Διάφοροι τύποι αιολικών συστημάτων . Έμφαση σε αιολικά συστήματα με ανεμογεννήτριες μεταβλητής ταχύτητας και κυρίως στην επαγωγική μαχανή διπλής τροφοδοσίας . Περιγραφή του ηλεκτρονικού μετατροπέα που χρησιμοποιείται σε αυτού του είδους το σύστημα . Έλεγχος της ισχύος και προσομοίωση για δύο τύπους ελεγκτών , PI και RST . Σύγκριση των αποκρίσεων . Απόκριση PI ελεγκτή για διάφορα κέρδη . / Different types of wind energy systems . Wind energy systems with variable speed wind turbines are studied . The doubly fed induction generator . Description of the power electronic converter which is used . Power control for two regulator types , PI and RST . We compare the dynamic performances . Dynamic performance for different values of the PI regulator parameters .

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. / -

Technological improvements on wind energy systems with governmental supports have increased the penetration level of wind power into the grid in recent years. The high level of penetration forces the wind turbines stay connected to the grid during the disturbances in order to enhance system stability. Moreover, power system operators must revise their grid codes in parallel with these developments. This work is devoted to the modeling of variable speed wind turbines and the investigation of fault ride trough capability of the wind turbines for grid integration studies. In the thesis, detailed models of different variable speed wind turbines will be presented. Requirements of grid codes for wind power integration will also be discussed regarding active power control, reactive power control and fault ride through (FRT) capability. Investigation of the wind turbine FRT capability is the main focus of this thesis. Methods to overcome this problem for different types of wind turbines will be also explained in detail. Models of grid-connected wind turbines with doubly-fed induction generator and permanent magnet synchronous generator are implemented in the dedicated power system analysis tool PSCAD/EMTDC. With these models and computer simulations, FRT capabilities ofvariable speed wind turbines have been studied and benchmarked and the influences on the grid during the faults are discussed.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την μελέτη και ανάλυση ενός αιολικού συστήματος με ασύγχρονη μηχανή διπλής τροφοδοσίας. Αρχικά, γίνεται μία εισαγωγή στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, με ιδιαίτερη αναφορά στην αιολική ενέργεια. Κατόπιν, περιγράφονται τα κυριότερα ανεμολογικά χαρακτηριστικά οι διάφοροι τρόποι ταξινόμησης των ανεμογεννητριών που υπάρχουν σήμερα, τα δομικά στοιχεία αυτών, καθώς και οι βασικές τεχνικές ελέγχου που εφαρμόζονται σ’ αυτές. Ακολουθεί η γενική παρουσίαση μίας διπλά τροφοδοτούμενης επαγωγικής γεννήτριας. Προκειμένου να γίνει μελέτη των μεταβατικών καταστάσεων, παρουσιάζεται το δυναμικό μοντέλο και ο διανυσματικός έλεγχος μίας διπλά τροφοδοτούμενης επαγωγικής γεννήτριας διπλής τροφοδοσίας. Τέλος, γίνεται η προσομοίωση ενός αιολικού πάρκου, που περιλαμβάνει ανεμογεννήτριες αυτού του τύπου και μελετώνται τα δεδομένα που προκύπτουν για τυχαίες μεταβολές του ανέμου. / The subject of this thesis is the study and analysis of a variable speed wind turbine equipped with a doubly-fed induction generator (DFIG). At first, an introduction is made of the renewable energy sources, with special mention of the wind energy. Then, there is the description of the different types of wind turbines than exist nowadays, their components and their aerodynamic conversion. A general presentation of a doubly-fed induction generator (DFIG) is made. After that, the dynamic model and the vector control doubly-fed induction generator are presented in order to study various transition phenomena. Finally, the simulation of a wind farm that includes wind turbines of this type, is made and we study the effects of sudden changes of the wind speed.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αναλύει και προτείνει κάποιες νέες λύσεις και μεθοδολογίες όσον αφορά στο πρόβλημα της βέλτιστης απομάστευσης ενέργειας από ένα αιολικό σύστημα. Στο πρώτο μέρος, προτείνεται μια νέα μεθοδολογία για τη βελτιστοποίηση της εκμετάλλευσης του ανέμου σε μια συγκεκριμένη περιοχή, καταλήγοντας στη βέλτιστη χωροταξική τοποθέτηση των ανεμογεννητριών σε ένα αιολικό πάρκο. Στο δεύτερο μέρος, ο σκοπός της βελτιστοποίησης είναι η μεγιστοποίηση της παραγόμενης ισχύος για κάθε τυχαία ταχύτητα ανέμου, μέσω της ανάπτυξης βέλτιστων τεχνικών ελέγχου. Και στις δύο περιπτώσεις, η ανάλυση γίνεται με τη χρήση μοντέλων τα οποία αναπτύχθηκαν στο περιβάλλον του προγράμματος Matlab και τον υπολογιστικών εργαλείων που παρέχει αυτό. Τα μοντέλα που δημιουργήθηκαν, μας οδήγησαν σε μια σειρά προσομοιώσεων οι οποίες επαλήθευσαν τη θεωρητική ανάλυση και επιβεβαίωσαν ότι οι πρωτότυπες λύσεις που προτείνονται δίνουν βελτιστοποιημένα αποτελέσματα σε σχέση με αντίστοιχες γνωστές αναλύσεις. Πιο συγκεκριμένα, το πρώτο μέρος αυτής της διατριβής επικεντρώνεται στη βέλτιστη επιλογή τόσο του αριθμού, όσο και της θέσης των ανεμογεννητριών σε μια συγκεκριμένη γεωγραφική περιοχή. Το κριτήριο που χρησιμοποιείται για την βελτιστοποίηση είναι η μέγιστη παραγωγή ενέργειας με το χαμηλότερο κόστος. Στην ανάλυση αυτή, εισάγεται μια νέα διαδικασία προσέγγισης αυτού του προβλήματος με τη χρήση της Μεθόδου Προσομοίωσης Μόντε Κάρλο. Στην παρούσα ανάλυση, όπως και σε παλιότερες αντίστοιχες, χρησιμοποιείται το ίδιο κριτήριο βελτιστοποίησης και γίνονται οι ίδιες παραδοχές, προκειμένου τα αποτελέσματα να είναι συγκρίσιμα. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται είναι πολύ καλύτερα και όσον αφορά στην παραγόμενη ισχύ αλλά και το κριτήριο βελτιστοποίησης. Επιπρόσθετα, εξάγονται σημαντικά συμπεράσματα σχετικά με το μέγιστο αριθμό των ανεμογεννητριών και την χωροταξική τους τοποθέτηση, τα οποία επαληθεύουν ότι η προτεινόμενη μέθοδος είναι ένα λειτουργικό εργαλείο για την απόφαση τοποθέτησης ανεμογεννητριών σε ένα αιολικό πάρκο. Στο δεύτερο μέρος, που είναι και πιο εκτεταμένο, σκοπός είναι η σχεδίαση νέων ελεγκτών υψηλής απόδοσης, οι οποίοι επιτυγχάνουν τη μέγιστη παραγωγή ισχύος για συστήματα ανεμογεννητριών μεταβλητών στροφών. Πιο συγκεκριμένα, αναλύεται ένα σύστημα ανεμογεννήτριας το οποίο αποτελείται από επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού που συνδέεται στο δίκτυο με πλήρως ελεγχόμενο ac/dc/ac μετατροπέα με IGBT στοιχεία. Αρχικά παρουσιάζεται μια ανάλυση των μεθόδων που χρησιμοποιούνται σήμερα για τη μεγιστοποίηση και τον έλεγχο της ισχύος. Με βάση αυτή την ανάλυση, προτείνοντες εναλλακτικές λύσεις που είναι λιγότερο πολύπλοκες, πιο ακριβείς και πιο εύκολα εφαρμόσιμες, ένα γεγονός που αποδεικνύεται μέσω της θεωρητικής ανάλυσης. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκαν και προτάθηκαν κατάλληλα μη γραμμικά μοντέλα για το σύστημα της ανεμογεννήτριας, για την περίπτωση της λειτουργίας υπό μεταβλητή, προσαρμοζόμενη ταχύτητα. Η εκτενής μαθηματική ανάλυση απέδειξε ότι το αρχικό μη γραμμικό σύστημα τηρεί τη θεμελιώδη ιδιότητα των Euler-Lagrange συστημάτων, την παθητικότητα. Αυτό σημαίνει πως το σύστημα έχει απόσβεση τόσο στο ηλεκτρικό όσο και στο μηχανικό μέρος. Επίσης, γίνεται ανάλυση του εφαρμοζόμενου σχήματος του διανυσματικού ελέγχου. Η ανάλυση αυτή αποδεικνύει ότι με κατάλληλη μετατροπή και προσαρμογή των PI ελεγκτών που χρησιμοποιούνται στην πλευρά της γεννήτριας και σημαντικές απλοποιήσεις του σχήματος του παραδοσιακού διανυσματικού ελέγχου, προκύπτουν δύο διαφορετικά σχήματα ελέγχου τα οποία επιτυγχάνουν αυτόματα τον προσανατολισμό στο πεδίο που απαιτείται από το διανυσματικό έλεγχο, ενώ διατηρούν και αυξάνουν την απόσβεση του αρχικού συστήματος. Οι έλεγχοι αυτοί επιτυγχάνουν εξαιρετική ρύθμιση των στροφών λειτουργίας της γεννήτριας σύμφωνα με την ταχύτητα του ανέμου, έτσι ώστε να οδηγούν στη βέλτιστη λειτουργία, δηλαδή αυτή της μέγιστης δυνατής εξαγόμενης ισχύος. Το πρώτο σχήμα ελέγχου είναι απευθείας συγκρίσιμο με τις υπάρχουσες εφαρμογές του διανυσματικού ελέγχου, ενώ το δεύτερο εισάγει μια πρωτοποριακή τεχνική, η οποία βελτιώνει σημαντικά την απόκριση του συστήματος. Ανάλογες βελτιώσεις προτείνονται και για την πλευρά του μετατροπέα προς την πλευρά της σύνδεσης με το δίκτυο της ηλεκτρικής ενέργειας. Και για αυτή την περίπτωση αποδεικνύεται ότι ο προτεινόμενος σχεδιασμός μπορεί να δώσει απλοποιημένα σχήματα ελέγχου πολύ αποδοτικά όμως για τη διαμόρφωση της ποιότητας της παραγόμενης ισχύος Έτσι, επιτυγχάνεται πλήρης αντιστάθμιση της αέργου ισχύος με λειτουργία μοναδιαίου συντελεστή ισχύος της ανεμογεννήτριας. Επιπρόσθετα, επιτυγχάνεται η σαφής σταθεροποίηση της λειτουργίας της διασύνδεσης συνεχούς ρεύματος σε λειτουργία σταθερής dc τάσης. Οι αναλυτικές προσομοιώσεις οι οποίες διεξήχθησαν, βασίζονται σε ρεαλιστικά σενάρια λειτουργίας. Σύμφωνα με αυτά η απαίτηση για ρύθμιση της ταχύτητας στην βέλτιστη τιμή της συμβαίνει την ίδια χρονική στιγμή που εμφανίζεται αλλαγή της παρεχόμενης ισχύος και ροπής από τον άνεμο. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης επαληθεύουν τη θεωρητική ανάλυση και δείχνουν ότι και τα δύο προτεινόμενα σχήματα ελέγχου επιτυγχάνουν μεγιστοποίηση στην παραγωγή ισχύος με τρόπο αποδοτικό και με τους αναμενόμενους χρόνους απόκρισης. Συγκρίσεις με υπάρχουσες αντίστοιχες τεχνικές ελέγχου δείχνουν την υπεροχή των προτεινόμενων σχημάτων ελέγχου και την ικανοποιητική λειτουργία τους. / This dissertation analyses and suggests some efficient solutions for the optimization problem of the available power in a wind system. The thesis is divided into two parts. In the first part, a new methodology is proposed for optimizing the manipulation of wind in a certain area, based on the optimal placement of wind turbines in wind parks. In the second part, the purpose of the optimization is to maximize the power production from the wind, through the development of new control techniques. In both cases, the analysis is made by using detailed nonlinear models, which were developed in computational environment of the Matlab program and all the computational tools that were available. The models that were developed lead us to a series of simulations that confirm the theoretical analysis and suggest original solutions and optimized results in comparison to known ones. Particularly, the first part of this thesis is concentrated in the optimal selection of the number and the positioning of the wind turbines in a certain geographic region. The criterion used for the optimization is the maximum power production with the minimum cost. In this analysis a novel procedure is introduced, based on the Monte Carlo Simulation Method. As in previous studies, we used the same optimization criterion and the other conditions in order the results to be comparable. The presented results are far better as long it concern the maximum power production and the optimization factor. Furthermore, important conclusions are made for the maximum number of the wind turbines and their location that confirm the proposed method as an efficient tool for the geographic distribution of wind mills in a wind park. In the second part of this dissertation, the goal is to design high efficient and simple controllers that achieve maximum power production for wind turbine systems. Particularly, a variable speed wind generation system is considered consisting by a squirrel cage induction generator connected to the grid by a fully controlled ac/dc/ac IGBT converter. To this end, first it is presented an analysis of the control method, namely the vector control method, which is used today for maximization and control of the active power. Based on this analysis, alternative solutions are proposed, that are less complicated, more accurate and easier to be accomplished, a fact that is proved through a theoretical analysis. Suitable nonlinear models have been developed and proposed for a wind turbine system, for the case of operating under variable, adjustable speed. Comprehensive mathematical analysis proves that the original nonlinear system has the fundamental property of Euler-Lagrange systems, which is passivity. This means that the system is damped in both the electric and the mechanical part. Also, an analysis of the existing, vector control based schemes is conducted. Then, by modifying properly the PI controllers used at the generator side and simplifying decisively the vector control scheme, we propose two different control schemes that simultaneously are free from the field oriented requirement of the vector control while they maintain and increase the damping of the initial system. The first control scheme is directly comparable with the existing vector control applications, while the second introduces an innovated technique that improves substantially the system response. Detailed simulations that carried out are based on realistic operation scenario, which mean that require demand for the adjustment of the speed in its optimal value, at the same time that a change at the supplied by the wind power and torque occurs. The simulation results confirm the theoretical analysis and show, that both the proposed control schemes achieve optimal power production in an efficient manner and in the expected response time.

Submitted by Maria Medeiros (maria.dilva1@ufcg.edu.br) on 2018-08-24T14:29:39Z No. of bitstreams: 1 ANA VITÓRIA DE ALMEIDA MACÊDO - TESE (PPgEE) 2017.pdf: 3449345 bytes, checksum: ff78e54595b43261343d5050a8dc3e50 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-24T14:29:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ANA VITÓRIA DE ALMEIDA MACÊDO - TESE (PPgEE) 2017.pdf: 3449345 bytes, checksum: ff78e54595b43261343d5050a8dc3e50 (MD5) Previous issue date: 2017-03-29 / CNPq / Um controle para auxílio do controle de frequência é projetado utilizando um método baseado em lógica fuzzy e no controle do ângulo de passo de turbinas eólicas de velocidade variável. O controle visa que as turbinas eólicas operem abaixo do seu valor nominal, estando sempre prontas para aumentar sua geração no caso de evento na rede elétrica, contribuindo para o controle de frequência. Com os esforços para converter tanta energia quanto seja possível com o vento disponível, a potência desperdiçada pela maioria dos controles estudados para elaboração desta tese vale a pena em relação aos benefícios do controle de frequência em sistemas com grande penetração das usinas eólicas, proporcionando a participação da energia eólica nos serviços ancilares. Ressaltando que a introdução de qualquer nova tecnologia de geração no sistema deve ser feita de modo que seja compatível com os princípios operacionais do sistema existente. O controle fuzzy de potência foi desenvolvido no Matlab®/Simulink e permite o bom funcionamento da turbina eólica utilizando uma metodologia alternativa aos controles clássicos. Com isto foi desenvolvido o controle de frequência também baseado em lógica fuzzy. Como grande vantagem do controle fuzzy destaca-se sua fácil adaptação a outros modelos de turbina que utilizem o controle de pitch (turbinas eólicas de velocidade variável), uma vez que o algoritmo é o mesmo, havendo a necessidade apenas de fazer testes para adaptação das faixas de operação do controle. / A control to support the frequency control is designed using a method based on fuzzy logic and pitch angle control in variable speed wind turbines. The control aims that some wind turbines operate below their rated value (derated or deloaded), being always ready to increase their generation in case of some event in the power grid, contributing to the frequency control. With efforts to convert as much energy as possible with the available wind, the power wasted by most controls studied in this work worth of the benefits of frequency control in systems with high power plants penetration, providing wind power to participate on ancillary services. Recalling that the introduction of any new generation technology into the system must be made in a way that is compatible with the operating principles of the existing system. The fuzzy control developed in Matlab®/Simulink for power control enables a suitable operation of the wind turbine using an alternative methodology to the classic controls, it was developed the frequency control also based on fuzzy logic. The fuzzy control great advantage highlight is its easy adaptation to other turbine design which use pitch control (variable speed wind turbines), since the algorithm is the same, just by doing tests for adjustment of the control operation ranges.