Thesis (MScEng (Electrical and Electronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2011. / ENGLISH ABSTRACT: In this study a new type of gearless, direct-drive wind generator, which can be connected directly to the grid, is proposed. The working characteristics of this generator are based upon the principles of the permanent magnet induction generator (PMIG). By omitting the need for a gearbox and power electronic converter this generator type has several advantages regarding cost and reliability. Although the PMIG is proposed in previous studies as favourable for wind power generation, the mechanical complexity and difficult construction associated with these types of generators, seems to be the main reason why these generator systems are not used. The design methods presented in this study are intended to alleviate these constructional issues by proposing the split-PMIG (S-PMIG), where the stator winding and the induction cage-rotor windings are electromagnetically separated. The machine is basically split into two permanent magnet (PM) machines, a grid connected synchronous generator (SG) unit and a turbine connected induction generator (IG) unit. These two units are mechanically linked by a common PM-rotor. To evaluate this concept a finite element (FE) design analysis is done independently for both machine components. The emphasis of the design optimisation is the minimisation of the cogging torque, while still having a decent performing, easily constructible generator. This generator should also have low load ripple content. Cogging torque can result in the failure of the turbine to start up, especially at low wind speeds. As this is a directly grid connected generator, torque ripple transferred to the common PM-rotor can destabilise the generator. Based upon the FE designs a preliminary S-PMIG system is constructed and practically evaluated. Due to the modular nature of the design it is possible to implement the synchronous generator part of the S-PMIG in conjunction with a grid-connected solid state converter (SSC). This allows for a useful comparison with the S-PMIG system. Promising results are obtained from initial tests of the S-PMIG directly connected to the grid. It is shown that the operation of this generator is stable under a wide range of wind load conditions. However, some important machine design issues are identified from these practical results, which could prove vital in the implementation of future S-PMIG designs. / AFRIKAANSE OPSOMMING: In hierdie studie word 'n nuwe ratkaslose direk-aangedrewe wind generator voorgestel, wat direk aan die krag netwerk gekoppel kan word. Hierdie generator is gebaseer op die beginsels waarop permanente magneet induksie generators (PMIG’s) werk. Deur die ratkas en drywings-elektroniese omsetter uit te laat, het hierdie generator verskeie voordele rakende koste en betroubaarheid. Alhoewel vorige studies hierdie generator voorstel as 'n belowende opsie vir gebruik in wind-energie-stelsels, lyk dit of die meganiese kompleksiteit en moeilike konstruksie die hoof rede is hoekom hierdie generator stelsels tans nie gebruik word nie. Die ontwerpsmetodes wat in hierdie studie voorgestel word poog om die genoemde konstruksie probleme op te los deur die gesplete-PMIG (S-PMIG), waar die stator wikkelings en die induksie masjien kou-rotor wikkelings elektromagneties ontkoppel is, voor te stel. Hierdie masjien is basies verdeel in twee permanente magneet (PM) masjiene, 'n netwerk gekoppelde sinchroongenerator (SG) eenheid en 'n turbine gekoppelde induksie generator (IG) eenheid. Hierdie twee eenhede word gekoppel deur 'n gemeenskaplike PM-rotor. Om hierdie konsep te evalueer word eindige element analise onafhanklik vir beide masjiene gedoen. Die fokus van die ontwerp optimering is die minimalisering van die vertandingsdraaimoment, terwyl die generator steeds goed presteer en maklik is om te vervaardig. Vertandingsdraaimoment kan tot die gevolg hê dat die turbine versuim om te begin draai, veral by lae windsnelhede. Dit is ook belangrik dat die generator 'n lae rimpel inhoud onder las bevat. Omrede hierdie generator direk aan die netwerk gekoppel is, kan draaimoment pulsasies, oorgedra aan die gemeenskaplike PM-rotor, die masjien destabiliseer. Gebaseer op die eindige element ontwerpe, is 'n voorlopige gesplete-PMIG gebou en prakties geëvalueer. As gevolg van die modulêre struktuur van die ontwerp, is dit moontlik om die SG gedeelte van die gesplete- PMIG saam met 'n drywings-elektroniese omsetter te implementeer. Dit laat toe vir 'n nuttige vergelyk tussen die twee stelsels. Belowende eerste toets resultate is verkry van die gesplete-PMIG direk gekoppel aan die netwerk. Daar word gewys dat hierdie generator stabiel oor 'n wye operasionele gebied kan funksioneer. Verskeie belangrike masjien ontwerpsfaktore word ook uitgelig met die praktiese evaluering van die gesplete-PMIG. Hierdie faktore kan uiters belangrik wees in die ontwerp en implementering van toekomstige gesplete-PMIG stelsels. / Sponsored by the Centre for Renewable and Sustainable Energy Studies

Este trabalho tem como objetivo investigar a máquina de indução funcionando como gerador. Para isso, são pesquisadas as normas e requisitos para operação interligada à rede de distribuição até o presente momento. Os parâmetros elétricos referente ao circuito equivalente monofásico da máquina de indução de 15 kW, pertencente a um grupo gerador a biogás, são levantados, realizando-se uma caracterização e modelamento destes parâmetros. Os resultados teóricos obtidos têm o intuito de predizer o comportamento das grandezas elétricas quando o grupo gerador operar em condições nominais, interligado a rede de distribuição. Também, estes resultados teóricos são comparados com valores medidos em ensaios de campo utilizando um motor CC de 10 kW como máquina primária. / This study aims at investigate the induction machine operating as a generator. For this, we researched the standards and requirements for the operation connected to the distribution grid to the present date. The electrical parameters concerning the equivalent circuit per phase of a 15 kW induction machine are raised, this machine is part of a small biogas plant. An appropriate characterization and modeling of these parameters are realized and the theoretical results obtained are intended to predict the behavior of electrical units when the generator is placed at nominal operation. Also, these theoretical results are compared with experimental measurements using a 10 kW DC motor as primary mover.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / This dissertation addresses the main problems related to doubly-fed induction generators (DFIG) connection to grids with unbalanced voltages. Series compensation is used to achieve balanced voltage on the stator of the machine, avoiding torque oscillations and high currents due to the grid voltage unbalance. The DC-link voltage control proposed reduces the complexity of the converter when compared to the alternatives considered in the literature. The close to no-load operation of the DFIG is also depicted. Simulation results for a commercial large scale generator are presented to demonstrate the performance of the system with the proposed controller. / Esta dissertação trata dos principais problemas relacionados à conexão de geradores duplamente alimentados à rede elétrica com tensões desequilibradas. Compensação série é usada para equilibrar as tensões no estator da máquina, evitando oscilações de conjugado e altas correntes de seqüência negativa devido aos desequilíbrios das tensões no ponto de conexão do gerador. O controle da tensão do barramento CC é proposto tal que é possível reduzir a complexidade do conversor quando comparado com outras alternativas apresentadas na literatura. A operação próximo à carga nula é apresentada. Resultados de simulação para um gerador em escala comercial são apresentados para demonstrar o desempenho do sistema proposto.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The induction generator has characteristics making it interesting for alternative sources of energy, such as low cost, ruggedness, low maintenance, high availability and good dynamic behavior. So, it is very much applied in alternative energy systems, where low cost, low maintenance and easy availability are essential characteristics. Although this generator is very attractive, its operation presents problems related to a poor voltage regulation, load dependent variable frequency, and the need of large size self-excitation capacitors, for standalone induction generator systems. In order to minimize these problems, this study proposes a sparse matrix converter associated to an induction generator as a way to regulate the generated voltage, fix the frequency and increase the system reliability. Moreover, it allows the reduction of the self-excitation capacitors by draining out of the generator, mostly resistive current thus, reducing capacitor costs and of the whole system size. In this dissertation is presented some simulation and practical results of a sparse matrix converter connected to the induction generator prototype developed in CEEMA laboratories. These results confirm the here presented theory and validate this work. / O Gerador de Indução é atrativo para geração de energia elétrica com fontes alternativas por apresentar baixo custo, robustez, baixo índice de manutenção, grande disponibilidade e bom comportamento dinâmico. Por isso, ele é muito aplicado em sistemas alternativos de geração de energia onde o baixo custo, baixo índice de manutenção, disponibilidade e facilidade de substituição do gerador, são características bastante apreciadas. Particularmente, no caso dos geradores de indução auto-excitados por bancos de capacitores, apesar de também eles serem atrativos, sua operação isolada apresenta problemas relacionados à regulação de tensão insatisfatória e freqüência variável dependentes da carga, e pela necessidade de capacitores de auto-excitação de tamanho e custo elevados. Os custos elevados dos bancos de capacitores ainda limitam o uso isolado do gerador de indução a pequenas unidades apenas, com potência inferior à 50kW. Esta dissertação propõe o uso do Conversor Matricial Esparso como forma de regular a tensão no gerador de indução e fixar a freqüência na carga. Além disso, o uso deste conversor possibilita drenar uma corrente do gerador em fase com sua respectiva tensão, reduzindo assim o custo dos capacitores e do sistema como um todo. São apresentados resultados de simulação e resultados práticos de um protótipo do conversor matricial esparso, desenvolvido nos laboratórios do CEEMA-UFSM para conexão ao gerador de indução. Estes resultados servem de base para a comprovação e validação da teoria desenvolvida para a integração do gerador de indução auto-excitado e do conversor matricial esparso apresentada nesta dissertação.

Este trabalho tem como objetivo investigar a máquina de indução funcionando como gerador. Para isso, são pesquisadas as normas e requisitos para operação interligada à rede de distribuição até o presente momento. Os parâmetros elétricos referente ao circuito equivalente monofásico da máquina de indução de 15 kW, pertencente a um grupo gerador a biogás, são levantados, realizando-se uma caracterização e modelamento destes parâmetros. Os resultados teóricos obtidos têm o intuito de predizer o comportamento das grandezas elétricas quando o grupo gerador operar em condições nominais, interligado a rede de distribuição. Também, estes resultados teóricos são comparados com valores medidos em ensaios de campo utilizando um motor CC de 10 kW como máquina primária. / This study aims at investigate the induction machine operating as a generator. For this, we researched the standards and requirements for the operation connected to the distribution grid to the present date. The electrical parameters concerning the equivalent circuit per phase of a 15 kW induction machine are raised, this machine is part of a small biogas plant. An appropriate characterization and modeling of these parameters are realized and the theoretical results obtained are intended to predict the behavior of electrical units when the generator is placed at nominal operation. Also, these theoretical results are compared with experimental measurements using a 10 kW DC motor as primary mover.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The growing global demand for electricity, increasing scarcity of the conventional energy sources and the need to reduce environmental impacts contributed to the pronounced development of new technologies based on clean and renewable energy sources. In this context, the wind power is the technology that has had a greater development in recent decades. This source has played an important role in the advancement of alternative sources in the world energy matrix, because the technology is already consolidated and is economically viable. Accompanying the technological development of the alternative sources, the induction generator has stood out among the generators with the technology best suited to generating electricity for isolated energy systems. With this motivation, this thesis proposes a new configuration for an isolated wind energy conversion system using variable speed turbines, in which the induction generator is electronically excited by means of a static compensator. Also, the generator is associated to a shunt active filter for compensation of non-linear and unbalanced loads, and with a battery bank for energy storage and DC bus stabilization. It is also discussed the main problems with the induction generator related to the magnetization characteristic and its dynamic model, and the proposed solutions to mitigate these problems. The results confirm the effectiveness of the proposed wind energy conversion system, showing its operational capability with variable load and variable turbine speed. Finally it is presented the main conclusions of this work and suggestions for future works in the same line of research. / O crescente aumento da demanda mundial de energia elétrica, a escassez cada vez maior das fontes convencionais de energia e a necessidade de redução dos impactos ambientais contribuíram para o acentuado desenvolvimento de novas tecnologias baseadas em fontes limpas e renováveis. Neste contexto, a energia eólica foi uma das tecnologias que mais se desenvolveu nas últimas décadas. Esta fonte tem desempenhado importante papel no avanço das fontes alternativas na matriz energética mundial, pois é uma tecnologia já consolidada e viável economicamente. Acompanhando o desenvolvimento tecnológico das fontes alternativas, o gerador de indução tem se destacado dentre as tecnologias de geradores mais adequadas para sistemas isolados de geração de energia elétrica. Com esta motivação, esta tese propõe uma nova configuração de conversão de energia eólica isolada, utilizando turbinas de velocidade variável, na qual o gerador de indução é excitado eletronicamente por meio de um compensador estático. Ainda mais, o gerador é associado a um filtro ativo shunt para a compensação de cargas não-lineares e desbalanceadas e a um banco de baterias para armazenamento de energia e estabilização do barramento cc, comum aos conversores. São discutidos os principais problemas relacionados ao gerador de indução para esta aplicação através da característica de magnetização e do seu modelo dinâmico, com as soluções propostas para mitigar estes problemas. Os resultados práticos e de simulação obtidos comprovam a efetividade da configuração de conversão de energia eólica proposta, mostrando a capacidade de operação do gerador com carga variável e velocidade variável da turbina. Por fim são apresentadas as principais conclusões e sugestões para trabalhos futuros na mesma linha de pesquisa.

Este trabalho tem como objetivo investigar a máquina de indução funcionando como gerador. Para isso, são pesquisadas as normas e requisitos para operação interligada à rede de distribuição até o presente momento. Os parâmetros elétricos referente ao circuito equivalente monofásico da máquina de indução de 15 kW, pertencente a um grupo gerador a biogás, são levantados, realizando-se uma caracterização e modelamento destes parâmetros. Os resultados teóricos obtidos têm o intuito de predizer o comportamento das grandezas elétricas quando o grupo gerador operar em condições nominais, interligado a rede de distribuição. Também, estes resultados teóricos são comparados com valores medidos em ensaios de campo utilizando um motor CC de 10 kW como máquina primária. / This study aims at investigate the induction machine operating as a generator. For this, we researched the standards and requirements for the operation connected to the distribution grid to the present date. The electrical parameters concerning the equivalent circuit per phase of a 15 kW induction machine are raised, this machine is part of a small biogas plant. An appropriate characterization and modeling of these parameters are realized and the theoretical results obtained are intended to predict the behavior of electrical units when the generator is placed at nominal operation. Also, these theoretical results are compared with experimental measurements using a 10 kW DC motor as primary mover.

FundaÃÃo Cearense de Apoio ao Desenvolvimento Cientifico e TecnolÃgico / Na presente tese, propÃe-se um controlador robusto LQG/LTR (Linear Quadratic Gaussian with Loop Transfer Recovery) com aÃÃo integral (LQG/LTRI) em uma nova aplicaÃÃo para o ajuste dos controladores do conversor do lado da mÃquina e do conversor do lado rede elÃtrica em um sistema de conversÃo eÃlica utilizando um gerador de induÃÃo duplamente alimentado (Doubly-Fed Induction Generator - DFIG). A metodologia de controle proposta assegura a robustez em relaÃÃo à rejeiÃÃo do erro de rastreamento, insensibilidade a variaÃÃes paramÃtricas, alÃm de permitir que erros de medida e modelagem sejam incorporados no projeto. Testes de robustez e desempenho foram realizados para variaÃÃes dos parÃmetros internos da mÃquina e variaÃÃes de referÃncia de velocidade. Resultados de simulaÃÃo e experimentais, obtidos em um protÃtipo de laboratÃrio com uma mÃquina de 2kW sÃo apresentados para validar e demonstrar o bom desempenho e robustez do controlador proposto comparado com os controladores clÃssicos Proporcional-Integral (PI) em um sistema de geraÃÃo eÃlica com mÃquinas DFIG. / It is proposed in this thesis a LQG/LTR robust controller (Linear Quadratic Gaussian with Loop Transfer Recovery) with integral action (LQG/LTRI) in a new application for gain tuning for the rotor side converter and grid side converter in a wind energy conversion system (WECS) with Doubly-Fed Induction Generator(DFIG). The proposed control method assures the robustness with respect to the tracking error rejection, insensitivity to parameter variations and permits that measurement and modeling errors are incorporated in the project. Robustness and performance tests were performed for variations of machine internal parameters and speed. Simulation and experimental results, obtained from a laboratory prototype that uses a 2 kW machine are presented to validate and demonstrate the robustness and performance of the proposed controller through the comparison with the proportional and integral (PI) controller employed in a wind energy conversion system with DFIG.

Darbe atlikti trifazio asinchroninio generatoriaus, sujungto pagal nepriklausomo žadinimo ir pagal susižadinimo schemas, prie įvairių apkrovų eksperimentiniai tyrimai. Pateikti šių tyrimų bei skaičiavimų rezultatai, atlikta jų analizė. Asinchroninio generatoriaus, dirbančio pagal nepriklausomo žadinimo schemą, tyrimų rezultatai rodo, kad jo energetiniai rodikliai nedaug mažesni už nurodytuosius variklio rodiklius. Generatoriaus apvijomis tekant nurodytajai srovei In = 4,7 A, jo atiduodama į tinklą aktyvioji galia P2 = 2,6 kW yra 18,18 % didesnė už nurodytąją variklio galią Pn = 2,2 kW. Asinchroninio generatoriaus, dirbančio pagal susižadinimo schemą esant pastoviam jo sukimo greičiui (n = const) ir kondensatorių talpai (C = = const), tyrimai rodo, kad šio generatoriaus energetiniai rodikliai yra ženkliai mažesni už nurodytuosius variklio rodiklius. Didėjant generatoriaus apkrovai gana sparčiai mažėja jo fazinė įtampa. Generatoriaus didžiausia apkrovos srovė I1 = 2,68 A, kuri buvo išmatuota esant sukimo greičiui n = 2000 min-1 = const ir kondensatorių talpai C = 120 μF = const, yra 43 % mažesnė už nurodytąją variklio srovę. Todėl galima teigti, kad asinchroninis generatorius, dirbantis pagal susižadinimo schemą, nebus pilnai išnaudotas. Atlikti tyrimai rodo, kad asinchroninį generatorių, dirbantį pagal susižadinimo schemą, galima daugiau apkrauti didinant jo įtampą. Kad tai pasiekti, reikia, didinant generatoriaus apkrovą, atitinkamai didinti jo sukimo greitį arba (ir)... [toliau žr. visą tekstą] / The present work presents an experimental research of a three-phase induction generator which was connected using separate excitation and self-excitation schemes under various loads. The results of the research and the calculations are provided and analyzed. The research results obtained from the separately excited induction generator show that its energetic indicators are not significantly lower than the provided motor indicators. When the rated current In = 4,7 A flows through the windings of the generator, its released active power P2 = 2,6 kW is greater than the rated motor power Pn = 2,2 kW by 18,18 %. The research on a self-excited induction generator with a constant revolution speed (n = const) and capacity of its capacitors (C = const) shows that the energetic indicators of this generator are of significantly lower values than the provided motor indicators. When the load of the generator is increased, its phase voltage decreases rather rapidly. The maximum load current I1 = 2,68 A of the generator was measured under the following conditions: the rotational speed n = 2000 min-1 = const and the capacity of the capacitors C = 120 μF = const. The results showed that it was 43 % less than the rated motor current. Therefore, it can be concluded that a self-excited induction generator will not be exploited to its full capacity. The carried out research shows that it is possible to increase the load of a self-excited induction generator by increasing its voltage. It is... [to full text]

Nesta tese apresenta-se o desenvolvimento de diversos modelos computacionais de turbinas eólicas equipadas com diferentes tipos de geradores elétricos, com ênfase no gerador de indução duplamente alimentado. Tais modelos foram desenvolvidos para investigar o desempenho de diferentes estratégias de controle, bem como diferentes estratégias do uso do sistema de proteção do conversor AC/DC/AC. Desenvolveu-se adicionalmente um método analítico para investigar a estabilidade de geradores de indução duplamente alimentados durante grandes perturbações na rede elétrica. Tal método foi validado por meio de comparações entre os resultados da aplicação das fórmulas propostas e de simulações, utilizando uma simplificação dos modelos dinâmicos desenvolvidos. Considerando os modelos dinâmicos, os resultados obtidos por simulações mostram que as escolhas adequadas da estratégia de controle e do sistema de proteção permitem maior injeção de potência reativa durante curto-circuitos na rede elétrica. O método analítico proposto apresentou resultados suficientemente precisos para análise da estabilidade frente a grandes perturbações, reduzindo o esforço necessário para realização de simulações dinâmicas sem a necessidade de compra de licenças de programas específicos. / The development of computational models of wind turbines equipped with different electrical machines is presented in this thesis, emphasizing the doubly fed induction generator. Such models were developed to investigate the performance of different control strategies as well as different protection system of the back-to-back converters. Additionally, this thesis present an original analytic method to investigate the stability of doubly fed induction generators during large disturbance on the electric system. The methodology is validated by comparing results from the developed dynamic models to the results from the analytical equations. For the dynamic models, the obtained results by simulations show that the chosen of the appropriate control strategies and the protection system can permit more reactive power injection during short circuits in the network. The proposed analytic method is sufficiently precise to analyze large disturbance stability reducing the necessary effort spending on dynamic simulation without the need of buying a specific license to run the software.