Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την ανάλυση και τον σχεδιασμό έλεγχο ενεργού και αέργου ισχύος επαγωγικής γεννήτριας διπλής τροφοδοσίας (Doubly-Fed Induction Generator, DFIG), που χρησιμοποιείται σήμερα κατά κόρον σε συστήματα ανεμογεννητριών. Ο έλεγχος επιτυγχάνεται μέσω του διανυσματικού ελέγχου με προσανατολισμό στην τάση του δικτύου (Voltage-Oriented Control, VOC χρησιμοποιώντας αναλογικο-ολοκληρωτικούς (Proportional-Integral, PI) ελεγκτές, επιβάλλοντας με αυτόν τον τρόπο την επιθυμητή μεταβατική συμπεριφορά. / The following diploma thesis addresses the analysis and design of an active and reactive power control system for a Doubly-Fed Induction Generator (DFIG), vastly used in wind power systems. Control is being achieved under voltage orientation (Voltage-Oriented Control, VOC) and through the use of proportional-integral (PI) controllers, who impose the desirable transient behavior.

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. / -

Στις μέρες μας οι συνεχώς αυξανόμενες ενεργειακές ανάγκες, καθώς και η απαίτηση των κοινωνιών για ένα πιο καθαρό περιβάλλον, έχουν κάνει τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας όλο και πιο ελκυστικές ως προς την εκμετάλλευση τους. Η αξιοποίηση της αιολικής ενέργειας στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας κερδίζει όλο και περισσότερο έδαφος. Η τεχνολογία των αιολικών συστημάτων αναπτύσσεται συνεχώς ,με αποτέλεσμα να υπάρχουν διάφορες κατηγορίες αυτών, ανάλογα με τη χρήση για την οποία προορίζονται. Στην παρούσα διπλωματική μου εργασία, μελετάται ένα αιολικό σύστημα μεταβλητών στροφών που χρησιμοποιεί μία παραλλαγή της επαγωγικής μηχανής Διπλής Τροφοδοσίας. Η διαφοροποίηση του έγκειται στον επιπλέον dc/ac μετατροπέα που χρησιμοποιείται, προκειμένου να ελέγξουμε την τάση που μπορεί να δει ο στάτης. Μ΄ αυτό τον τρόπο, το αιολικό σύστημα μιας γεννήτριας διπλής τροφοδοσίας γίνεται ακόμα πιο αξιόπιστο, συνεχίζοντας την παραγωγή ισχύος και παραμένοντας συνδεδεμένο με το δίκτυο σε περίπτωση σφάλματος στην πλευρά του δικτύου. Στη μελέτη αυτή, αφού εξαγάγαμε το μαθηματικό μοντέλο του συστήματος και το προσομοιώσαμε σε περιβάλλον Matlab - Simulink, δοκιμάσαμε το σύστημα σε συνθήκες ύπαρξης σφάλματος στο δίκτυο. Στο σύστημα εφαρμόστηκαν κλασικές τεχνικές ελέγχου,με στόχο τη διατήρηση της μέγιστης απομάστευσης ισχύος από το σύστημα, την αύξηση της αντοχής του σε σφάλματα από την πλευρά του δικτύου, καθώς και τη μη αποσύνδεση του συστήματος από το δίκτυο σε μία τέτοια περίπτωση. Τέλος, συγκρίναμε τη συμπεριφορά αυτού του συστήματος με τη συμπεριφορά ενός κλασικού αιολικού συστήματος με επαγωγική γεννήτρια Διπλής Τροφοδοσίας και παραθέσαμε τις διαφορές. / The increasingly energy demands in our days and also the modern societies demand for a greener environment, have made the electrical energy production from renewable energy sources more attractive. The use of wind energy in the electrical energy production is having more and more fervent supporters. The technology and the types of the wind systems varies, depending on the use and the environmental conditions. In my diploma thesis I designed, we will study a variation of a wind system with a variable speed operation with a Doubly Fed Induction Generator. In this system we also use a dc/ac converter in order to control the voltage which the stator can “see”. Using this converter the wind system with a DFIG is more reliable and remains connected to the ac grid, maintaining the maximum power production, in case of a fault on grid side. In this thesis, after we made the mathematical model with a great accuracy and simulated using Matlab - Simulink, we tested it under conditions of different voltage sags from the side of the grid. In order to control the system and maintaining the power production power at the maximum level, we used classic control methods, and as a result, we achieved to keep the maximum level of power production and to keep the wind system connected to the grid in a scenario of a grid side fault. Finally, we compared the behavior of the system we designed with the wind system with the classic DFIG and we presented the differences.

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.

With the increasing complexity of the power system, electromechanical oscillations are becoming one of the major problem. Several blackouts have been reported in the past due to insufficient damping of the oscillatory modes. The starting point to avoid catastrophic behaviors would be to simulate actual power system and study the response of the system under various outages leading to blackouts. Recently, it has been identified that appropriate modeling of the load is necessary to match the actual system behavior with the computer simulated response. This research throws some insight into the detailed load modeling and its impact on the system small signal stability. In particular, Composite load model is proposed and its effect on the system small signal stability is investigated. Modeling all the loads in a large power system would be a cumbersome job and hence the method for identifying the most sensitive load location is also proposed in the thesis. The effect of load modeling on the eigenvalue movement is also investigated. The low damped electromechanical modes are always undesirable in the large inter-connected power systems as they might get excited under some event leading to growing oscillations. Proper damping of these modes is essential for effective and reliable system operation. Power system stabilizers have been proved to be an effective way of damping these electromechanical modes. The optimal number and location of PSS to effectively damp the modes via improved Differential algorithm is proposed. Moreover, the effect of TCSC, series compensated FACTs device, on enhancing the system damping is investigated. A fixed order model matching technique is presented to design a damping controller for the TCSC. With the increasing global pressure for reducing carbon emissions, there is a great amount of interest in the renewable sources of energy, particularly Wind Energy Conversion Systems. Of all the present methods of wind generation systems, Doubly Fed Induction Generation (DFIG) based wind farms are gaining popularity. The comparison of various methods of wind generation techniques is presented. In particular, the impact of DFIG based wind farms on the system small signal stability is investigated in this work. Co-ordinated tuning of the controllers is performed using Bacterial Foraging Technique, which is another member of Evolutionary algorithms. Damping controller for the DFIG system is proposed to enhance the damping of the electromechanical modes. Results have proved the effectiveness of the control methodology. The contributions made in this thesis could be utilized to promote the further development of the damping controllers for large power systems.

With the increasing complexity of the power system, electromechanical oscillations are becoming one of the major problem. Several blackouts have been reported in the past due to insufficient damping of the oscillatory modes. The starting point to avoid catastrophic behaviors would be to simulate actual power system and study the response of the system under various outages leading to blackouts. Recently, it has been identified that appropriate modeling of the load is necessary to match the actual system behavior with the computer simulated response. This research throws some insight into the detailed load modeling and its impact on the system small signal stability. In particular, Composite load model is proposed and its effect on the system small signal stability is investigated. Modeling all the loads in a large power system would be a cumbersome job and hence the method for identifying the most sensitive load location is also proposed in the thesis. The effect of load modeling on the eigenvalue movement is also investigated. The low damped electromechanical modes are always undesirable in the large inter-connected power systems as they might get excited under some event leading to growing oscillations. Proper damping of these modes is essential for effective and reliable system operation. Power system stabilizers have been proved to be an effective way of damping these electromechanical modes. The optimal number and location of PSS to effectively damp the modes via improved Differential algorithm is proposed. Moreover, the effect of TCSC, series compensated FACTs device, on enhancing the system damping is investigated. A fixed order model matching technique is presented to design a damping controller for the TCSC. With the increasing global pressure for reducing carbon emissions, there is a great amount of interest in the renewable sources of energy, particularly Wind Energy Conversion Systems. Of all the present methods of wind generation systems, Doubly Fed Induction Generation (DFIG) based wind farms are gaining popularity. The comparison of various methods of wind generation techniques is presented. In particular, the impact of DFIG based wind farms on the system small signal stability is investigated in this work. Co-ordinated tuning of the controllers is performed using Bacterial Foraging Technique, which is another member of Evolutionary algorithms. Damping controller for the DFIG system is proposed to enhance the damping of the electromechanical modes. Results have proved the effectiveness of the control methodology. The contributions made in this thesis could be utilized to promote the further development of the damping controllers for large power systems.

The growing demand for power and increased environmental concerns gave an impetus to the growth of clean and renewable energy sources like wind, solar etc. There is a remarkable increase in the penetration of wind energy systems in the last decade and this trend is bound to increase at a much faster pace in future. This ever increasing penetration of wind power generating systems pose multi-fold challenges related to operational and stability aspects of the grid. Present day wind energy systems mostly comprise of variable speed wind generators. A large fraction of present day variable speed wind turbine generators use doubly fed induction machine (DFIM). This thesis deals with modeling and grid coordination aspects of variable speed wind gener- ators. In particular, the short coming of the existing steady state equivalent circuit of a DFIM is identified and subsequently, an accurate equivalent circuit of a DFIM is proposed. Relevant mathematical basis for the proposed model is presented. The proposed steady state equivalent circuit of a doubly fed induction machine is further validated using dynamic simulations of a standalone machine. Based on the proposed equivalent circuit, two approaches for computing the initial values of state variables of a DFIM is proposed. The first approach is a linear formulation where the losses due to resistance of the stator and rotor windings are neglected. The second approach is a non-linear formulation which takes the losses into consideration. Further, analysis is carried out on grid connected doubly fed induction generators (DFIG). A framework to incorporate DFIG based variable speed wind farms in the steady state power flow analysis is proposed. The proposed framework takes into consideration important aspects such as voltage dependent reactive power limits and mode of reactive power control of associated converters. Some of the challenges in a grid connected DFIG especially during su- persynchronous mode of operation are identified. The advantages of a non-Maximum Power Point Tracking (MPPT) mode of operation under certain operating conditions is highlighted. Finally, aspects pertaining to coordination of grid connected variable speed wind generators are studied. A trust region framework to determine the reference values to the control loops of converters in a variable speed wind generator is proposed. The proposed framework identifies the reference values considering other reactive power controllers in the grid. Moreover, the proposed framework ensures that the steady state voltage stability margin is maximized. On the computational front, trust region algorithms ensure global convergence. The mathematical models and initialization algorithms proposed in this thesis are tested on standalone systems under various control scenarios. The algorithms proposed to incorporate a grid connected DFIG in steady state analysis tools have been tested on a sample 6-bus system and a practical 418-bus equivalent system of Indian southern grid.

Cette thèse vise à élaborer de nouvelles stratégies de commande basées sur la commande prédictive pour le système de génération d’énergie éolienne. La topologie des systèmes de production éolienne basées sur le Générateur Asynchrone à Double Alimentation (GADA) qui convient à des plateformes de génération dans la gamme de puissance de 1.5 à 6 MW est abordée. Du point de vue technologique, le convertisseur à trois niveaux et clampé par le neutre (3L-NPC) est considéré comme une bonne solution pour une puissance élevée en raison de ses avantages: capacité à réduire la distorsion harmonique de la tension de sortie et du courant, et augmentation de la capacité du convertisseur grâce à une tension réduite appliquée à chaque semi-conducteur de puissance. Une description détaillée de la commande prédictive à ensemble de commande fini (FCS-MPC) avec un horizon de prédiction de deux pas est présentée pour deux boucles de régulation: celle liée au convertisseur connecté au réseau et celle du convertisseur connecté au GADA. Le principe de la commande repose sur l’utilisation d’un modèle de prédiction permettant de prédire le comportement du système pour chaque état de commutation du convertisseur. La minimisation d’une fonction de coût appropriée prédéfinie permet d’obtenir la commutation optimale à appliquer au convertisseur. La thèse étudie premièrement les problèmes liées à la compensation du temps de calcul de la commande et au choix et aux pondérations de la fonction de coût. Ensuite, le problème de stabilité de la commande FCS-MPC est abordé en considérant une fonction de Lyapunov dans la minimisation de la fonction de coût. Finalement, une étude sur la compensation des effets des temps morts du convertisseur est présentée. / This thesis aims to elaborate new control strategies based on Model Predictive control for wind energy generation system. We addressed the topology of doubly fed induction generator (DFIG) based wind generation systems which is suitable for generation platform power in the range in 1.5-6 MW. Furthermore, from the technological point of view, the three-level neutral-point clamped (3L-NPC) inverter configuration is considered a good solution for high power due to its advantages: capability to reduce the harmonic distortion of the output voltage and current, and increase the capacity of the converter thanks to a decreased voltage applied to each power semiconductor.In this thesis, we presented a detailed description of finite control set model predictive control (FCS-MPC) with two step horizon for two control schemes: grid and DFIG connected 3L-NPC inverter. The principle of the proposed control scheme is to use system model to predict the behaviour of the system for every switching states of the inverter. Then, the optimal switching state that minimizes an appropriate predefined cost function is selected and applied directly to the inverter.The study of issues such as delay compensation, computational burden and selection of weighting factor are also addressed in this thesis. In addition, the stability problem of FCS-MPC is solved by considering the control Lyapunov function in the design procedure. The latter study is focused on the compensation of dead-time effect of power converter.