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.

Esta tese de doutorado propõe um controlador preditivo robusto tipo finite control set aplicado ao controle das potências do gerador de indução duplamente alimentado. Desta forma, a proposta possui dois membros do vetor tensão predita do rotor, sendo que o primeiro termo calcula a tensão considerando as referências de corrente do rotor e o segundo é projetado considerando os erros devido à estimação dos parâmetros da máquina. Os referidos erros devido a variações de parâmetros são modelados como alterações na corrente do rotor. O vetor de tensão a ser fornecido ao rotor da máquina é selecionado através da minimização de uma função custo. Os resultados obtidos na simulação computacional e em bancada experimental confirmam o desempenho do controlador proposto. / This Ph.D. thesis proposes a robust predictive controller type finite control set applied to control of the powers at doubly fed induction generator. In this way, the proposal has two members of the predicted voltage vector of the rotor, the first term calculating the voltage considering the rotor references current and the second one is projected considering the errors due to the estimation of the machine parameters. The errors due to variations parameter are modeled as changes in the rotor current. The voltage vector to be supplied to the machine rotor is selected by minimizing a cost function. The results obtained in the computational simulation and experimental bench confirm the performance of the proposed controller.

The number of large-scale wind farms integrated to the power system in Sweden is increasing. Two generator concepts that are widely used are Doubly-Fed Induction Generators (DFIG) and Full Power Converters (FPC). The study is of a quantitative character and the aim of the Master thesis is to compare DFIG-models with FPC-models integrated in an area with high concentration of hydropower. Then it is possible to examine how the dynamics in the power system change depending on the selection of technology (DFIG or FPC) when connecting a wind farm. The power system is simulated during a summer night, i.e., a low load is connected. The Master thesis covers stability analysis of the power system by using rotor angle stability that are split into small-signal stability and transient stability (time-domain simulations) and finally voltage stability to see how the hydropower generators react when varying the power production in the wind farm. The Master thesis concludes that independently of wind turbine technique, integration of a wind farm has slight impact on the stability in the power system compared to a power system without a wind farm, even though the load is low. Further, an integration of a wind farms affects the reactive power production in neighbouring hydropower plants. Finally, when increasing the size of the wind farm the neighbouring hydropower station consume less reactive power which can induce problem with the voltage stability.

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

This thesis presents a comprehensive procedure to study sub-synchronous interactions in wind integrated power systems effectively and efficiently. The proposed procedure involves a screening phase and a detailed analysis phase. The screening is performed using a frequency scan and the detailed analysis is performed using small signal stability analysis. To facilitate the small signal analysis, a detailed linearized model of a Type 3 wind power plant is presented in this thesis. The model presented includes the generator, a three-mass drive train model, rotor and grid side converter controller models, converter transformer model and the pitch controller model. To accurately capture the effects of sub-synchronous interactions, the ac network is modelled using dynamic phasors. It is shown that using the proposed procedure, the sub-synchronous interaction between a Type 3 wind power plant and a series compensated line is due to an electrical resonance between the wind power plant generator and the series capacitor. It is also shown that this interaction is highly controllable through the rotor side converter current controllers. This fact will be proven by studying the sub-synchronous interactions in a single machine power system as well as in multi machine power systems. This thesis also presents a sub-synchronous interaction mitigation method using network devices. The performance of an SVC and a STATCOM is evaluated in this thesis. A small signal stability analysis based method will be used to design a sub-synchronous damping controller. A method will be presented to estimate the damping controller parameters systematically to obtain the desired performance using small signal stability analysis results. Furthermore, it will be shown that by strongly controlling the voltage of the point of common coupling, the damping of the oscillations produced by the sub-synchronous interaction between the wind power plant and the series compensated line can be improved. Based on the findings of this research, the thesis proposes a number of recommendations to be adopted when studying the sub-synchronous interactions in wind integrated power systems. These recommendations will facilitate to do such studies effectively and pinpoint the root cause of the sub-synchronous interactions.

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.

Atualmente, a geração eólica é a forma de geração de energia elétrica de maior crescimento no mundo. Não obstante, dependendo da forma em que é gerenciado este tipo de geração, pode causar impactos significativos no sistema de energia elétrica. Este trabalho estuda o comportamento da geração eólica nos sistemas de potência do ponto de vista dos aerogeradores e dos parques eólicos. É realizada uma modelagem dos principais componentes dos sistemas de geração eólica, particularmente dos aerogeradores de velocidade variável equipados com geradores de indução de dupla alimentação, com o intuito de aplicar estratégias de controle para a operação dos mesmos e estudar as suas características de funcionamento. São propostos métodos para a regulação da potência ativa gerada por estes aerogeradores e para a regulação da potência ativa gerada por parques eólicos compostos por vários aerogeradores de velocidade variável, com o objetivo de permitir um maior índice de penetração da geração eólica nos sistemas de energia elétrica. Usando a modelagem elaborada, são efetuadas rigorosas simulações computacionais do comportamento destas instalações eólicas funcionando com os métodos de regulação propostos. Os resultados obtidos nestas simulações mostram que o impacto da geração eólica pode ser consideravelmente diminuído, logrando atribuições semelhantes aos produtores de energia convencionais. Observa-se que estes métodos permitiriam flexibilizar a operação dos sistemas de geração eólica, possibilitando gerenciamentos mais adequados aos novos requerimentos exigidos pelos operadores dos sistemas de energia. / Nowadays, the wind power generation is the fastest growing electric power source in the world. Nevertheless, depending on the management of this kind of generation, it may cause significant impact in the power system. In this work, a modeling of the main components of wind power generation was performed, particularly of variable speed wind turbines with doubly fed induction generators, aiming to apply control strategies for its operation and to study its functional characteristics. Methods to regulate the active power generated by variable speed wind turbines, and to regulate the active power of wind farms composed of several of this turbines, are proposed with the objective to allow an increase in the level of penetration of wind generation in the power systems. Using the elaborated modeling, rigorous computational simulations of operation of these types of power stations, operating with the proposed methods, were accomplished. The obtained results in these simulations shows that it is possible to considerably minimize the wind power generation impacts, obtaining attributions similarly to conventional energy producers. It is observed that the proposed methods allows an operational flexibility of wind power generation, enabling a better management according to the new requirement of the power system operators.