Este trabalho apresenta um sistema de controle com o objetivo de atenuar as ondulações do torque eletromagnético considerando os harmônicos de quinta, sétima, décima primeira e décima terceira ordem da tensão do estator do Gerador de Indução Duplamente Alimentado (GIDA). Dessa maneira, propõe-se a utilização de controladores proporcional-integrativo vetoriais juntamente com um sistema de identificação dos componentes harmônicos da corrente do estator empregando a transformada discreta de Fourier. O trabalho aborda a influência dos harmônicos de quinta, sétima, décima primeira e décima terceira ordem da tensão do estator nos harmônicos da corrente do estator, nas ondulações do torque eletromagnético e nas potências ativa e reativa do estator. Resultados de simulação avaliam o controlador proposto em condições adversas: variações paramétricas e da frequência da rede, além da influência de atrasos na corrente do estator. Finalmente, resultados experimentais validam o sistema proposto. / This work presents a vector controller with the objective of reducing the electromagnetic torque and the active and reactive powers of the stator by means of control of the harmonics of the stator current in harmonic conditions of fifth, seventh, eleventh and thirteenth order of the stator voltage. The objective of the work is to propose a controller that uses two techniques already consolidated in the literature, proportional-integrative and discrete Fourier transform, besides being robust the main disadvantages of the existing harmonic controllers in the literature that are dependencies of the parameters of the machine and the Frequency of the network beyond the influence of the stator current delays on the harmonic controller. First, the influence of the fifth, seventh, eleventh, eleventh and thirteenth order harmonics of the stator voltage on the harmonics of the stator current and on the undulations of the electromagnetic torque and the active and reactive powers of the stator are studied. Next, simulation results evaluate the proposed controller under adverse conditions: parametric variations and the frequency of the network, besides the influence of stator current delays. Finally, experimental results validate the controller under conditions that the controller reference is nonzero.

A captação de energia eólica tem sido alvo de estudos em todo o mundo nas últimas décadas devido aos incentivos pela busca por geração de energia por meio de fontes alternativas. A configuração mais utilizada atualmente são as turbinas de três pás com eixo horizontal, upwind, operando com velocidade variável com limitação de potência por variação de passo, e utilizando o gerador de indução de dupla alimentação. A operação em velocidade variável com atuação no ângulo de passo permite a máxima captação de energia para as diferentes velocidades de vento, enquanto evita que a turbina ultrapasse o seu valor nominal de potência. O uso de conversores permite o controle das correntes do rotor, variando sua velocidade, e o controle da potência reativa de estator, e a montagem do tipo back-to-back permite que o fluxo de energia do rotor flua para a rede ou da rede. A modelagem matemática do sistema foi toda referenciada no referencial síncrono com notação vetorial e orientação de fluxo de rede, simplificando os modelos matemáticos. Para a montagem dos controladores foi utilizado o método de Controle de Modelo Interno e de Resistência Ativa. A montagem de todo o sistema para simulação foi realizada no Matlab/Simulink, e seu desenvolvimento é mostrado no decorrer do trabalho. Este trabalho analisa o fluxo de energia do sistema, desde a energia captada pelo vento até a energia entregue à rede. Para isso, são feitas análise dos fluxos das potências ativa e reativa do sistema, para fator de potência unitário, indutivo e capacitivo e para os mais recorrentes comportamentos do vento. Também são feitas análises a respeito dos regimes de operação do sistema, definidos a partir da relação entre os fluxos de potência, concluindo que a máquina poderá operar como gerador ou motor, devido principalmente à intensidade da variação do vento. / The use of wind energy has been the subject of studies around the world in recent decades due to the incentives to search for power generation through alternative sources. The most widely used configuration has been the three blades with horizontal axis and upwind turbine, operating in variable speed with power limitation by varying the pitch angle, and using the doubly fed induction generator configuration. The variable speed operation with power limitation enable for maximum energy harvesting for different wind speeds and prevents the turbine exceeds its nominal power. The use of converters allows for control of the rotor currents, varying the speed, and stator reactive power, and assembling type back-to-back allows for the rotor energy flux to flow into and out of the grid. Mathematical modeling of the whole system was referenced in the synchronous reference frame with vector notation and oriented by the grid flux, simplifying the mathematical models. For installation of the drivers, were used the Internal Model Control and Active Damping methods. The assembly of the entire system for simulation was conducted on Matlab / Simulink, and its step to step is shown in this work. This study analyzes the energy flow of the system, from the energy harvest from de wind to the energy delivered to the grid. To reach this, flow analysis of active and reactive power of the system is done, using unity, inductive and capacitive power factor, for the most recurrent wind behaviors. Analysis are made about the operation regimes of the system, defined as the relationship between the power flows, concluding that the machine can operate as a generator or motor, mainly due to the variation of the wind intensity.

Com o aumento da penetração da energia eólica nos sistemas de potência, critérios cada vez mais rigorosos vem sendo estabelecidos ao longo do tempo para a conexão e operação das plantas eólicas nas redes elétricas. A evolução das tecnologias empregadas em turbinas possibilitou o atendimento a esses critérios, passando do conceito dinamarquês de turbinas de velocidade fixa para turbinas de velocidade variável, que possibilitam melhor aproveitamento da energia disponível nos ventos e maior capacidade de controle das grandezas envolvidas. Neste trabalho, foram analisados diferentes tipos de controle de um gerador de indução duplamente alimentado (DFIG) e a influência dessa máquina nos níveis de tensão de uma rede de subtransmissão à qual está conectada. Os resultados mostram que os tipos de controles indicados para a operação da planta eólica podem variar sensivelmente de acordo com o carregamento e a velocidade do vento em um determinado momento. O crescimento de carga esperado da rede também pode influenciar na estratégia de controle da planta. / With the increased penetration of wind energy in electrical power systems, increasingly stringent grid codes have been stablished over time for the connection and operation of wind power plants. The evolution of the technologies applied in wind turbines allowed meeting these criteria, moving from the Danish concept of fixed-speed turbines to variable-speed wind turbines, which enable better use of the available wind power and greater control of the variables involved. This study analyzes different control strategies of a doubly-fed induction generation (DFIG) and the influence of this machine in the voltage profile of a subtransmission system to which it is connected. The results show that the types of control suitable for the operation of the wind power plant may vary considerably according to the load and the wind speed at a given time. The expected load growth of the network can also influence in power plant control strategy.

A inserção de geradores distribuídos nas redes de distribuição de energia elétrica está aumentando consideravelmente devido à possibilidade de maior proximidade destes geradores com os mercados consumidores, fatores ambientais, aprimoramentos das tecnologias atuais de geração de energia elétrica e desenvolvimentos de outras novas, alterações de legislações e incentivos governamentais. Este novo cenário traz também a necessidade de maior atenção devido à possibilidade de ocorrência de ilhamentos não intencionais. Nestas situações, o gerador distribuído deve ser desconectado imediatamente após a detecção do evento. Métodos tradicionais, como relés de tensão e de frequência, mostram bom desempenho quando há um elevado desbalanço entre as potências geradas e as potências das cargas ilhadas. Nos casos de pequenos desbalanços de potência, o ilhamento pode não ser detectado por esses métodos. Neste contexto, este trabalho visa desenvolver um sistema de detecção de ilhamentos em sistemas de distribuição por meio da utilização de uma rede neural artificial do tipo Perceptron multicamadas. Utilizando-se uma rede neural devidamente treinada para o sistema elétrico estudado, obteve-se um bom desempenho na detecção de ilhamento, obtendo-se elevadas taxas de acerto. Além disso, o método proposto foi capaz de diferenciar corretamente situações normais de operação do sistema, tais como chaveamento de blocos de cargas, das situações de ilhamento. Os mesmos cenários foram testados utilizando as proteções convencionais de tensão, frequência e de taxa de variação de frequência, a fim de obter a comparação com o método proposto. Como resultado, o método baseado na rede neural apresentou desempenho superior aos demais sistemas de proteção, detectando o ilhamento dentro da faixa de 2 segundos em todos os casos simulados neste trabalho. / The penetration of distributed generators into the power distribution systems has been increasing significantly due to the possibility of generating power next to the consumers, environmental issues, improvement and development of the generation technologies, regulatory changes and governmental incentives. This new scenario requires special attention to the possibility of unintentional islanding. In this situation, the distributed generator must be disconnected immediately after an islanding occurrence. Traditional anti-islanding protection schemes, such as voltage and frequency-based relays, are effective to detect islanding if there is a big power imbalance between generation and load inside the island. On the other hand, they may fail if the power imbalance is small. In this context, this work presents a new islanding detection method based on a Perceptron Multi-layer neural network. By using a neural network properly trained for the distribution system under study, the method has presented good performance with high islanding detection successful rates. Moreover, the proposed method was capable of distinguish the islanding occurrence from normal transient operating conditions, such as load switching. The same operating scenarios were used to test voltage, frequency and rate of change of frequency protection in order to perform a comparison with the proposed method. As result, the method presented superior performance detecting the islanding faster than 2 seconds in all the cases simulated in this work.

Orientador: Prof. Dr. Alfeu Joãozinho Sguarezi Filho / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, 2015. / This research project presents the active and reactive power control of the Doubly Fed Induction Generator (DFIG) employing fuzzy logic for a wind power generation system, the proposed controller is a Fuzzy Logic Controller Takagi Sugeno type (TS FLC) which determines the rotor voltage by the rules base dened by a linear combination of the membership sets of the rotor current error, that reduces the complexity of the structure and consequently a lower computational cost and its easy to implement on a experimental set compared to other controllers such as Fuzzy Mamdani type. System control is accomplished using Stator Flux Field Oriented Control with Space Vector Modulation and computer simulation using mathematical models implemented in Matlab/Simulink. The results indicates that the FLC TS could be an interesting alternative to conventional controllers in the power control of the DFIG during normal operation conditions and under balanced voltage sags conditions.

Este trabalho apresenta um sistema de controle com o objetivo de atenuar as ondulações do torque eletromagnético considerando os harmônicos de quinta, sétima, décima primeira e décima terceira ordem da tensão do estator do Gerador de Indução Duplamente Alimentado (GIDA). Dessa maneira, propõe-se a utilização de controladores proporcional-integrativo vetoriais juntamente com um sistema de identificação dos componentes harmônicos da corrente do estator empregando a transformada discreta de Fourier. O trabalho aborda a influência dos harmônicos de quinta, sétima, décima primeira e décima terceira ordem da tensão do estator nos harmônicos da corrente do estator, nas ondulações do torque eletromagnético e nas potências ativa e reativa do estator. Resultados de simulação avaliam o controlador proposto em condições adversas: variações paramétricas e da frequência da rede, além da influência de atrasos na corrente do estator. Finalmente, resultados experimentais validam o sistema proposto. / This work presents a vector controller with the objective of reducing the electromagnetic torque and the active and reactive powers of the stator by means of control of the harmonics of the stator current in harmonic conditions of fifth, seventh, eleventh and thirteenth order of the stator voltage. The objective of the work is to propose a controller that uses two techniques already consolidated in the literature, proportional-integrative and discrete Fourier transform, besides being robust the main disadvantages of the existing harmonic controllers in the literature that are dependencies of the parameters of the machine and the Frequency of the network beyond the influence of the stator current delays on the harmonic controller. First, the influence of the fifth, seventh, eleventh, eleventh and thirteenth order harmonics of the stator voltage on the harmonics of the stator current and on the undulations of the electromagnetic torque and the active and reactive powers of the stator are studied. Next, simulation results evaluate the proposed controller under adverse conditions: parametric variations and the frequency of the network, besides the influence of stator current delays. Finally, experimental results validate the controller under conditions that the controller reference is nonzero.

Com o aumento da penetração da energia eólica nos sistemas de potência, critérios cada vez mais rigorosos vem sendo estabelecidos ao longo do tempo para a conexão e operação das plantas eólicas nas redes elétricas. A evolução das tecnologias empregadas em turbinas possibilitou o atendimento a esses critérios, passando do conceito dinamarquês de turbinas de velocidade fixa para turbinas de velocidade variável, que possibilitam melhor aproveitamento da energia disponível nos ventos e maior capacidade de controle das grandezas envolvidas. Neste trabalho, foram analisados diferentes tipos de controle de um gerador de indução duplamente alimentado (DFIG) e a influência dessa máquina nos níveis de tensão de uma rede de subtransmissão à qual está conectada. Os resultados mostram que os tipos de controles indicados para a operação da planta eólica podem variar sensivelmente de acordo com o carregamento e a velocidade do vento em um determinado momento. O crescimento de carga esperado da rede também pode influenciar na estratégia de controle da planta. / With the increased penetration of wind energy in electrical power systems, increasingly stringent grid codes have been stablished over time for the connection and operation of wind power plants. The evolution of the technologies applied in wind turbines allowed meeting these criteria, moving from the Danish concept of fixed-speed turbines to variable-speed wind turbines, which enable better use of the available wind power and greater control of the variables involved. This study analyzes different control strategies of a doubly-fed induction generation (DFIG) and the influence of this machine in the voltage profile of a subtransmission system to which it is connected. The results show that the types of control suitable for the operation of the wind power plant may vary considerably according to the load and the wind speed at a given time. The expected load growth of the network can also influence in power plant control strategy.

A inserção de geradores distribuídos nas redes de distribuição de energia elétrica está aumentando consideravelmente devido à possibilidade de maior proximidade destes geradores com os mercados consumidores, fatores ambientais, aprimoramentos das tecnologias atuais de geração de energia elétrica e desenvolvimentos de outras novas, alterações de legislações e incentivos governamentais. Este novo cenário traz também a necessidade de maior atenção devido à possibilidade de ocorrência de ilhamentos não intencionais. Nestas situações, o gerador distribuído deve ser desconectado imediatamente após a detecção do evento. Métodos tradicionais, como relés de tensão e de frequência, mostram bom desempenho quando há um elevado desbalanço entre as potências geradas e as potências das cargas ilhadas. Nos casos de pequenos desbalanços de potência, o ilhamento pode não ser detectado por esses métodos. Neste contexto, este trabalho visa desenvolver um sistema de detecção de ilhamentos em sistemas de distribuição por meio da utilização de uma rede neural artificial do tipo Perceptron multicamadas. Utilizando-se uma rede neural devidamente treinada para o sistema elétrico estudado, obteve-se um bom desempenho na detecção de ilhamento, obtendo-se elevadas taxas de acerto. Além disso, o método proposto foi capaz de diferenciar corretamente situações normais de operação do sistema, tais como chaveamento de blocos de cargas, das situações de ilhamento. Os mesmos cenários foram testados utilizando as proteções convencionais de tensão, frequência e de taxa de variação de frequência, a fim de obter a comparação com o método proposto. Como resultado, o método baseado na rede neural apresentou desempenho superior aos demais sistemas de proteção, detectando o ilhamento dentro da faixa de 2 segundos em todos os casos simulados neste trabalho. / The penetration of distributed generators into the power distribution systems has been increasing significantly due to the possibility of generating power next to the consumers, environmental issues, improvement and development of the generation technologies, regulatory changes and governmental incentives. This new scenario requires special attention to the possibility of unintentional islanding. In this situation, the distributed generator must be disconnected immediately after an islanding occurrence. Traditional anti-islanding protection schemes, such as voltage and frequency-based relays, are effective to detect islanding if there is a big power imbalance between generation and load inside the island. On the other hand, they may fail if the power imbalance is small. In this context, this work presents a new islanding detection method based on a Perceptron Multi-layer neural network. By using a neural network properly trained for the distribution system under study, the method has presented good performance with high islanding detection successful rates. Moreover, the proposed method was capable of distinguish the islanding occurrence from normal transient operating conditions, such as load switching. The same operating scenarios were used to test voltage, frequency and rate of change of frequency protection in order to perform a comparison with the proposed method. As result, the method presented superior performance detecting the islanding faster than 2 seconds in all the cases simulated in this work.

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.

Made available in DSpace on 2017-07-10T17:11:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Giovano Mayer.pdf: 9964402 bytes, checksum: fa8e2023cd08bf7b10d7d806375b1277 (MD5) Previous issue date: 2012-12-10 / The use of alternative sources of energy requires electromechanical conversion equipments that exhibit low installation, operating and maintenance costs. In such way, small energy resources that are not connect to the power system (PS) can be benefited by the use of squirrel-cage induction generators (IG) which show such characteristics. When operating in an isolated mode, the IG is called SEIG - Self Excited Induction Generator, and in this configuration its self excitation is promoted through the connection of appropriate capacitors to the terminals of the machine stator. The existence of self-excitation in the IG depends on the value of the capacitor connected to the stator, the mechanical velocity and the load. This work aims to study the conditions of existence of self-excitation in induction generators having in mind applications in isolated generators systems. Towards this goal, initially the conditions for the existence of self-excitation are stated in terms of appropriate parameters, units and quantities, so as to highlight its relations with the operative characteristics of the machine. It is considered that the induction generator is connected to a load that contains both reactive and active components, parameterized in terms of its rated power. The self-excitation capacitors are represented by its reactive power, called self-excitation reactive power (PRAE). Self-excitation existence regions are defined which explicitate conditions for the existence and maintenance of self-excitation over, a region of operating conditions (OR) of the generator. Through the analysis of the existence of the self-excitation over the OR and the parameterization of the PRAE and the load in terms or rated power, procedures for SEIG design are established. With these procedures, the design of the SEIG is defined by the maximum load power, the worse load power factor condition, and the minimum self-excitation speed of the generator. The process of self-excitation of the generator and the design procedures are analyzed with the aid of dynamic simulations of the SEIG complete model, including the non linear model of the magnetizing inductance representing the magnetic saturation. A laboratorial bench was developed to allow studies with asynchronous generation, in particular with the SEIG. The parameters of the generator were identified experimentally and used all along the work, especially in the dynamic simulations showed. The results were also compared with experimental data collected from self-excitation tests performed with the developed laboratory bench. / A utilização de fontes alternativas de energia requer equipamentos de conversão eletromecânica que apresentem baixos custos de implantação, operação e manutenção. Desta forma, pequenos recursos energéticos não ligados ao sistema elétrico de potência (SEP) podem ser beneficiados pelo emprego do gerador de indução (GI) com rotor em gaiola, que apresenta tais características. Quando operado de forma isolada, o GI é denominado de SEIG Self Excited Induction Generator, e nesta configuração sua autoexcitação é promovida através do acoplamento de capacitores apropriados aos terminais do estator da máquina. A existência da autoexcitação no GI depende do valor do capacitor conectado ao estator, da velocidade mecânica e da carga. Este trabalho tem por objetivo estudar as condições de existência da autoexcitação em geradores de indução visando sua aplicação em sistemas isolados de geração. Neste sentido, inicialmente as condições de existência de autoexcitação são colocadas em termos de parâmetros, unidades e grandezas apropriadas, a fim de explicitar as relações com as características operativas da máquina. Também é considerado que o gerador de indução é acoplado a uma carga que contém componentes tanto ativos quanto reativos parametrizados em termos de potência. Os capacitores de autoexcitação são representados por sua potência reativa denominada de potência reativa de autoexcitação (PRAE). São definidas regiões de existência de autoexcitação explicitando condições para a existência e a manutenção da autoexcitação em torno de regiões operativas (RO) do gerador. Através da análise da existência da autoexcitação em torno da RO e da representação da PRAE e da carga em termos de potência, são estabelecidos procedimentos de projeto do SEIG. Com estes procedimentos, o dimensionamento do SEIG fica em função da carga máxima a ser acionada, da pior condição de fator de potência da mesma e da velocidade mínima de autoexcitação do gerador. O processo de autoexcitação do gerador e os procedimentos de projeto são analisados com o auxílio de simulações dinâmicas do modelo completo do SEIG, incluindo o modelo não linear da indutância de magnetização representando a saturação magnética. Uma bancada laboratorial foi desenvolvida para possibilitar estudos com geração assíncrona, em particular com o SEIG. Os parâmetros do gerador foram levantados experimentalmente e utilizados em todo o trabalho, inclusive nas simulações dinâmicas apresentadas. Os resultados foram confrontados também com dados experimentais de testes de autoexcitação obtidos com a bancada desenvolvida.