Control algorithm of brushless doubly-fed reluctance generator under unbalanced grid voltage conditions: doctoral dissertation

Abstract

The growing demand for electrical energy, especially from renewable sources, has motivated the scientific community to develop new technologies for producing electrical energy more efficiently, reliably and economically. Over the years, many wind energy conversion system (WECS) topologies with large wind turbines have been proposed, which may be generally classified into three types: fixed speed, variable speed with a partial scale power converter, and variable speed with a full-scale power converter. Wind turbines based on doubly fed induction generators (DFIGs), with converters rated at about 25%-30% of the generator rating, have been widely used for large-scale wind generation because of their ability to provide variable speed operation and independent active and reactive power control in a cost-effective way. More recently, a brushless doubly-fed reluctance generator (BDFRG) has been proposed as a potential alternative to the existing solutions for wind power applications since it retains most of their merits while offering high reliability. The BDFRG is a prominent economical solution regarding reliability and maintenance of brushes and slip-rings which are characteristic problems of the traditional DFIG in WECS. Such advantages should be particularly attractive for off-shore wind turbines, where the operation and maintenance costs of brush generators are considerable. Since wind power plants are often installed in remote areas with weak grids where unbalanced voltages are common which may force the wind generator to be disconnected from the grid, this research work has been dedicated to and focused on the performance and control of the BDFRG under unbalanced grid voltage conditions (UGVCs). A new control algorithm is developed and proposed in this thesis based on vector control. Application of this algorithm provides an increase in the robustness of the system, as well as an improvement in controllability. In order to achieve this goal, the research work in this thesis was conducted as follows: 1. A review of the existing literature on the topic of the doctoral thesis was carried out in order to identify the best solutions for the synthesis of the control algorithm in the considered case; 2. Dynamic models of the BDFRG were developed under conditions of unsymmetrical (unbalanced) grid voltage by applying equations for the direct and inverse system; 3. A new control algorithm based on vector control was developed with the aim of eliminating the negative influence of components of the inverse voltage system on the performance of the wind generator. 4. The performance of the proposed control algorithm was analyzed using computer simulations in Matlab/Simulink software; 5. The performance of the proposed control algorithm was analyzed using Maxwell / Simplorer / Simulink co-simulation for the small-scale BDFRG; 6. A 1.5 MW BDFRG was designed for implementation in real-time simulations; iii 7. The performance of a newly designed large-scale wind generator with the implemented new control algorithm was analyzed under conditions of unsymmetrical grid voltage on a HIL setup, where the C code is compiled in dSPACE® from a Simulink® model using Real-Time Workshop. Based on the research conducted according to the introduced plan, the main scientific contributions are formulated and presented in the thesis.

Растућа потражња за електричном енергијом, посебно из обновљивих извора, мотивисала је научну заједницу последњих деценија да развија нове технологије за ефикаснију, поузданију и економичнију производњу електричне енергије. Добар пример за то представља производња електричне енергије из енергије ветра, која је последњих година у сталном порасту. Током година је предложено много различитих системских решења за примену ветроагрегата велике снаге, која се генерално могу сврстати у три категорије: топологије са непроменљивом брзином, топологије са променљивом брзином и енергетским претварачем парцијалне снаге ветроагрегата и топологије са променљивом брзином и енергетским претварачем пуне снаге ветроагрегата. Двострано напајани асинхрони генератори (Doubly-fed Induction Generator, DFIG) код којих се ротор напаја из енергетског претварача чија снага износи око 25%–30% номиналне снаге генератора, широко су заступљeни у системима са ветроагрегатима велике снаге због њихове важне карактеристике да раде са променљивом брзином и независном контролом активне и реактивне снаге на економичан начин. У новије време се двострано напајани релуктантни генератор без четкица на ротору (Brushless Doubly-Fed Reluctance Generator, BDFRG), у даљем тексту само двострано напајани релуктантни генератор јер се код савремених машина са релуктантним ротором подразумева да немају четкице на овом делу машине, предлаже као потенцијална алтернатива постојећим решењима у ветроенергетици. BDFRG, задржавајући већину предности постојећих решења, нуди и високу поузданост у раду. BDFRG представља економично решење за проблеме које има класичан DFIG са поузданошћу и одржавањем четкица и клизних прстенова у системима за конверзију енергије ветра у електричну iv енергију (Wind Energy Conversion Systems, WECS). Као што је поменуто, ове особине су од посебног интереса за ветроелектране на мору, код којих су значајни трошкови рада и одржавања четкица ветрогенератора. Будући да се ветроелектране често постављају у удаљеним руралним подручјима, где је очекивано присуство слабих мрежа са несиметричним (неуравнотеженим) напонима који могу да доведу до искључења ветрогенератора са мреже, истраживачки рад спроведен у овој докторској дисертацији посвећен је и фокусиран на перформансе и управљање BDFRG-ом у условима несиметричног мрежног напона. У раду је развијен и предложен нови алгоритам управљања заснован на векторском управљању. Применом овог алгоритма обезбеђује се повећање робусности система на појаву инверзних компоненти мрежног напона, као и укупно побољшање перформанси система као резултат примене јнапређеног начина управљања. Да би се остварио овај циљ, истраживачки рад у тези је спроведен на следећи начин: 1. Извршен је детаљан преглед постојеће литературе из области докторске тезе у циљу идентификације најбољих решења за синтезу алгоритма управљања у разматраном случају; 2. Динамички модели BDFRG-а развијени су у условима несиметричног мрежног напона применом једначина за директан и инверзни систем; 3. Развијен је нови алгоритам управљања заснован на векторском управљању са циљем елиминисања негативног утицаја компоненти инверзног напонског система на перформансе ветрогенератора; 4. Перформансе предложеног алгоритма управљања анализиране су коришћењем рачунарских симулација у софтверу Matlab/Simulink; 5. Перформансе предложеног алгоритма управљања су анализиране коришћењем Maxwell / Simplorer / Simulink косимулације за BDFRG мале снаге; 6. BDFRG од 1,5 MW је пројектован за примену у симулацијама у реалном времену; 7. Перформансе новопројектованог ветрогенератора велике снаге са имплементираним новим алгоритмом управљања анализиране су у условима несиметричног мрежног напона на HIL поставци, где се C код компајлира у dSPACE® из Simulink ® модела користећи Real- Time Workshop. На основу истраживања спроведеног према утврђеном плану, формулисани су и представљени главни научни доприноси у докторској дисертацији.