A low-cost power router (PR), capable of dynamic, independent control of active- and reactive-power flows on meshed grids is presented. The operating principle, detailed schematics, and various possible implementations of the proposed power router are discussed. Various operating modes are identified and a control algorithm has been proposed and verified through simulations. Small-signal and frequency-domain models of the power router from basic time-domain equations are developed. A three-tier protection system based on the fail-normal switch to avoid single point-of-failure is presented. The operation of proposed protection system in isolating the converter and the grid in the event of faults is verified through simulation. An analytical method to evaluate the stability of a system with multiple power routers is proposed. Necessary conditions for the PR-controller design to ensure stable operation of a system with multiple power routers is proposed. These necessary conditions are verified through simulation studies. Potential applications of proposed power router in distribution system and the associated challenges in implementation are presented. The functionality and advantages of the proposed power router are experimentally demonstrated at 13 kV, 1 MVA. The proposed power router can result in a low cost power routing solution that can reduce electric grid congestion and efficient implementation of RPS mandates.

Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2011. / ENGLISH ABSTRACT: The Solid-State Transformer (SST) is presented as an alternative to the traditional Line-Frequency Transformer (LFT) used for voltage-level transformation in distribution grids. The LFT technology is highly matured which results in low costs and high efficiency. The SST however, introduces several advantages compared to the LFT, some of which are input unity power-factor, near perfect output-voltage regulation, frequency variation as well as harmonic filtering. The SST consists of three power-electronic converter stages: The input stage, the isolation stage and the output stage. The input and isolation stages are implemented with a multilevelconverter topology incorporating a converter-stack for each phase. Each stack consists of N converter building blocks, called cells. In this thesis the design and implementation of the main controller is presented. The main controller, together with N cell controllers, is responsible for the control of the cells within the respective stack. Three main controllers are thus implemented within the SST. Each cell consists of an Active Rectifier (AR) and a DC-DC Converter (DC-DC). The SST control design thus starts with the AR control which is subsequently expanded to Cascaded Active-Rectifier (CAR) control. Design is completed with the addition of the DC-DC control. Time domain simulations of the AR- and CAR-control are presented and discussed. Test measurements, verifying functionality of each control design-phase, are presented and discussed. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die Drywingselektroniese Transformator (DET) word voorgestel as ’n alternatief vir die Lyn Frekwensie Transformator (LFT) wat gebruik word vir spannings-vlak tranformasie op distribusie vlak. The LFT tegnologie is ver gevorderd wat ly tot hoë effektiwiteit en lae kostes. The DET bied wel voordele soos intree eenheids arbeid faktor, na aan perfecte uittree-spannings regulasie, frequensie variasie sovel as harmoniese filrteering. Die DET bestaan uit drie drywingselektroniese omsetter stadiums: Die intree-stadium, die isolasie-stadium en die uittree-stadium. The intree- en isolasie-stadiums word geïmplimenteer met ’n multivlak-omsetter topologie wat bestaan uit ’n omsetter-stapel vir elke fase. Elke stapel bestaan uit N omsetter boustene wat selle genoem word. In hierdie tesis word the ontwerp en implementasie van die hoofbeheerder voorgestel. Die hoofbeheerder, tesame met N selbeheerders, is verantwoordelik vir die beheer van elke sel in die spesifieke stapel. In die DET word daar dus drie hoofbeheerders gebruik. Elke sel bestaan uit ’n Aktiewe Gelykrigter (AG) en ’n GS-GS omsetter (GS-GS). Die DET beheerontwerp begin dus met die (AG) beheer wat daarna uitgebrei word na Kaskade Aktiewe Gelykrigter (KAG) beheer. Die beheer ontwerp word voltooi deur die byvoeging van die GSGS beheer. Tyd-gebied simulasies van die AG- en KAG-beheer word voorgelê en bespreek. Toetsmetings wat die funksionaliteit van elke beheer ontwepsfase verifeer, word voorgelê.

O aumento da demanda energética mundial e a necessidade de obtenção de energia por fontes renováveis abriram espaço para discussão sobre vantagens e desvantagens relacionadas às diversas tecnologias de geração existentes. Dados mostram um crescimento significativo do percentual da geração eólica no sistema energético mundial tornando factível o investimento em tecnologias que possam atender às diferenças de aplicação para cada região. Este trabalho apresenta inicialmente as principais características das arquiteturas construtivas dos geradores eólicos listando e apresentando seus principais equipamentos e funções, em seguida são apresentados métodos de controle e proteção aerodinâmica e as principais topologias aplicadas na geração eólica de energia. A discussão das vantagens e desvantagens de cada topologia apontou o gerador Doubly Fed Induction Generator (DFIG) aplicado em sistemas de velocidade variável como uma tecnologia que se destaca pelo seu alto nível de controle e pelo ganho relacionado ao conversor back-to-back de apenas 30% da capacidade de geração da máquina. No trabalho o controle do conversor back-to-back foi testado e validado por simulações e os ajustes dos controladores obtidos pelo método do modelo simétrico ótimo. Em seguida, são apresentados os dispositivos básicos de proteção correlacionados ao monitoramento de corrente, tensão e fluxo de potência e discutidas suas limitações na topologia com o gerador DFIG. No final do trabalho a proteção diferencial é apresentada e aplicada sobre o gerador DFIG e simulações de falta são realizadas em diferentes condições de funcionamento da máquina de modo a obter dados que possam apontar a melhor parametrização deste dispositivo de proteção. / The world energetic demand increase and the generation renewable necessity allowed the dialogue about the advantages and disadvantages of generations technologies existing. Many data shows an significant increase of wind generation inside the world energetic system allowing the investment in technologies to work at the characteristics existing in each place. This study shows the main constructive characteristics in the wind generation showing their main equipments and functions. After, the control and protection aerodynamic methods are shown together with the main topologies in the wind generation. The discussion about the advantages and disadvantages of this topologies showed the DFIG generator working in variable speeds systems like an efficient technology because your accurate control and the low cost of back-to-back frequency inverter. In this study the control of back-to-back converter was tested end validated and the drivers parameters was calculated with the method of the optimal symmetric model. then, are showed some basic protections devices linked with current, voltage and power flow monitoring and yours limitations are discussed in the DFIG topology. In the end the differential protection is showed and applied in the DFIG machine then fault simulations are make to obtain data to produce the best configuration parameters of differential protection.

O aumento da demanda energética mundial e a necessidade de obtenção de energia por fontes renováveis abriram espaço para discussão sobre vantagens e desvantagens relacionadas às diversas tecnologias de geração existentes. Dados mostram um crescimento significativo do percentual da geração eólica no sistema energético mundial tornando factível o investimento em tecnologias que possam atender às diferenças de aplicação para cada região. Este trabalho apresenta inicialmente as principais características das arquiteturas construtivas dos geradores eólicos listando e apresentando seus principais equipamentos e funções, em seguida são apresentados métodos de controle e proteção aerodinâmica e as principais topologias aplicadas na geração eólica de energia. A discussão das vantagens e desvantagens de cada topologia apontou o gerador Doubly Fed Induction Generator (DFIG) aplicado em sistemas de velocidade variável como uma tecnologia que se destaca pelo seu alto nível de controle e pelo ganho relacionado ao conversor back-to-back de apenas 30% da capacidade de geração da máquina. No trabalho o controle do conversor back-to-back foi testado e validado por simulações e os ajustes dos controladores obtidos pelo método do modelo simétrico ótimo. Em seguida, são apresentados os dispositivos básicos de proteção correlacionados ao monitoramento de corrente, tensão e fluxo de potência e discutidas suas limitações na topologia com o gerador DFIG. No final do trabalho a proteção diferencial é apresentada e aplicada sobre o gerador DFIG e simulações de falta são realizadas em diferentes condições de funcionamento da máquina de modo a obter dados que possam apontar a melhor parametrização deste dispositivo de proteção. / The world energetic demand increase and the generation renewable necessity allowed the dialogue about the advantages and disadvantages of generations technologies existing. Many data shows an significant increase of wind generation inside the world energetic system allowing the investment in technologies to work at the characteristics existing in each place. This study shows the main constructive characteristics in the wind generation showing their main equipments and functions. After, the control and protection aerodynamic methods are shown together with the main topologies in the wind generation. The discussion about the advantages and disadvantages of this topologies showed the DFIG generator working in variable speeds systems like an efficient technology because your accurate control and the low cost of back-to-back frequency inverter. In this study the control of back-to-back converter was tested end validated and the drivers parameters was calculated with the method of the optimal symmetric model. then, are showed some basic protections devices linked with current, voltage and power flow monitoring and yours limitations are discussed in the DFIG topology. In the end the differential protection is showed and applied in the DFIG machine then fault simulations are make to obtain data to produce the best configuration parameters of differential protection.

Orientador: Dra. Ahda Pionkoski Grilo Pavani / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, 2016. / Os Geradores de Indução Duplamente Alimentados, em inglês Doubly Fed Induction Generator DFIG, representam uma das tecnologias mais empregadas em sistemas eólicos. Devido à natureza intermitente do vento, o controle convencional usado por esses geradores procura operar o gerador em um ponto que garanta a máxima extração de potência da turbina eólica. Entretanto, usando apenas esta filosofia de controle, não é possível que estes geradores participem do controle de frequência da rede elétrica, pois o sistema mecânico e o sistema elétrico estão desacoplados devido à ação do conversor Back-to-Back. Como consequência, o DFIG não apresenta resposta de inércia. No entanto, em sistemas elétricos com alta penetração de geração eólica, ou sistemas que operam de forma ilhada como microrredes, a resposta de inércia do gerador eólico permite um melhor comportamento da frequência elétrica. Neste contexto, neste trabalho é estudado e analisado o comportamento do Gerador de Indução Duplamente Alimentado DFIG contribuindo para o suporte de frequência de uma microrrede, formada a partir de um ilhamento intencional. Para isso, foram realizadas simulações computacionais com ocorrência de ilhamento intencional, em que uma parte da rede de distribuição passa a operar de forma ilhada alimentada por um DFIG e um gerador síncrono. Com os resultados é possível analisar o desempenho do DFIG no suporte de frequência da rede elétrica considerando diferentes metodologias / Doubly Fed Induction Generators DFIG, represent one of the most used in wind power systems technologies. Due to the intermittent nature of wind, the conventional control used by these generators to operate the demand generator at a point that ensures maximum power extraction of the wind turbine. However, using only this control philosophy, it is not possible that these generators participate in frequency control the power supply for the mechanical system and the electrical system are uncoupled due to the action of the Back-to-Back converter. Consequently, the DFIG has not inertia response. However, in electric systems with high penetration of wind power generation, or systems that operate islanded micro-grids way, the wind power generator inertia response allows a better behavior of the electrical frequency. In this context, this work is studied and analyzed the Doubly Fed Induction Generator DFIG behavior contributing to the frequency support of a micro-grids formed from an unintentional islanding. To this end, computer simulations were performed with the occurrence of unintentional islanding, wherein a part of the distribution network shall operate islanded form fed by a DFIG and a synchronous generator. With the results it is possible to analyze the performance of DFIG in the grid frequency support considering different methodologies.

Submitted by Marco Aurelio Rocha (rochamarco.eng@gmail.com) on 2018-04-19T12:44:32Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Marco_Rocha_FINAL.pdf: 4334808 bytes, checksum: bcc84d54c373bafcb2362766219becac (MD5) / Approved for entry into archive by Minervina Teixeira Lopes null (vina_lopes@bauru.unesp.br) on 2018-04-19T18:51:03Z (GMT) No. of bitstreams: 1 rocha_ma_me_bauru.pdf: 4334226 bytes, checksum: d2b0086eaa88031ec113f8e0a415c74c (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-19T18:51:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 rocha_ma_me_bauru.pdf: 4334226 bytes, checksum: d2b0086eaa88031ec113f8e0a415c74c (MD5) Previous issue date: 2018-03-27 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Esta dissertação apresenta a análise, modelagem e controle vetorial de um sistema de geração eólica tendo um gerador de indução duplamente alimentado como máquina primária e equipado com um conversor back-to-back para gerenciamento da potência entregue ou absorvida da rede elétrica, independentemente do tipo de carga instalada, por meio de compensação de reativos e filtragem ativa das correntes da rede. Para atingir este objetivo, a modelagem do sistema, bem como o projeto dos controladores foram desenvolvidos no ambiente de simulação Matlab®/Simulink®, em que o controle do conversor do lado do rotor realiza a regulação do torque e o controle de potência ativa e reativa, enquanto que o controle do conversor do lado da rede tem a função de manter a tensão do link-CC constante e produzir fator de potência unitário, compensando reativos oriundos do sistema de geração eólica e da carga instalada e atuando como um filtro ativo de potência, melhorando o índice de distorção harmônica da corrente da rede. Além disso, controladores proporcionais-ressonantes foram utilizados a fim de mitigar harmônicos gerados pelo conversor atuando no modo retificador. Também foi realizado o controle do ângulo de passo das pás da turbina, com a finalidade de obter a máxima potência para qualquer velocidade do vento. Os resultados obtidos permitiram avaliar o desempenho dos controladores, de modo que o fator de potência foi mantido unitário para variações abruptas de carga. Tem-se compensação harmônica para cargas não-lineares sendo extraída e gerada a máxima potência oriunda do vento. / This dissertation presents the analysis, modeling and vector control of a wind power system with a doubly-fed induction generator as a primary machine and equipped whit a back-to-back converter to manage power delivered to or absorbed from the grid, independently of the installed load type, through reactive compensation and active filtering of grid currents. To achieve this goal, the system modelling and the controller design was developed in the Matlab®/Simulink® software, where the rotor-side converter control regulates torque and control active and reactive power. The grid-side converter control has the function of maintaining the DC link voltage constant and produce unit power factor, compensating reactive power from the wind generation system and the installed load and acting as an active power filter, which improves the total harmonic distortion of the grid current. In addition, proportional-resonant controller was used to mitigate harmonics generated by the converter acting in the rectifier mode. The pitch angle controller also was made in order to obtain the maximum power for any wind speed. The results obtained allowed to evaluate the performance of the controllers, so that the power factor was unit for abrupt loads variation, there was harmonic compensation for nonlinear loads and the maximum power from the wind was extracted and generated. / CNPq: 13.2999/2016-1

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:56:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ErnanoAJ_DISSERT.pdf: 1903927 bytes, checksum: 0bb4c95cc8f08d85b6af9c71ab44494b (MD5) Previous issue date: 2014-07-11 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient?fico e Tecnol?gico / Currently, there are several power converter topologies applied to wind power generation. The converters allow the use of wind turbines operating at variable speed, enabling better use of wind forces. The high performance of the converters is being increasingly demanded, mainly because of the increase in the power generation capacity by wind turbines, which gave rise to various converter topologies, such as parallel or multilevel converters. The use of converters allow effective control of the power injected into the grid, either partially, for the case using partial converter, or total control for the case of using full converter. The back-to-back converter is one of the most used topologies in the market today, due to its simple structure, with few components, contributing to robust and reliable performance. In this work, is presented the implementation of a wind cogeneration system using a permanent magnet synchronous generator (PMSG) associated with a back-to-back power converter is proposed, in order to inject active power in an electric power system. The control strategy of the active power delivered to the grid by cogeneration is based on the philosophy of indirect control / Existem diversas topologias de conversores de pot?ncia aplicadas a sistemas de gera??o de energia e?lica. Os conversores permitem a gera??o de energia com turbinas e?licas em condi??es de velocidade vari?vel do vento, possibilitando um aproveitamento de forma mais eficaz das for?as do vento. A utiliza??o dos conversores possibilita o controle efetivo da pot?ncia injetada na rede, seja de maneira parcial, no caso de utiliza??o de conversores parciais, ou controle total, no caso de utiliza??o de conversores completos. O alto desempenho dos conversores vem sendo cada vez mais necess?rio, principalmente quando se busca a eleva??o da capacidade de gera??o de pot?ncia por parte das turbinas e?licas, o que fez surgir diversas novas topologias de conversores, sejam conversores paralelos ou multin?veis. O conversor na configura??o back-to-back ? um dos mais utilizados no mercado atualmente, devido ? sua estrutura simples, com poucos componentes, contribuindo assim para um desempenho robusto e confi?vel. Neste trabalho, apresenta-se a implementa??o de um sistema de cogera??o e?lica utilizando um gerador s?ncrono a ?m? permanente (PMSG) associado a um conversor de pot?ncia na topologia back-to-back, de maneira a injetar pot?ncia ativa em um sistema el?trico de pot?ncia. A estrat?gia do controle da pot?ncia ativa fornecida pela cogera??o ? rede el?trica ? baseada na filosofia do controle indireto