Power quality enhancement in grid-connected systems using dynamic voltage restorer with switched inductor cascade boost converter

Abstract

The main objectives of the study are to improve power quality (PQ) in grid-connected systems and mitigate voltage disturbances by using a dynamic voltage restorer (DVR) powered by a Photovoltaic (PV) system. By integrating PV as the primary power input, the DVR supplies clean energy for voltage restoration, thereby enhancing system efficiency and reliability. This approach provides transition to sustainable energy practices by minimizing the dependency on traditional power grid during disturbances. These objectives were achieved by integrating a Switched Inductor Cascaded Boost Converter (SICBC) for efficient voltage boosting and employing a Pine Cone Optimized Proportional-Integral (PCO-PI) controller for precise output regulation. The SICBC provides provide high and stable voltage gainwith improved conversion efficiency, essential for maintaining DVR performance at PV power fluctuations. The cascaded configuration mitigates stress on passive elements, contributing towards better thermal management and longer system life. By adopting the Pine Cone Optimization algorithm, the controller's parameters are fine-tuned to achieve optimal performance in terms of settling time, steady-state error and overshoot. The algorithm mimics the natural seed dispersal behavior of pine trees to explore and exploit the control parameter space effectively. The most important results are a recorded efficiency of 97.9% and a reduction in Total Harmonic Distortion (THD) to 2.56%, as demonstrated through MATLAB/Simulink-based simulations.Furthermore, the system demonstrated robust voltage compensation during both symmetric and asymmetric fault conditions. The obtained result revealsthe proposed DVR-PV strategy substantially improves power stabilityand quality, reinforcing the practical viability of renewable-integrated compensators in modern electric grids.

Principalele obiective ale studiului sunt îmbunătățirea calității energiei electrice (PQ) în sistemele conectate la rețea și atenuarea perturbațiilor de tensiune prin utilizarea unui restaurator dinamic de tensiune (DVR) alimentat de un sistem fotovoltaic (PV). Prin integrarea PV ca sursă principală de alimentare, DVR-ul furnizează energie curată pentru restabilirea tensiunii, sporind astfel eficiența și fiabilitatea sistemului. Această abordare asigură tranziția către practici energetice durabile prin minimizarea dependenței de rețeaua electrică tradițională în timpul perturbațiilor. Aceste obiective au fost atinse prin integrarea unui convertor amplificator în cascadă cu inductanță comutată (SICBC) pentru o creștere eficientă a tensiunii și prin utilizarea unui controler proporțional-integral optimizat cu con de pin (PCO-PI) pentru o reglare precisă a ieșirii. SICBC oferă un câștig de tensiune ridicat și stabil, cu o eficiență de conversie îmbunătățită, esențialsssă pentru menținerea performanței DVR-ului la fluctuațiile de putere PV. Configurația în cascadă atenuează stresul asupra elementelor pasive, contribuind la o mai bună gestionare termică și la o durată de viață mai lungă a sistemului. Prin adoptarea algoritmului de optimizare Pine Cone, parametrii controlerului sunt reglați fin pentru a obține performanțe optime în ceea ce privește timpul de stabilizare, eroarea în stare staționară și depășirea valorii. Algoritmul imită comportamentul natural de dispersare a semințelor pinilor pentru a explora și exploata eficient spațiul parametrilor de control. Cele mai importante rezultate sunt o eficiență înregistrată de 97,9% și o reducere a distorsiunii armonice totale (THD) la 2.56%, demonstrate prin simulări bazate pe MATLAB/Simulink. În plus, sistemul a demonstrat o compensare robustă a tensiunii atât în condiții de defect simetrice, cât și asimetrice. Rezultatele obținute arată că strategia DVR-PV propusă îmbunătățește substanțial stabilitatea și calitatea energiei, consolidând viabilitatea practică a compensatoarelor integrate din surse regenerabile în rețelele electrice moderne.

Основными целями исследования являются повышение качества электроэнергии в системах, подключенных к сети, и смягчение колебаний напряжения путем использования динамического восстановителя напряжения (ДВР), питаемого от фотоэлектрической (ФЭ) системы. Интегрируя ФЭв качестве основного источника питания, ДВРпоставляет энергию, получаемую из ВИЭ, для восстановления напряжения, тем самым повышая эффективность и надежность системы. Этот подход обеспечивает переход к устойчивым методам энергетики, минимизируя зависимость от традиционной электросети во время помех. Эти цели были достигнуты путем интеграции каскадного повышающего преобразователя с коммутируемым индуктором (КППСКИ) для эффективного повышения напряжения и использования оптимизированного пропорционально-интегрального регулятора PCO-PI для точного регулирования выходного сигнала.КППСКИобеспечивает высокий и стабильный коэффициент усиления напряжения с улучшенной эффективностью преобразования, что необходимо для поддержания производительности ДВРпри колебаниях мощности ФЭ. Каскадная конфигурация снижает нагрузку на пассивные элементы, способствуя лучшему тепловому регулированию и более длительному сроку службы системы. Благодаря использованию алгоритма оптимизации «Сосновая шишка»параметры контроллера точно настраиваются для достижения оптимальных характеристик с точки зрения времени установления, установившейся ошибки и перерегулирования. Алгоритм имитирует естественное распространение сосновых шишек, что позволяет эффективно исследовать и использовать пространство параметров управления. Наиболее важными результатами являются зарегистрированный КПД 97.9% и снижение коэффициента гармонических искажений (THD) до 2.56%, что было продемонстрировано с помощью моделирования в MATLAB/Simulink. Кроме того, система продемонстрировала надежную компенсацию напряжения как при симметричных, так и при асимметричных неисправностях. Полученные результаты показывают, что предлагаемая стратегия использования динамического восстановителя напряжения при работе с фотоэлектрической системойсущественно повышает стабильность и качество электроэнергии, подтверждая практическую целесообразность использования компенсаторов с интегрированными возобновляемыми источниками энергии в современных электросетях.