Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2013. / Wind energy has proven to be a viable source of clean energy, and the worldwide demand is growing rapidly. Variable speed topologies, with synchronous generators and full-scale converters, are becoming more popular, and the e ective control of these systems is a current trend in wind energy research. The purpose of this study is the modelling, design, simulation and implementation of a small-scale, variable speed wind energy conversion system, incorporating the position sensorless direct torque control with space vector modulation, of a permanent magnet synchronous generator, including an RLC converter lter. Another aim is the development of a gain scheduling algorithm that facilitates the high level control of the system. Mathematical models of the combined lter-generator model, in the stationary and rotating reference frames, are presented and discussed, from which equivalent approximate transfer functions are derived for the design of the controller gains. The design of the controller gains, RLC lter components, gain scheduling concept and maximum power point tracking controller are presented. It is discovered that the RLC lter damping resistance has a signi cant e ect on the resonance frequency of the system. The system is simulated dynamically in both Simulink and the VHDL-AMS programming language. Additionally, the maximum power point tracking controller is simulated in the VHDL-AMS simulation, including a wind turbine simulator. The simulation results demonstrate good dynamic performance, as well as the variable speed operation of the system. The practical results of torque and speed controllers show satisfactory performance, and correlate well with simulated results. The detailed gain scheduling algorithm is presented and discussed. A nal test of the complete system yields satisfactory practical results, and con rms that the objectives of this thesis have been reached.

Made available in DSpace on 2016-08-31T13:33:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DaniloSP_DISSERT.pdf: 1541140 bytes, checksum: a3ab0c19a32a7eaf392690513de9a9a5 (MD5) Previous issue date: 2015-07-18 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The objective of this study is to evaluate different strategies for adaptive control in order to contribute to better performance controllers with synchronous generators with uncertainties of the parameters or disturbances. The permanent magnet synchronous generators are growing in the market for wind power generation, this being the necessary motivation for choosing this plant. A study and analysis of subsystems of wind energy conversion are performed, and the model of the wind turbine, the mechanical transmission system and synchronous generator are described. The project strategy with conventional control is performed and will be the target of comparison for the implemented adaptive control strategies / O objetivo deste trabalho é avaliar diferentes estratégias de controle adaptativo a fim de contribuir para a melhoria do desempenho de controladores de geradores síncronos com incertezas dos parâmetros ou perturbações. Os geradores síncronos de ímã permanente estão crescendo rapidamente no mercado de geração de energia eólica, sendo a motivação necessária para a escolha desta planta. Um estudo e análise dos subsistemas de conversão de energia eólica são realizados, sendo descrito o modelo da turbina eólica, do sistema de transmissão mecânico e do gerador síncrono. O projeto com estratégia de controle convencional é abordado e será alvo de comparação para as estratégias de controle adaptativo implementadas

This thesis is a study on an unconventional slow speed direct drive permanent magnet (PM) generator. Unlike a standard permanent magnet synchronous generator (PMSG) which has the copper coils wound around iron teeth, the work in this thesis will present a generator where the copper coils are directly mounted on the stator which eliminates the slots and teeth in the generator. By having a slotless design it is possible to eliminate cogging torque, iron losses in teeth and achieve a lightweight design. These characteristics can prove useful when developing generators for an application such as wind turbines, or more specifically vertical axis wind turbines (VAWTs) in remote areas where weight and serviceability is of concern. This thesis consists of two main parts where the main focus was on the design and simulation of slotless generators. The second part of the thesis was to investigate an available slotless axial flux machine. For the simulations, three different models were created in 2D using CAD software. Two of the models were double-rotor slotless generators and one was a single rotor variant. The electromagnetic properties of these models were analysed using FEMM and COMSOL. The results showed that the double rotor variant with the smaller magnets were more favourable considering the price of magnets and no iron core losses. The experimental results of the axial flux machine gave insight into the construction of commercially available axial slotless generators which could be used to further analyse these types of machines.

No description available.

Ce travail présente une méthodologie de Conception Optimale Intégrée (COI) d'un système éolien entièrement passif pour offrir un compromis coût-fiabilité–performance très satisfaisant. En l'absence d'électronique de puissance et de contrôle par MPPT, le dispositif n'est efficace que si l'adaptation des constituants est optimale. L'extraction de vent ainsi que les pertes globales du système sont donc optimisées à l'aide d'un algorithme génétique multicritère pour augmenter l'efficacité énergétique et minimiser la masse pour un profil de vent donné. La globalité du système (turbine – génératrice – redresseur - stockage) a été modélisée pour parvenir aux résultats d'optimisation et à la réalisation d'un prototype correspondant à une solution particulière. Les résultats obtenus montrent, d'une part, la cohérence entre modèles et expérience. D'autre part, il est possible, pour un profil de vent donné, d'obtenir une configuration optimale de l'ensemble génératrice – pont redresseur présentant des caractéristiques analogues à celles d'architectures « actives" plus complexes, associées à des lois de contrôle par MPPT. Suite à une analyse de sensibilité des performances aux paramètres, une de nos contributions concerne une approche de conception intégrant les questions de robustesse au sein même du processus d'optimisation. / This work deals with an Integrated Optimal Design (IOD) methodology of a full passive wind turbine system offering very good tradeoff in terms of cost, reliability and performance. Without active electronic device (power and MPPT control), efficiency of such architecture can only be obtained if all devices are mutually adapted: this can be achieved through an Integrated Optimal Design (IOD) approach. Wind energy extraction as whole losses are then optimized from a multiobjective genetic algorithm which aims at concurrently optimizing the energy efficiency while reducing the weight of the wind turbine system given a wind cycle. The whole system (turbine, generator, diode reducer, battery DC bus) has been modeled to obtain optimization results and finally to select a particular solution for an experimental validation. On the one hand, the obtained results put forward coherency between models and experience. On the other hand, given a reference wind cycle, it is possible to obtain optimal devices (generator – reducer – DC bus) whose energy efficiency is nearly equivalent to the ones obtained with active and more complex systems with MPPT control. Based on a sensitivity analysis of performance versus parametric uncertainties, one major contribution deals with a design methodology integrating robustness issues inside the optimization process.

Στις μέρες μας το ενεργειακό πρόβλημα αποτελεί ένα από τα σπουδαιότερα προβλήματα του πλανήτη, το οποίο μαζί με την ραγδαία κλιματική αλλαγή οδηγούν στην ανάγκη για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με όσο πιο οικονομικό αλλά και φιλικό με το περιβάλλον τρόπο. Συνεπώς οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας και κυρίως η αιολική ενέργεια αποκτούν σπουδαίο ρόλο στο στόχο αυτό και αλλάζουν άρδην τόσο τον Ευρωπαϊκό όσο και τον Παγκόσμιο ενεργειακό χάρτη. Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάμε μια διάταξη ανεμογεννήτριας, η οποία αποτελείται από μια σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη (PMSG), από έναν μετατροπέα συχνότητας (back-to-back converter) και από ένα R-L φίλτρο στην πλευρά του δικτύου. Επιπλέον, η απουσία μηχανικών εξαρτημάτων στην σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη (PMSG), όπως δακτυλίων ολισθήσεως και ψηκτρών, την κάνει, ελαφρότερη, με υψηλότερο λόγο ισχύος προς βάρος γεγονός που της προσδίδει μεγαλύτερη αποδοτικότητα και αξιοπιστία. Λόγω των προαναφερθέντων πλεονεκτημάτων, η σύγχρονη μηχανή με μόνιμο μαγνήτη (PMSG) αποτελεί μια ελκυστική λύση για τα αιολικά συστήματα. Σκοπός λοιπόν αυτής της εργασίας είναι να μελετήσουμε το πλήρες σύστημα της ανεμογεννήτριας στο d-q στρεφόμενο σύστημα κάθετων αξόνων μέσω του μετασχηματισμού Park και να εφαρμόσουμε την κατάλληλη μεθοδολογία ελέγχου ούτως ώστε να επιτύχουμε μέγιστη απομάστευση ισχύος από τον άνεμο με ταυτόχρονη ρύθμιση της τάσης της dc διασύνδεσης αλλά υπό μοναδιαίο συντελεστή ισχύος για την πλευρά του δικτύου. Τέλος, προσομοιώνουμε το πλήρες σύστημα με το Simulink του Matlab και στη συνέχεια παρουσιάζουμε τις αποκρίσεις των προσομοιώσεων και εξάγουμε συμπεράσματα. / Nowadays the energy problem is one of the most important global problems, which together with the rapid climate change lead to the need for power generation as more economical and environmentally friendly way. Therefore, the Renewable Energy Sources and especially wind power have a great role in this objective and radically change both the European and the global energy map. In this thesis we consider a wind turbine device, which comprises a permanent magnet synchronous machine (PMSG), a frequency converter (back-to-back converter) and an R-L filter on the grid side. Thus, the absence of mechanical parts in permanent magnet synchronous machine (PMSG), as sliding rings and brushes, to make, lighter, with a higher power to weight ratio which gives greater efficiency and reliability. Due to the above advantages, the permanent magnet synchronous machine (PMSG) is an attractive solution for the wind. Aim of this thesis is to study the complete wind turbine system in the d-q rotating vertical axes system through the Park transformation and to apply the appropriate control methodology in order to achieve maximum energy harvesting from the wind, with a simultaneous control of the dc link voltage under unit power factor for the grid side. Finally, we simulate the complete system with the Matlab Simulink and then we present simulations of the responses and draw conclusions.

Small signal oscillation has been always a major concern in the operation of power systems. In a generator, the electromechanical coupling between the rotor and the rest of the system causes it to behave in a manner similar to a spring mass damper system. Following any disturbance, such as sudden change in loads, actuations in the output of turbine and faults etc. it exhibits an oscillatory behaviour around the equilibrium state. The use of fast acting high gain AVRs and evolution of large interconnected power systems with transfer of bulk power across weak transmission links have further aggravated the problem of these low frequency oscillations. Small oscillations in the range of about 0.1Hz to 3.5Hz can persist for long periods, limiting the power transfer capability of the transmission lines. These oscillations can be reduced by incorporating auxiliary controllers on generator excitation system. Power System Stabilizers (PSSs) were developed to produce additional damping by modulating the generator excitation voltage. Designing effective PSS for all operating conditions especially in large interconnected power systems still remains a difficult and challenging task. More and more power electronic based controllers have been and will be used in power systems. Many of these controllers such as Static Var Compensators (SVCs), Static Synchronous Compensators (STATCOMs) and Unified Power Flow Controllers (UPFCs) etc., are incorporated in power transmission networks to improve its operational capability. In addition, some of the energy storage systems such as Battery Energy Storage systems (BESS), Super conducting Magnetic Energy Storage System (SMES) as well large non-conventional energy sources are also increasingly being integrated with the power grid. With large integration of these devices, there is a significant impact on system stability, more importantly on small signal oscillatory instability of the power system. This thesis primarily focuses on impact of such devices on small signal oscillatory stability of the power systems. More specifically in this thesis small signal stability analysis of a Single Machine Infinite Bus (SMIB) system with a grid connected wind powered Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) has been presented. A SMIB system has been purposely chosen so that general conclusions can be obtained on the behaviour of the embedded STATCOM/Energy Source (ES) system on system stability. With a better understanding of the impact of such a system it would be probably possible to analyze more complicated multimachine power system and their impact on system stability. Small signal model of the complete system which comprises the generator, transmission network, inter connecting STATCOM, the wind power generator and all associated controllers has been developed. The performances of the system following a small disturbance at various operating conditions have been analyzed. To obtain quantitative estimates of the damping and synchronizing torques generated in the system, expressions for damping and synchronizing torque clients have been developed. With these analyses, the relative impact of the STATCOM and STATCOM with ES on system performance have been assessed. It is shown that with active and reactive power modulation capabilities effective and efficient control of small signal oscillations in power systems can be achieved.

De nos jours, l’exploitation des énergies renouvelables afin de générer de l’électricité est en croissance soutenue puisqu’elles sont à ressource illimitée, gratuites et ne provoquent pas de déchets ou d’émissions polluantes. Dans cette thèse, on se propose d’étudier l’un de ces types d’énergie à savoir l’énergie issue des courants marins. Il s’agit plus particulièrement de s’intéresser à la commande tolérante aux défauts des systèmes de récupération de l’énergie des courants marins. Le potentiel de la production d'électricité à partir des courants marins est estimé à une production de 100 GW dans le monde. Cependant, ces chaînes de conversion d’énergie sont exposées et soumises à des contraintes fonctionnelles et environnementales importantes et sévères. Ces contraintes favorisent inévitablement la dégradation des performances des différents blocs fonctionnels de ces systèmes et l’accélération de leur processus de vieillissement, conduisant ainsi à l’apparition des défauts d’origines mécaniques et/ou électriques. Ainsi, la mise en place des techniques de commande tolérantes aux défauts de ces systèmes permettra d’améliorer la fiabilité, les performances et réduire les coûts relatifs au fonctionnement en mode dégradé et aux opérations de maintenance. Le but des travaux de cette thèse est l’étude, la modélisation et la simulation d’une chaîne de conversion hydrolienne à vitesse variable dans le cas sain et le cas d’un défaut (soit au niveau de la machine synchrone à aimants permanents (défaut de la désaimantation) ou au niveau du convertisseur statique (défaut d’un circuit ouvert d’un interrupteur). Il s’agira donc d’étudier les différentes commandes tolérantes aux défauts utilisées en cas d’un défaut au niveau de la génératrice ou au niveau de l’électronique de puissance associée. / Nowadays, the exploitation of renewable energies in order to generate electricity is growing steadily because they are unlimited resources, free and don’t cause waste or polluting emissions. In this context, it is proposed to study one of these types of energy, which is marine currents energy. In particular, we are interested in fault-tolerant control of tidal turbines. The potential for power generation from marine currents is estimated at 100GW in the world. However, tidal turbines are submitted to severe operational and environmental constraints. These constraints inevitably will lead to these systems performance degradation and the acceleration of their aging process, thus leading to the occurrence of mechanical and/or electrical faults. The implementation of fault-tolerant control techniques will improve the tidal turbines reliability, performance, and reduce costs relating to maintenance operations. The aim of this thesis is to study, model, and simulate a tidal turbine system in healthy and faulty conditions (either in the converter (switch open circuit) or in the permanent magnet synchronous generator (magnet failure). Various fault-tolerant control approaches are therefore evaluated and compared under these specific failure It will therefore be necessary to study the various fault-tolerant controls used in the event of a fault in the generator or in the associated power electronics.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και τη μοντελοποίηση ενός αιολικού συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας βασισμένο σε σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη (PMSG). Ειδικότερα, παρουσιάζονται και αναλύονται όλα τα τμήματα που αποτελούν το αιολικό σύστημα καθώς και οι λογικές ελέγχου που ακολουθήθηκαν για την αποτελεσματική λειτουργία του. Επιπλέον, μελετάται και μοντελοποιείται μια διάταξη αποθήκευσης ενέργειας από την οποία πλαισιώνεται το αιολικό σύστημα κατά την αυτόνομη λειτουργία του. Τέλος, παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης της λειτουργίας του συστήματος, σε σύνδεση με το δίκτυο και κατά την αυτόνομη λειτουργία του. Για την ανάπτυξη του μοντέλου και την προσομοίωση χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα Simulink/Matlab. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται αναφορά στο ενεργειακό πρόβλημα και μια γενική εισαγωγή στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Επιπλέον, δίνονται διάφορες πληροφορίες γύρω από την αιολική ενέργεια και αναλύονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της χρήσης ανεμογεννητριών. Επίσης, παρουσιάζεται η δομή μιας ανεμογεννήτριας και παραθέτονται διάφοροι τύποι ανεμογεννητριών, ενώ δίνονται και οι βασικές σχέσεις μετατροπής της αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται ανάλυση κάθε τμήματος της ανεμογεννήτριας (πτερωτή, σύστημα μετάδοσης κίνησης, γεννήτρια) και παρατίθενται οι εξισώσεις που περιγράφουν τη λειτουργία τους. Επιπρόσθετα, παρουσιάζεται ο τρόπος μοντελοποίησης του κάθε τμήματος στο περιβάλλον του Simulink. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στη μελέτη της σύγχρονης γεννήτριας μόνιμου μαγνήτη καθώς παρουσιάζεται με λεπτομέρεια η δομή της καθώς και οι αρχές που διέπουν τη λειτουργία της. Τέλος, δίνονται όλα τα χαρακτηριστικά μεγέθη της ανεμογεννήτρια που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία. Στο Κεφάλαιο 3 αρχικά, γίνεται μια γενική παρουσίαση των στοιχείων που αποτελούν τους μετατροπείς, ενώ στη συνέχεια παρουσιάζονται οι βασικές κατηγορίες μετατροπέων που υπάρχουν και αναφέρονται μερικοί βασικοί τύποι μετατροπέων που βρίσκουν εφαρμογή σε αιολικά συστήματα γενικότερα. Έπειτα, το κεφάλαιο επικεντρώνεται στους μετατροπείς που χρησιμοποιήθηκαν στο αιολικό σύστημα της παρούσας εργασίας καθώς εξηγείται ο τρόπος λειτουργίας τους και παρουσιάζεται ο τρόπος μοντελοποίησης τους στο Simulink. Έμφαση δόθηκε στον dc/dc μετατροπέα ανύψωσης τάσης που χρησιμοποιήθηκε, όπου γίνεται διαστασιολόγηση και παρουσιάζεται μια μικρή προσομοίωση της λειτουργίας του. Τέλος, παρουσιάζεται, επίσης, το φίλτρο που τοποθετείται στην έξοδο του αντιστροφέα. Στο Κεφάλαιο 4 περιγράφονται αναλυτικά η τεχνική διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM) και η τεχνική της ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών (SPWM), οι οποίες και εφαρμόστηκαν για την παλμοδότηση των μετατροπέων. Στη συνέχεια, περιγράφονται αναλυτικά οι μηχανισμοί ελέγχου που εφαρμόστηκαν με τη βοήθεια PI ελεγκτών, τόσο στην πλευρά της μηχανής (dc/dc μετατροπέας ανύψωσης τάσης) όσο και στον αντιστροφέα του αιολικού συστήματος. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του αιολικού συστήματος σε σύνδεση με το δίκτυο. Το σύστημα προσομοιώνεται για δύο περιπτώσεις, σε πρώτη φάση γίνεται προσομοίωση του συστήματος υπό σταθερή ταχύτητα ανέμου ίση με 12 m/s και σε δεύτερη φάση προσομοιώνεται η λειτουργία του συστήματος για βηματικές μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου. Στο Κεφάλαιο 6 μελετάται η αυτόνομη λειτουργία του αιολικού συστήματος το οποίο, πλέον, πλαισιώνεται με μια διάταξη αποθήκευσης ενέργειας. Αρχικά, παρουσιάζεται το σύστημα αποθήκευσης ενέργειας που χρησιμοποιήθηκε. Συγκεκριμένα η συστοιχία μπαταριών της οποίας δίνονται τα χαρακτηριστικά μεγέθη, καθώς και το μοντέλο της στο Simulink. Επίσης, παρουσιάζεται και μοντελοποιείται ο dc/dc μετατροπέας δύο κατευθύνσεων ο οποίος συνδέει τη συστοιχία με το υπόλοιπο σύστημα. Στη συνέχεια, περιγράφεται αναλυτικά ο μηχανισμός ελέγχου που εφαρμόζεται στη διάταξη αποθήκευσης ενέργειας για τον έλεγχο της φόρτισης/εκφόρτισης. Στο τέλος του κεφαλαίου παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του αυτόνομου αιολικού συστήματος για σταθερή ταχύτητα ανέμου-μεταβαλλόμενο φορτίο και για μεταβαλλόμενο άνεμο-σταθερό φορτίο. / In this thesis, a wind energy conversion system (WECS) based on a permanent magnet synchronous generator (PMSG) was studied and simulated. All parts of the WECS are presented and discussed in detail. Furthermore, control strategies for the generator-side converter and the voltage source inverter are developed. The WECS is simulated both in grid connected and stand-alone mode. In the stand-alone mode, the WECS is supplied with an energy storage system for which a bi-directional buck/boost converter and control strategy was designed. Finally, simulation results are presented and performance of the system in various modes of operation is evaluated. Simulink/Matlab is used for modeling and simulating the WECS. At the beginning of Chapter 1, a discussion of energy crisis and renewable energy sources is held. Furthermore, information about wind energy has been reviewed and its benefits and drawbacks are examined. In addition, the structure of a wind turbine and the principles of converting wind energy into electricity are presented. In Chapter 2 all parts of the wind turbine are studied and its characteristics are specified. Even more, the model of every part in Simulink is presented. Theoretical background, structure and operation principles of PMSG are presented in detail. In Chapter 3, firstly a general presentation of converters components takes place. Then the major existing categories of converter are presented and some basic types of converters, which are generally used in WECS, are mentioned. Moreover, the chapter focuses on the converters that are used in this thesis, explaining the way they operate. After all, their models in Simulink are shown. Emphasis was given to the dc/dc boost converter whose parameters are calculated and its operation is simulated. Finally, there is a presentation of the filter which was placed at the output of the inverter. In Chapter 4, Pulse-width Modulation (PWM) and Sinusoidal Pulse-width Modulation (SPWM) techniques that are used in this thesis are described. Moreover, the control strategy for the generator-side converter with maximum power extraction is presented. The control strategy of the voltage sourced inverter is shown as well. In Chapter 5 simulation results of the grid connected WECS are presented and evaluated. On the first part of the presentation, the WECS is simulated for constant wind speed (12m/s), and in the second part for step-changed wind speed. In Chapter 6 the stand-alone operation of the WECS is studied and supplied with an energy storage system. Initially, there is an analysis of the energy storage system, which was used, and in particular the battery bank, whose characteristics are given. Moreover, a Bi-directional dc/dc Buck-Boost converter which is used to interconnect the battery bank to the dc-link is presented and modeled. Afterwards, there is a detailed description of the control strategy used in order to control charging / discharging of the battery bank. At the end of this chapter, simulation results of two different stand-alone operation modes are presented, one with constant wind speed and variable load and the other one with step-changing wind speed and constant load.