In last decade, there is a large increase in installed capacity of wind power. Asmore wind power is integrated into utility networks, related technologychallenges draw much attention. The doubly fed induction generator (DFIG) isthe mainstream choice for wind turbine generator (WTG) in current market andthe object of this thesis. It is very sensitive to voltage dips. The enhancement oflow voltage ride through (LVRT) is one of the most important issues for DFIG,and many works have already been done to provide solutions.In current works, the voltage dip waveforms that are applied in LVRTrelated works are largely different from waveforms in reality, because they failto consider the the effect of realistic wind farm configurations on waveforms ofvoltage dips and significant influences of additional characteristics of voltagedips. The true impact of the voltage dip needs to be assessed in performanceevaluation and development of LVRT methods. To support the development ofpractical LVRT capacity enhancement solutions, the application of voltage dipknowledge is definitely demanded.In this thesis, the characteristics of realistic waveform voltage dips in windfarm are analyized based on voltage dip knowldege from power quality field,measured voltage dip from industry and realistic wind farm configurations.Classical analysis theory is applied to explain the principles of the impact ofvoltage dip characteristics on dynamic behavior of DFIG. The impacts of manywidely neglected characteristics such as phase angle jump (PAJ), point on wave(POW) of initiation and recovery, voltage recovery process, transformerconfigurations, load effect are revealed and verified by simulations. The impactof many voltage dip characteristics on DFIG are studied for the first time. / De senaste tio åren har sett en stor ökning av installerad effekt av vindkraft.Mer vindkraft i elnäten har lett till större uppmärksamhet om dess tekniskautmaningar. Den dubbelmatad asynkrongenerator (DFIG) är idag denvanligaste förekommande typen i vindkraftverk. Den är mycket känslig förspänningssänkningar. Förbättring av tålighet för spänningssänkningar (LVRT)är en av de viktigaste frågorna för DFIG, och många studier har redan söktlösningar.I befintliga studier om LVRT har spänningssänkningarna skiljt sig väsentligtfrån verkliga vågformer, då de inte har tagit hänsyn till realistiskavindparkkonfigurationer och betydande påverkan av ytterligare egenskaper hosspänningssänkningar. För att stödja utvecklingen av praktiska LVRT lösningarbehövs mer kunskap om spänningssänkningar för att bedöma dess verkligainverkan.Detta examensarbete förbättrar LVRT analysen av DFIG genom att tillämpakunskap om spänningssänkningar från elkvalitetsområdet, tillsammans medrealistiska vindparkskonfigurationer. Inflytandet av ändringar i fasvinkel(PAJ), fasvinkeln vid sänkning och återhämtning (POW), spänningsåterhämtning, transformatorkonfigurationer, last och många andra egenskaperav spänningssänkningar ingår också. Inflytandet av många egenskaper avspänningssänkningar studeras här akademiskt för första gången. Denkaraktäristik av realistiska spänningssänkningar som inträffar vid generatornspoler, och de effekter dessa har, studeras och förklaras genom teoretisk analysoch intensiva simuleringar.

No description available.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την ανάλυση και σχεδίαση απευθείας ελέγχου πραγματικής και άεργου ισχύος σε αιολικό σύστημα με επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας (Doubly-Fed Induction Generator, DFIG). Κύριος σκοπός της εργασίας είναι η εξαγωγή ενός κατάλληλου δυναμικού μοντέλου του συστήματος, το οποίο περιέχει ως καταστάσεις τις ισχείς. Επιπλέον, μέσω του διανυσματικού ελέγχου με προσανατολισμό στην τάση του δικτύου (Voltage-Oriented Control, VOC) επιτυγχάνεται ο απευθείας έλεγχος των ισχύων χρησιμοποιώντας αναλογικό-ολοκληρωτικούς (Proportional-Integral, PI) ελεγκτές, επιβάλλοντας με αυτόν τον τρόπο την επιθυμητή μεταβατική συμπεριφορά. Τελικά, η ανάλυση και η συμπεριφορά του αιολικού συστήματος επιβεβαιώνεται με τα αποτελέσματα της εξομοίωσης σε περιβάλλον MATLAB/Simulink. Ειδικότερα, στο κεφάλαιο 1 παρουσιάζονται το ενεργειακό πρόβλημα και τα διάφορα είδη ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Στο κεφάλαιο 2 αναφέρονται τα συστήματα αιολικής ενέργειας. Πιο συγκεκριμένα, περιγράφονται οι κυριότεροι τύποι ανεμογεννητριών και η δομή της, οι γεννήτριες και οι συσκευές ηλεκτρονικών ισχύος που χρησιμοποιούνται σε ένα αιολικό σύστημα, καθώς και ο μηχανικός έλεγχος ισχύος που μπορεί να εφαρμοστεί. Στη συνέχεια, στο κεφάλαιο 3 πραγματοποιείται η ανάλυση του αιολικού συστήματος με την DFIG όπου εξάγεται με την βοήθεια του μετασχηματισμού Park, το ζητούμενο μαθηματικό μοντέλο. Έπειτα, στο κεφάλαιο 4 αναφέρονται οι μέθοδοι ελέγχου που χρησιμοποιούνται στις ανεμογεννήτριες, εφαρμόζεται ο VOC στο αιολικό σύστημα που μελετάται και σχεδιάζονται οι απαιτούμενοι ελεγκτές PI ώστε να ελεγχθεί η ισχύς μέσω των δύο μετατροπέων ισχύος. Τέλος, στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται η εξομοίωση του συστήματος και τα αποτελέσματα που προέκυψαν. / This diploma thesis deals with the analysis and design of a direct active and reactive power control system for a Doubly-Fed Induction Generator (DFIG) wind power system. The main purpose of this thesis is to extract a suitable dynamic model of the system that contains as states the active and reactive power. In addition, the direct control of the active and reactive power is achieved through voltage-oriented control (VOC) and the use of PI controllers, imposing the desirable transient behavior. Finally, the analysis and the performance of the wind system are verified through simulation results in MATLAB/Simulink. Specifically, in chapter 1 the energy problem and the different types of renewable energy sources are presented. The second chapter deals with the wind energy systems. In particular, the main types and the structure of wind turbines, the generators, the power electronic devices and the mechanic power control used in a wind power system are presented. Then, in chapter 3 the DFIG wind system is analysed and the required mathematical model is extracted using Park’s transformation. Next, in the fourth chapter the control methods for a wind turbine are presented and, using the VOC in the wind power system studied, the required PI controllers for the two power converters are designed. Finally, in chapter 5 the simulation results are presented and conclusions are drawn.

Wind farms are commonly connected to the main grid through compensated lines which increases the power transfer capability of the line. Double Fed Induction Generator (DFIG) wind turbines in connection to compensated lines can experience Sub-Synchronous Control Interaction (SSCI) which can bring system quantities above allowed levels. The work conducted in this thesis describes the use of harmonic injection to analyze the DFIG. The method describes how to analyze the DFIG such that it can be used to determine if the DFIG will experience SSCI. By using Electro-Magnetic Transient (EMT) software, the work shows how the method can be used to analyze the DFIG both to find the resonant frequency as well as if the oscillations will be sufficiently damped or undamped. Using the method of harmonic injection, the DFIG’s internal control parameters are also investigated and the equivalent frequency dependant resistance of the system is measured. After analyzing the DFIG, a Power Oscillation Damper (POD) is implemented as a supplementary control system in the DFIG control system to dampen the SSCI. The POD is optimized using PSCAD and is validated using the harmonic injection method. / Vindkraftverk är vanligtvis anslutna till stamnätet genom kompenserade ledningar, vilket ökar ledningens effektöverföringsfaktor. Dubbelmatade induktionsgeneratorer (DFIG) i anslutning med kompenserade ledningar kan uppleva subsynkrona kontrollinteraktioner (SSCI) som kan leda till att vissa systemstorheter överskrider tillåtna nivåer. Det arbete som utförs i denna rapport beskriver användningen av harmonisk injektion för att analysera DFIG. Metoden beskriver hur man analyserar DFIG så att den kan användas för att avgöra om DFIG kommer att uppleva SSCI. Genom att använda EMT-programvara (Electro-Magnetic Transient) visar arbetet i rapporten hur metoden kan användas för att analysera DFIG både för att hitta resonansfrekvensen och för att avgöra om svängningarna kommer att vara tillräckligt dämpade eller odämpade. Med hjälp av metoden för harmonisk injektion undersöks också DFIG:s interna styrparametrar och systemets ekvivalenta frekvensberoende motstånd mäts. Efter analys av DFIG:en implementeras en dämptillsats (POD) som ett kompletterande styrsystem i DFIG:s styrsystem för att dämpa SSCI. POD optimeras med hjälp av PSCAD och valideras med hjälp av harmonisk injektionsmetod.

This thesis describes the generic modeling of a Doubly-Fed Induction Generator (DFIG) based wind turbine. The model can also represent a wind plant with a group of similar wind turbines lumped together. The model is represented as a controlled current source which injects the current needed by the grid to supply the demanded real and reactive power. The DFIG theory is explained in detail as is the rationale for representing it by a regulated current source. The complete model is then developed in the time-domain and phasor domain by the interconnection of various sub-systems, the functions of which have been described in detail. The performance of the model is then tested for steady-state and dynamic operation. The model developed can be used for bulk power system studies and transient stability analysis of the transmission system. This thesis uses as its basis a report written for NREL [1]. / text

Αντικείμενο αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη και προσομοίωση της λειτουργίας μιας ανεμογεννήτριας μεταβλητών στροφών, η οποία οδηγεί μια ασύγχρονη γεννήτρια διπλής τροφοδότησης, με τη βοήθεια του προγράμματος PSCAD/EMTDC. Γίνεται επίσης μελέτη της λειτουργίας αυτής της ανεμογεννήτριας κατά τη διάρκεια βυθίσεων της τάσης του δικτύου, καθώς και μελέτη της δυνατότητας παραμονής της μηχανής σε λειτουργία κατά τη διάρκεια αυτών των σφαλμάτων. Πιο αναλυτικά, στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και ειδικότερα στην αιολική ενέργεια και στο σημαντικό ποσοστό ηλεκτρικής ενέργειας, που καλούνται να συνεισφέρουν στο σύνολο του ενεργειακού μείγματος κάθε χώρας, στο μέλλον. Γίνεται αναφορά στο κόστος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με χρήση αιολικής ενέργειας και στη συνέχεια το κόστος αυτό συγκρίνεται με το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από συμβατικούς σταθμούς. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μία γενική παρουσίαση των αιολικών συστημάτων. Περιγράφονται τα δομικά στοιχεία μιας ανεμογεννήτριας και η αεροδυναμική μετατροπή της κινητικής ενέργειας του ανέμου σε ηλεκτρική. Παρουσιάζονται διάφορες τοπολογίες ανεμογεννητριών που χρησιμοποιούνται σήμερα και στη συνέχεια δίνεται το μαθηματικό μοντέλο της γεννήτριας επαγωγής διπλής τροφοδότησης και οι μετασχηματισμοί σε στρεφόμενα πλαίσια αναφοράς. Κατόπιν γίνεται μελέτη του μετατροπέα πηγής τάσης και αναφέρονται τεχνικές διαμόρφωσης για την παραγωγή των επιθυμητών κυματομορφών. Τέλος, γίνεται σχεδιασμός ενός LCL φίλτρου καταστολής των αρμονικών συνιστωσών των ρευμάτων που εγχύει ο μετατροπέας στο δίκτυο. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται ο διανυσματικός έλεγχος και γίνεται εφαρμογή του στον έλεγχο του μετατροπέα προς την πλευρά του δρομέα και στον έλεγχο του μετατροπέα προς την πλευρά του δικτύου. Παρουσιάζεται η γενική στρατηγική ελέγχου της ανεμογεννήτριας με χρήση του ελέγχου βήματος πτερυγίου για τον περιορισμό της παραγώμενης ισχύος στις υψηλές ταχύτητες ανέμου. Όταν η ταχύτητα του ανέμου είναι μικρότερη της ονομαστικής, τότε η ταχύτητα της μηχανής και η παραγώμενη ισχύς ακολουθούν την χαρακτηριστική ισχύος – ταχύτητας, που εξασφαλίζει βέλτιστη λειτουργία. Γίνεται προσομοίωση της λειτουργίας της ανεμογεννήτριας και εκτίμηση της απόκρισης σε βηματικές αλλαγές της ταχύτητας του ανέμου. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται μελέτη παραμονής της ανεμογεννήτριας σε λειτουργία, κατά τη διάρκεια βύθισης της τάσης του δικτύου και ανάλυση μεθόδων υλοποίησης αυτού του στόχου. Με την ανίχνευση του σφάλματος ο δρομέας βραχυκυκλώνεται και ο μετατροπέας προς την πλευρά του δρομέα αποσυνδέεται, ενώ οι διακόπτες του αποκόπτονται για να προστατευθούν από το υψηλό ρεύμα του δρομέα. Μόλις το ρεύμα του δρομέα πέσει και πάλι κάτω από την ανώτατη επιτρεπτή τιμή, ο μετατροπέας συνδέεται και πάλι με τον δρομέα για να ανακτήσει τον έλεγχο της παραγώμενης από τον στάτη ενεργού και αέργου ισχύος. Αμέσως παράγεται άεργος ισχύς για την στήριξη της τάσης του δικτύου, ενώ μειώνεται η παραγωγή ενεργού ισχύος, έτσι ώστε το συνολικό ρεύμα του δρομέα να παραμείνει μέσα στα επιτρεπτά όρια. Με την αποκατάσταση της τάσης του δικτύου, η παραγώμενη ενεργός και άεργος ισχύς παίρνουν σταδιακά τις τιμές που είχαν πριν την εκδήλωση του σφάλματος. / -

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη ανεμογεννήτριας με επαγωγική μηχανή διπλής τροφοδοσίας η οποία συνδέεται στο στάτη απευθείας με το δίκτυο και στο δρομέα μέσω ενός back to back μετατροπέα και η συνεχής λειτουργίας της μηχανής σε περιπτώσεις σφαλμάτων στο δίκτυο. Σκοπός της εργασίας είναι αρχικά να μελετηθεί το συνολικό σύστημα της ανεμογεννήτριας θεωρητικά χρησιμοποιώντας το μετασχηματισμό Park για τη μοντελοποίηση του συστήματος στο σύγχρονα στρεφόμενο d-q πλαίσιο αναφοράς. Στη συνέχεια παρατέθηκαν οι εξισώσεις στο χώρο κατάστασης που περιγράφουν το μαθηματικό μοντέλο του συστήματος, το επόμενο βήμα ήταν να περιγραφεί ένα σύστημα ελέγχου το οποίο βασίζεται στους PI ελεγκτές επιλέγοντας τα κατάλληλα κέρδη. Τέλος, προσομοιώνουμε το παραπάνω σύστημα με τη βοήθεια της εφαρμογής Simulink του λογισμικού MATLAB και μελετώντας τα αποτελέσματα, εξάγουμε τα ανάλογα συμπεράσματα. / The present thesis deals with the study of the wind turbine doubly-fed induction generator (DFIG), in which the stator is connected immediately to the grid and the rotor is connected to the grid with a back-to-back converter and the continuous operation of the machine in case of network errors. This thesis will initially consider the overall system of wind turbine theoretically using the Park transformation to model the system in the d-q synchronous rotating reference frame. The following goal was to quote in the state space equations that describe the mathematical model of the system, the next step was to describe a control system based on PI controllers selecting the appropriate profits. Finally, the above system was simulated by using the Simulink of MATLAB and studying the results were exported the appropriate conclusions.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / This work presents the analysis and implementation of a vector control applied to Doubly-Fed Induction Generators (DFIG) used in grid connected wind turbines. DFIG s are nowadays the more widely used concept for grid connected wind turbine, especially for rated power above 1 MW. The main reason is the low rotor PWM power converter rating. The present work deals with the controller analysis of the back-to-back converter in the stator flux vector reference frame. This method allows a decoupled control of the active and reactive stator power. The PI controller bandwidth analysis in the DFIG dynamic behavior is presented. Initially, the impact of the bandwidth variation of the closed loop rotor current controller and the stability including the PLL estimator are investigated. In addition, this work proposes a new synchronization method that automatically synchronizes the induced stator voltage vector with the grid voltage vector without being affected by the position of the rotor. In order to validate the carried out analysis, experimental results are presented using a 5kW DFIG. It is basically composed by: one DFIG, two power converters connected in the rotor-side and in the grid-side, a line filter and the data acquisition and control system (DSP TMS320F2812). Both converters are commercial units and are vector controlled using appropriate interfaces and they are connected back-to-back, sharing the same DC bus. One of them is supplied through a line filter from the power grid and the other one with the output of the generators rotor. The stator of the generator is directly connected to the power grid. All components are extensively described in the work and their functions are discussed. The control structures for both inverters are presented. / Este trabalho apresenta à análise e implementação do controle vetorial de uma Máquina Assíncrona Trifásica com Rotor em Anéis Duplamente Alimentada (MATRADA) aplicado a aerogeradores de velocidade variável. Atualmente, o conceito da MATRADA é amplamente utilizado em aerogeradores modernos, principalmente em potências maiores que 1 MW. A principal razão é o custo reduzido do conversor estático duplo do circuito rotórico. Inicialmente, este trabalho trata da analise dos controladores vetoriais do conversor estático duplo, considerando o modelo matemático em coordenadas síncronas orientado no referencial do fluxo estatórico. Nesse referencial, é possível controlar as potências estatóricas de forma independente. No entanto, a posição do fluxo estatórico não pode ser obtida de forma direta. Devido a isso, incluiu-se um estimador para a posição do fluxo estatórico. Com a inclusão desse estimador no modelo matemático, foi investigada a estabilidade do sistema operando em malha fechada. A partir do modelo matemático incluindo o estimador, desenvolveu-se uma metodologia para o projeto dos controladores vetoriais do conversor estático duplo responsável pelo acionamento da MATRADA. Além disso, também é desenvolvida uma metodologia para a partida e sincronização do sistema de geração eólico com a rede elétrica que independe da velocidade de rotação da turbina. O comportamento dinâmico desse sistema perante distúrbios próximos ao ponto de conexão com a rede elétrica é investigado. Para melhorar a resposta do sistema de geração durante esses distúrbios, é desenvolvida uma metodologia de controle para o circuito crowbar. Para validar os estudos desenvolvidos ao longo desse trabalho, resultados experimentais são apresentados utilizando uma plataforma MATRADA de 5 kW. Essa plataforma é composta basicamente por: uma MATRADA, dois conversores estáticos de potência, um filtro de rede e um sistema de aquisição e controle (DSP TMS320F2812). Os conversores utilizados são unidades comerciais e são acionados por interfaces apropriadas. Os conversores são conectados back-to-back dividindo o mesmo barramento CC. O conversor do lado da rede é conectado a rede elétrica através do filtro L e o outro conversor é conectado diretamente ao rotor da MATRADA. O estator da MATRADA é conectado diretamente na rede elétrica. Todos os componentes e suas principais funções são discutidas no decorrer desse trabalho.

The trend of future wind farms moving further offshore requires much higher reliability for each wind turbine in order to reduce maintenance cost. The drive-train system and power electronic converter system have been identified as critical sub-assemblies that are subject to higher failure rates than the other sub-assemblies in a wind turbine. Modern condition monitoring techniques may help schedule the maintenance and reduce downtime. However, when it comes to offshore wind turbines, it is more crucial to reduce the failure rates (or reduce the stresses) for the wind turbines during operation since the harsh weather and a frequently inaccessible environment will dramatically reduce their availability once a failure happens. This research examines the mechanical, electrical and thermal stresses in the sub-assemblies of a doubly-fed induction generator (DFIG) wind turbine and how to reduce them by improved control strategies. The DFIG control system (the rotor-side and the grid-side converter control) as well as the wind turbine control system are well established. The interactions of these control systems have been investigated. This research examines several further strategies to reduce the mechanical and electrical stresses. The control system's coordination with the protection schemes (crowbar and dc-chopper) during a grid fault is presented as well. An electro-thermal model of the power converter has been developed to integrate with the DFIG wind turbine model, for the evaluation of the thermal stresses under different operating states and control schemes. The main contributions of this thesis are twofold. A first contribution is made by providing all the control loops with well-tuned controllers in a more integrated methodology. The dynamics of these controllers are determined from their mathematical models to minimize the interference between different control-loops and also to reduce the electrical transients. This thesis proposes a coordination strategy for the damping control, pitch control and crowbar protection which significantly reduces the mechanical oscillations. On the other hand, an integrated model of the wind turbine and converter electro-thermal system is established that can illustrate the performance integration with different control strategies.

Les convertisseurs statiques triphasés AC/DC/AC à structure tension sont largement utilisés dans de nombreuses applications de puissance. La continuité de service de ces systèmes ainsi que leur sécurité, leur fiabilité et leurs performances sont aujourd'hui des préoccupations majeures de ce domaine lié à l'énergie. En effet, la défaillance du convertisseur peut conduire à la perte totale ou partielle du contrôle des courants de phase et peut donc provoquer de graves dysfonctionnements du système, voire son arrêt complet. Afin d'empêcher la propagation du défaut aux autres composants du système et assurer la continuité de service en toute circonstance lors d'une défaillance du convertisseur, des topologies de convertisseur "fault tolerant" associées à des méthodes efficaces et rapides de détection et de compensation de défaut doivent être mises en oeuvre. Dans ce mémoire, nous étudions la continuité de service de trois topologies de convertisseurs AC/DC/AC avec ou sans redondance, lors de la défaillance d'un de leurs interrupteurs. Deux applications sont ciblées : l'alimentation d'une charge RL triphasée et un système éolien de conversion de l'énergie basé sur une MADA. Un composant FPGA est utilisé pour la détection du défaut, afin de réduire autant que possible son temps de détection. Des variantes permettant d'optimiser la méthode de détection de défaut sont également proposées et évaluées. Les trois topologies de convertisseurs proposées, associées à leurs contrôleurs, ont été validées de la modélisation/ simulation à la validation sur banc de test expérimental, en passant par le prototypage "FPGA in the Loop" du FPGA, destiné plus spécifiquement à la détection du défaut / AC/DC/AC converters are widely being used in a variety of power applications. Continuity of service of these systems as well as their reliability and performances are now of the major concerns. Indeed, the failure of the converter can lead to the total or partial loss of the control of the phase currents and can cause serious system malfunction or shutdown. Thus, uncompensated faults can quickly endanger the system. Therefore, to prevent the spread of the fault to the other system components and to ensure continuity of service, fault tolerant converter topologies associated to quick and effective fault detection and compensation methods must be implemented. In this thesis, we present the continuity of service of three AC/DC/AC fault tolerant converters with or without redundancy, in the presence of a fault in one of their switches. Two types of applications are studied: the supply off a three-phase charge and a wind energy conversion system based on a DFIG. An FPGA based implementation is used for fault detection, in order to reduce the detection time as much as possible. Three optimizations in the fault detection method are also presented. During these researches, the three proposed converter topologies and their controllers are validated in simulations and also experimentally, while being validated in a "FPGA in the Loop" prototyping