Modelling and control of a three-port converter grid-connected PV system for BESS applications

This thesis presents the modeling, design, and control of a grid-connected photovoltaic (PV) system integrated with a battery energy storage system (BESS). The system is designed to supply a 15-kW load at a stable 400 V DC bus while ensuring reliable operation under varying solar conditions and load fluctuations. To improve efficiency and reduce system complexity, a tri-port converter is introduced, replacing the traditional two-stage configuration with a single converter connecting the PV array, battery, and load. Multiple control strategies are developed to enhance system performance. A variable-step Perturb and Observe (P&O) maximum power point tracking (MPPT) algorithm is implemented to ensure optimal solar energy extraction. A hierarchical energy management scheme is proposed to maintain DC bus voltage stability and protect battery state of charge (SOC) within safe operating limits. Furthermore, an LCL filter and quasi-proportional resonant (Q-PR) control are applied to the inverter to synchronize grid current and minimize harmonic distortion. Simulation results show that the system operates effectively under a range of conditions. The work provides valuable insights into the design of compact and intelligent PV-BESS systems, contributing to the future development of sustainable energy technologies.

Questa tesi presenta la modellazione, la progettazione e il controllo di un sistema fotovoltaico (PV) connesso alla rete, integrato con un sistema di accumulo a batteria (BESS). Il sistema è progettato per alimentare un carico di 15 kW con un bus in corrente continua stabile a 400 V, garantendo un funzionamento affidabile in condizioni variabili di irraggiamento solare e fluttuazioni del carico. Per migliorare l'efficienza e ridurre la complessità del sistema, viene introdotto un convertitore tri-porta che sostituisce la configurazione tradizionale a due stadi con un singolo convertitore in grado di collegare il generatore PV, la batteria e il carico. Sono state sviluppate diverse strategie di controllo per migliorare le prestazioni del sistema. È stato implementato un algoritmo MPPT (Maximum Power Point Tracking) basato sull’osservazione e la perturbazione (P&O) a passo variabile, per garantire l’estrazione ottimale dell’energia solare. È stato inoltre proposto uno schema di gestione energetica gerarchica per mantenere stabile la tensione del bus DC e proteggere lo stato di carica (SOC) della batteria entro limiti di sicurezza. Infine, un filtro LCL e un controllo quasi risonante proporzionale (Q-PR) sono stati applicati all'inverter per sincronizzare la corrente di rete e ridurre la distorsione armonica. I risultati delle simulazioni dimostrano che il sistema funziona in modo efficace in un'ampia gamma di condizioni operative. Questo lavoro fornisce spunti utili per la progettazione di sistemi PV-BESS compatti e intelligenti, contribuendo allo sviluppo futuro di tecnologie energetiche sostenibili.