l  schem e . The sim u l a t i on  t i m e  was set  f o 2. 2 sec o n d s .   At  t h be gi n n i n g  o f  si m u l a t i ons, t e m p erat u r e an d s o l a r i rra di at i on  are  su p pos ed  eq u a l to  th ei r stan d a rd   v a lu es (25 o C  an d10 00W /m 2 ) . Figure 7  sho w s t h at fro m  in itial  c o nd itio ns, th o u t p u t   po we r, v o l t a ge , cur r e n t  of  PV  array  an d i rra di at i on.  Fi g u re  8 sh o w s t h e c u r r ent ,   v o l t a ge  and  p o we r i n je ct ed t o   th e grid. Th Si m u latio n  resu lts of t h e inverter  o u t pu t Vo ltag e  after  filterin g  wh ich giv e  a t o tal h a rm o n i d i sto r tion  (THD) 4 %   after filterin g  b y   th e LC filter, Th is percen tag e   is with in   th li m its  o f  4 %  sp eci fied  b y   the IEC. The freque ncy can be calculated yielding the va lu e 5 0 .20  (Hz). Th is v a l u e is with in  th e limits  o f   50±1 s p ecified by the  IEC .     Fig u res  9  and   1 0  illu strate a  si m u latio n  of a step  ch ang e  in so lar irrad i ati o n   0   kW /m 2  to 1  kW/m 2  at   ti m e  t = 0 . 5 s. i t  is clearly shown th at th e power,  v o l t a ge  an d c u r r ent   o f  t h e  ne w M P P  are   rapi dl y  reac he d.   The p r op ose d   si ngl e st age ,  t h ree- pha se t h ree - l e vel  g r i d  co n n ect ed i n vert e r  i s   m odel e d an d si m u l a t e d   with  MATLAB/Si m u lin k .         (A )     (B)       (C)     (D )     Fi gu re  7.  I rra di at i on P V   o u t p u t , cu rre nt vol t a ge a n d  p o w er       (A )   (B)   0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 99 9 9 99. 5 100 0 10 00. 5 100 1 t(s ) I r r adi at i on ( K W / m 2 )   0 0.5 1 1.5 2 2. 5 -0 .5 0 0.5 1 1.5 t( s ) Ib o o s t  ( A ) 0 0. 5 1 1.5 2 2. 5 0 50 10 0 15 0 20 0 25 0 30 0 t( s ) V boo s t ( V ) 0 0. 5 1 1.5 2 2. 5 -5 0 0 50 10 0 15 0 20 0 25 0 t( s ) P( W ) 2 2.02 2.0 4 2. 06 2. 08 2.1 -1 0 -5 0 5 10 t( s ) I( A ) 2 2. 02 2.04 2.06 2.08 2.1 - 500 0 500 t(s ) U( V ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  IJEC E V o l .  6, No . 1, Feb r uar y   20 1 6   :    2 6  – 33   31   (C)     Fi gu re  8.  C u re nt vol t a ge  a n d  p o we r i n ject e d  t o  g r i d         (A )     (B)       (C)     (D )     Fi gu re  9.  P V   o u t p ut beha vi o r  t o war d s  st ep  chan ge i n  s o l a r  i rra di at i o n .  I r r a di at i on,  c u r r e n t ,   vol t a ge  a n d   po we r         (A )     (B)   0 0.5 1 1. 5 2 2.5 0 2000 4000 6000 8000 1 0000 1 2000 t(s ) P&Q ( W )     Q P 0 0. 5 1 1. 5 2 2.5 0 200 400 600 800 1 000 t(s ) I r r a d i at i on ( W / m 2) 0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 -0 .5 0 0. 5 1 1. 5 t(s ) I boo s t ( A ) 0 0.5 1 1. 5 2 2. 5 0 50 100 150 200 250 300 t(s ) V boo st  ( V ) 0 0. 5 1 1. 5 2 2.5 -5 0 0 50 10 0 15 0 20 0 25 0 t(s ) P ( W ) 2 2. 02 2. 0 4 2. 06 2. 08 2. 1 -1 0 -5 0 5 10 t(s ) I( A ) 2 2. 02 2.0 4 2. 0 6 2. 0 8 2. 1 -50 0 0 50 0 t( s ) U( V ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN 208 8-8 7 0 8     C ont r o l  of   Po w e r a n d  V o l t a ge  of  S o l a Gri d  C o n n ect ed   ( B oucet t a  A b d  al l ah)   32     (C)     Fig u r e   10 . C u rr en t, vo ltag e  an d pow er inj e cted  to   grid  after ch ang e  i n  so lar irrad i ation      6.   CO NCL USI O NS   To c o nnect a  photovoltaic syste m   to grid, couple  parameters ha ve  to  be taki ng i n to account: the   m a xim u m  pow er ge nerat i o n,  cont rol  o f  p o w er i n ject e d  i n t o  t h e gri d , hi gh  effi ci ency , a n d  l o w t o t a l  har m oni c   di st ort i o n o f  t h e cu rre nt s. I n  t h i s  paper ,  t h e cont r o l   for th ree-lev e l grid-conn ected  pho tov o ltaic in v e rter h a b een d e m o n s trated  and  sim u lated .  Th rou g h   si m u latio n ,  it is ob serv ed  th at  th e system  co m p le tes th e m a x i m u m   po we r poi nt   t r a c ki n g t h e fre q u ency  o f  vol t a ge  a n d   cu rren t   is with in th e li mits sp ecified   b y  th IEC.      REFERE NC ES   [1]   Miro Zeman ,  Ph otovoltaic S y stems,  Delft Univ er sity  of  Technolo g y [2]   Djaafer  L a li li  , Adel Mellit 1 ,   Nabil  Lourci, B oubeker Med j ah ed , Ch aban e Bo ubakir, State f e edback  control and   variab le step size MPPT algorithm of thr ee- lev e l grid- c onnected  photovoltaic inverter Solar Energy,  98 , (201 3),  561–571.  [3]   Mahdi Oloumi  Bay g i, Reza Gh azi, Mohammad  Monfared, Apply i ng the min- projection strateg y  to improve the  trans i en t P e rfor m ance of  the  thr ee-phas e  grid- c o nnect ed inv e rt er,   ISA Transaction s , 53, (2014), 11 31–1142.  [4]   Necm i Altin , Sa ban Ozdem i r,  T h ree-phase  thr e e - leve l grid  int e r act ive  invert er  with fuz z y  log i c  based m a xim u power point tr acking con t roller,  Energy Con version and Manag ement , 69 , (2 013) , 17–26 [5]   K.M. Tsang a,  W.L. Chan a,  X. Ta ng b, PLL-less single stage grid-conn ect ed photovoltaic inverter with rapid   maximum power  point tracking Solar Energy , 97 , (2013) , 285–29 2.  [6]   Guide to Renew a ble En erg y ’ Republic of Algeri a People' Dem o crat ic Ministr y  o f  Energ y   and Mines, 2007 Editio Director ate  New  and R e newab l e   Energi es .   [7]   A. Ravi a, P.S.  Manoharan b, , J. Vijay  Anand  b , Modeling an d simulati on of three phase multilevel inverter fo grid conn ected p hot ovolta ic  s y st e m s,  Solar Energ y , 85 , (2011 ), 28 11–2818.  [8]   Brinkman, G.,  Denholm, P., Drur y ,  E. , Margolis, R., Mowers, M, Experime n t al assessment of the wavefor m   distortion  in gr id-connected  pho tovoltaic inst allations, 2011 To ward a solar-po w ered grid I E E E  Pow e r Energ y   Mag . 9  (3), 24–3 2. Chicco , G., Sc hlabbach, J., Spertino, F, 2009 . S o lar  Energ y   83 ( 7 ), 1026–1039 [9]   Radioalg erie.d z/.../files/En ergi es%20Renouvelab l e%20M.%20Rebbah.pdf   [10]   Yihua Hu a, Wenping Cao b, * ,   Bing Ji  c, Jikai  Si d, Xiangping  Chen, New  multi-stage DC/DC converters for grid- connected  photo voltaic s y stems,  Re newable  Ener g y  74 (2015)  24 7e254.      BIOGRAP HI ES OF  AUTH ORS       Boucetta Abd Allah: Received graduation o f  licens e  in El ectr i ca l Engin e ering from  the   University  of Hadje Lakhd er, B a tna, Alger i a, in  2 009. the M.S. d e gree in  Electrical Engineering  from the Univer sity  of Had j Lakhder, Batna, Alge ria, in 2011 , and the associate  Ph.D. degree in  Ele c tri cal  Eng i n eering  from  the   Universit y  of  Mentouri, Constan tine, Alg e ria 201 1     0 0.5 1 1. 5 2 2. 5 0 200 0 400 0 600 0 800 0 1 000 0 1 200 0 t( s ) P&Q  ( W )     Q P Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -87 08  IJEC E V o l .  6, No . 1, Feb r uar y   20 1 6   :    2 6  – 33   33   Labed Djam e l:  is a lec t urer in  the Departm e n t   of Ele c tri cal  of Constantine  Universit y , He   rece ived  ingen e rat e  in  El ec tric all  from  Universit y  of  Annaba , a  Master  in E l e c t r ica l  Rese arc h   Network from  the Ecole Poly technique of M ontreal,  CANADA,  and a PhD in Electrical  Engineering fro m the University  Mentouri Con s ta ntine .  Te am  leader l a borat or y "LGEC". Hi research  activities focus on: Dispersed Gene r a tion; Power flo w  method for DC networks  integr ated  into   AC; Anal ysis of  differ e nt  t y pe of problem quality  of electric p o wer caused b y   renewabl energ y  s our ces ; V a rio u s  techn i que s fo r optim iz ing th optimal power  flow.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.