Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την ανάλυση και τον σχεδιασμό έλεγχο ενεργού και αέργου ισχύος επαγωγικής γεννήτριας διπλής τροφοδοσίας (Doubly-Fed Induction Generator, DFIG), που χρησιμοποιείται σήμερα κατά κόρον σε συστήματα ανεμογεννητριών. Ο έλεγχος επιτυγχάνεται μέσω του διανυσματικού ελέγχου με προσανατολισμό στην τάση του δικτύου (Voltage-Oriented Control, VOC χρησιμοποιώντας αναλογικο-ολοκληρωτικούς (Proportional-Integral, PI) ελεγκτές, επιβάλλοντας με αυτόν τον τρόπο την επιθυμητή μεταβατική συμπεριφορά. / The following diploma thesis addresses the analysis and design of an active and reactive power control system for a Doubly-Fed Induction Generator (DFIG), vastly used in wind power systems. Control is being achieved under voltage orientation (Voltage-Oriented Control, VOC) and through the use of proportional-integral (PI) controllers, who impose the desirable transient behavior.

Orientador: Laurence Duarte Colvara / Banca: Dionizio Paschoareli Junior / Banca: Walmir de Freitas Filho / Resumo: Propõe-se neste trabalho o desenvolvimento de uma metodologia analítica para análise do desempenho dinâmico/transitório dos geradores de indução conectados ao sistema de energia elétrica. O método proposto para o estudo da estabilidade das máquinas de indução baseia-se no monitoramento da tensão interna E' durante o período transitório do sistema, a qual pode comprometer a capacidade de transmissão de potência na linha, com consequente colapso da estabilidade da máquina. Deste modo, faz-se a análise do desempenho transitório da máquina pela observação da grandeza em que efetivamente reside a causa da instabilidade. O método desenvolvido foi validado por meio de simulações digitais, em duas configurações do sistema: o primeiro caso, desprezando o suporte de potência reativa, para efeito de análise nos estudos de estabilidade transitória. No segundo, é realizada a compensação dinâmica de potência reativa via SVC (Static Var Compensator). Neste caso, mesmo na presença do compensador variável de reativo, o método da tensão interna revelou-se capaz de avaliar novos limites de estabilidade para o sistema. Considerados os resultados obtidos, observa-se que o método proposto apresenta resultados suficientemente precisos para avaliar o comportamento dos geradores de indução conectados à rede elétrica / Abstract: This dissertation proposes the development of an analytical methodology for analysis of dynamic/transient performance of an induction generator connected to a bulk power system. The proposed method for studying the stability of induction machines is based on monitoring the internal voltage named E' since during the transient system, its magnitude may decrease and so causing degeneration of the transmission system capability, with consequent collapse of machine stability. Thus it is the analysis of transient performance of the machine by observing the variable that is actually the cause of instability. The analytical method was validated by means of digital simulations, in two system configurations: in the first case, no reactive support is considered, and the purpose is to analyse the machine transient stability itself. In the second, a reactive support is provided by means of the dynamic reactive compensation via SVC (Static Var Compensator). In this case, even in the presence of variable reactive compensator, the method of internal voltage proved to be able to properly assess new stability limits. The results so obtained lead to the indication that the proposed method results are accurate enough in order to evaluate the behavior of induction generators, connected to the power grid

abstract: An advantage of doubly fed induction generators (DFIGs) as compared to conventional fixed speed wind turbine generators is higher efficiency. This higher efficiency is achieved due to the ability of the DFIG to operate near its optimal turbine efficiency over a wider range of wind speeds through variable speed operation. This is achieved through the application of a back-to-back converter that tightly controls the rotor current and allows for asynchronous operation. In doing so, however, the power electronic converter effectively decouples the inertia of the turbine from the system. Hence, with the increase in penetration of DFIG based wind farms, the effective inertia of the system will be reduced. With this assertion, the present study is aimed at identifying the systematic approach to pinpoint the impact of increased penetration of DFIGs on a large realistic system. The techniques proposed in this work are tested on a large test system representing the Midwestern portion of the U.S. Interconnection. The electromechanical modes that are both detrimentally and beneficially affected by the change in inertia are identified. The combination of small-signal stability analysis coupled with the large disturbance analysis of exciting the mode identified is found to provide a detailed picture of the impact on the system. The work is extended to develop suitable control strategies to mitigate the impact of significant DFIG penetration on a large power system. Supplementary control is developed for the DFIG power converters such that the effective inertia contributed by these wind generators to the system is increased. Results obtained on the large realistic power system indicate that the frequency nadir following a large power impact is effectively improved with the proposed control strategy. The proposed control is also validated against sudden wind speed changes in the form of wind gusts and wind ramps. The beneficial impact in terms of damping power system oscillations is observed, which is validated by eigenvalue analysis. Another control mechanism is developed aiming at designing the power system stabilizer (PSS) for a DFIG similar to the PSS of synchronous machines. Although both the supplementary control strategies serve the purpose of improving the damping of the mode with detrimental impact, better damping performance is observed when the DFIG is equipped with both the controllers. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Electrical Engineering 2010

Dentre as fontes de energia renováveis utilizadas para geração de energia elétrica a que mais se destaca atualmente e a energia eólica. 0 crescente índice de penetração da geração eólica na matriz energética dos sistemas de potencia impõe a necessidade da revisão de conceitos anteriormente estabelecidos sobre a estabilidade de sistemas de potencia, uma vez que ainda não e perfeitamente compreendida a influencia de uma maior integração deste recurso no comportamento dos sistemas de potencia. Este trabalho tem como foco o estudo da estabilidade de sistemas com aerogeradores de velocidade fixa equipados com geradores de indução de rotor em gaiola. E estudada a estabilidade angular de um sistema de geração eólica equipado com aerogeradores desta natureza. O problema da estabilidade foi decomposto em três partes: estabilidade estática, estabilidade dinâmica e estabilidade transitória. São definidos os modelos dos componentes do aerogerador para cada um dos estudos realizados. A topologia adotada á a máquina Barramento Infinito (MBI), na qual o restante do sistema de potência a representado pelo seu equivalente de Thevenin. Esta topologia típica de analise de estabilidade de sistemas de potencia e adotada por permitir a obtenção de resultados analíticos para as analises estática e dinâmica. A analise transitória se dá através de simulações computacionais. A fim de manter um caráter mais geral para os resultados as simulações são realizados com três aerogeradores de características distintas. Os resultados obtidos permitem uma melhor compreensão da influencia sobre a estabilidade do sistema de geração eólica dos parâmetros de rede do sistema de potencia como: potencia de curto-circuito do ponto de conexão comum com o sistema de potencia, relação X/R da linha de transmissão e do capacitor de compensação de fator de potencia. / Among the renewable energy sources used to generate electric power one of the most important at this time is the wind power. The growing penetration index of wind power in the power systems energetic matrix leads to the necessity of a reevaluation of the concepts previously established about the stability of power systems, since the influence of a major integration of this resource in the behavior of power systems is not perfectly understood. This work focuses on the stability study of wind power systems equiped with fixed-speed squirrel-cage induction generators. The angular stability of a wind generation system equipped with wind generators of this nature is studied. The stability problem was decomposed in three parts: static stability, dynamic stability and transient stability. The models of the components of the wind generator are defined for each of the studies. The considered topology was an Induction Generator Infinite Bus System (IBM), where the rest of the power system is represented by it’s Thévenin equivalent. This is a typical topology in power systems stability analysis and is adopted in this work aiming at obtaining analytical and general stability results. The transient analysis is performed by computer simulations. In order to provide more generatily to the stability results, all simulations are conducted with three wind generators with distinct characteristics. The obtained results allow a better comprehension about the influence, on the stability of wind power systems, of power system network parameters as: short-circuit capacity of the common connection point with the power system, the X/R relation of the transmission line and the power factor compensation capacitor.

Dentre as fontes de energia renováveis utilizadas para geração de energia elétrica a que mais se destaca atualmente e a energia eólica. 0 crescente índice de penetração da geração eólica na matriz energética dos sistemas de potencia impõe a necessidade da revisão de conceitos anteriormente estabelecidos sobre a estabilidade de sistemas de potencia, uma vez que ainda não e perfeitamente compreendida a influencia de uma maior integração deste recurso no comportamento dos sistemas de potencia. Este trabalho tem como foco o estudo da estabilidade de sistemas com aerogeradores de velocidade fixa equipados com geradores de indução de rotor em gaiola. E estudada a estabilidade angular de um sistema de geração eólica equipado com aerogeradores desta natureza. O problema da estabilidade foi decomposto em três partes: estabilidade estática, estabilidade dinâmica e estabilidade transitória. São definidos os modelos dos componentes do aerogerador para cada um dos estudos realizados. A topologia adotada á a máquina Barramento Infinito (MBI), na qual o restante do sistema de potência a representado pelo seu equivalente de Thevenin. Esta topologia típica de analise de estabilidade de sistemas de potencia e adotada por permitir a obtenção de resultados analíticos para as analises estática e dinâmica. A analise transitória se dá através de simulações computacionais. A fim de manter um caráter mais geral para os resultados as simulações são realizados com três aerogeradores de características distintas. Os resultados obtidos permitem uma melhor compreensão da influencia sobre a estabilidade do sistema de geração eólica dos parâmetros de rede do sistema de potencia como: potencia de curto-circuito do ponto de conexão comum com o sistema de potencia, relação X/R da linha de transmissão e do capacitor de compensação de fator de potencia. / Among the renewable energy sources used to generate electric power one of the most important at this time is the wind power. The growing penetration index of wind power in the power systems energetic matrix leads to the necessity of a reevaluation of the concepts previously established about the stability of power systems, since the influence of a major integration of this resource in the behavior of power systems is not perfectly understood. This work focuses on the stability study of wind power systems equiped with fixed-speed squirrel-cage induction generators. The angular stability of a wind generation system equipped with wind generators of this nature is studied. The stability problem was decomposed in three parts: static stability, dynamic stability and transient stability. The models of the components of the wind generator are defined for each of the studies. The considered topology was an Induction Generator Infinite Bus System (IBM), where the rest of the power system is represented by it’s Thévenin equivalent. This is a typical topology in power systems stability analysis and is adopted in this work aiming at obtaining analytical and general stability results. The transient analysis is performed by computer simulations. In order to provide more generatily to the stability results, all simulations are conducted with three wind generators with distinct characteristics. The obtained results allow a better comprehension about the influence, on the stability of wind power systems, of power system network parameters as: short-circuit capacity of the common connection point with the power system, the X/R relation of the transmission line and the power factor compensation capacitor.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / This dissertation presents the study of a three-wire hibrid topology for voltage regulation for micro-hydroelectric generators that use self-excited induction in isolated operation. Initially, a literature review is presented in order to identify the main voltage regulation topologies applied to self-excited induction generators in the literature. From this review, a hybrid topology is proposed, which aims to regulate the voltage supplied by the generator to the isolated system. Thus, the mathematical modeling of the system is presented, comprising induction generator, the excitation capacitor, switched capacitor banks for voltage regulation, inductors filter and static reactive compensator. The following presents a control method based on reactive power control and design of switched capacitor banks using as reference the reactive power of the induction generator and static reactive compensator. The simulation and experimental results are presented to validate the proposed method. The use of the three-wire hybrid topology made of switched capacitor banks in conjunction with the static reactive compensator voltage regulation can be considered an addition to the scientific literature. / Nesta dissertação de Mestrado é apresentado o estudo de uma topologia híbrida a três fios, para a regulação de tensão em microcentrais hidrelétricas que utilizam geradores de indução auto-excitados em operação isolada. Inicialmente, é apresentada uma revisão bibliográfica, a fim de identificar as principais topologias de regulação de tensão aplicadas a geradores de indução auto-excitados presentes na literatura. A partir desta revisão, é proposta uma topologia híbrida, que tem por objetivo a regulação de tensão fornecida pelo gerador ao sistema isolado. Desta forma, é mostrada a modelagem matemática do sistema, composto por gerador de indução, capacitores de excitação, bancos de capacitores chaveados para regulação de tensão, indutores de filtro e compensador estático de reativos. A seguir, é apresentado um método de controle baseado no controle de potência reativa e o projeto dos bancos de capacitores chaveados tendo como referência a potência reativa do gerador de indução e do compensador estático de reativos. São apresentados também, os resultados de simulação e experimentais que validam o funcionamento do método proposto. O emprego da topologia híbrida a três fios formada por bancos de capacitores chaveados em conjunto com o compensador estático de reativos de regulação de tensão, pode ser considerado um acréscimo à literatura científica.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Nowadays, the distribution networks of electricity are the segment of the electrical power systems that has experienced more changes, due in particular to the presence of distributed generation and the technological advances in the areas of instrumentation, automation, measurement, information technology and comunication. This work aims to present the modelling, the control and the operation management of a group of small-scale energy resources connected to the low voltage, which coordinated form a microgrid. The microgrid energy resources are solar photovoltaic sources, wind energy based on double fed induction generator and hydrogen fuel cell, and a storage system with batteries. Two conceptions are developed: a single-phase microgrid and a three-phase microgrid, both operating in connected mode and isolated from the utility. Each energy resource is connected to a point of common coupling through power converters. For each converter was designed a set of control loops. The master-slave strategy was used to control the converters and to microgrid management. In master-slave configuration only the master converter is designed to be the voltage reference and others operate as a current source. For managing the steady state operation of microgrids different operating scenarios were considered, with variation of load and generation levels, as well as changes in tariff flags, for load supply with economy and sources operating at maximum efficiency. The proposed systems operate satisfactorily fulfill the requirements of utility for synchronization and disconnection. The injected currents are below the allowed distortion level. In stand-alone mode, the system voltage remains within the appropriate level of amplitude and frequency. / Atualmente, as redes de distribuiÃÃo de energia elÃtrica sÃo o segmento dos siste-mas elÃtricos de potÃncia que mais tem experimentado mudanÃas, devido, em es-pecial, à presenÃa da geraÃÃo distribuÃda e aos avanÃos tecnolÃgicos nas Ãreas de instrumentaÃÃo, automaÃÃo, mediÃÃo, tecnologia da informaÃÃo e comunicaÃÃo. Este trabalho tem por objetivo apresentar a modelagem, o controle e o gerenciamento da operaÃÃo de um conjunto de recursos energÃticos de pequeno porte, conectados à baixa tensÃo, que coordenados formam uma microrrede. Os recursos energÃticos da microrrede sÃo fontes solar fotovoltaica, eolielÃtrica com gerador de induÃÃo de dupla alimentaÃÃo e cÃlula combustÃvel a hidrogÃnio, e um sistema de armazenamento de energia a baterias. Duas concepÃÃes de microrredes sÃo desenvolvidas: microrrede monofÃsica e microrrede trifÃsica, ambas operando em modo conectado e isolado da rede elÃtrica principal. Cada recurso energÃtico à conectado a um ponto comum de conexÃo atravÃs de conversores de potÃncia. Para cada conversor foi projetado um conjunto de malhas de controle. A estratÃgia mestre-escravo foi usada para o controle dos conversores e gerenciamento da microrrede. Na configuraÃÃo mestre-escravo apenas o conversor mestre à designado para ser a referÃncia de tensÃo que os outros conversores necessitam para operarem como fonte de corrente. Para o gerenciamento da operaÃÃo das microrredes em regime permanente, foram considerados diferentes cenÃrios de operaÃÃo, com variaÃÃo de nÃveis de carga e de geraÃÃo, bem como variaÃÃo de bandeiras e postos tarifÃrios, visando atender a carga com economicidade e fontes operando em mÃxima eficiÃncia. Os sistemas propostos operam de forma satisfatÃria obedecendo aos requisitos da concessionÃria para a sincronizaÃÃo e desconexÃo. As harmÃnicas de corrente injetada estÃo abaixo do nÃvel de distorÃÃo permitido. No modo isolado, a tensÃo dos sistemas permanece dentro do nÃvel adequado de amplitude e frequÃncia.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Fixed speed wind turbines completely dominated the market until the mid-1990s and currently. Although most installed wind turbine are variable speed, many fixed speed wind are still in operation. In this context, this work presents a study concerned to coordinated operation of FACTS (Flexible Alternating Current Transmission Systems) device with fixed speed wind energy conversion system (WECS) equipped with a squirrel cage induction generator. The applied FACTS device is based on the control strategy of the Unified Conditioner Power Quality with inverted topology (i-UPQC), and consists of two static converters connected in back-to-back topology. A model was developed in the software PSCAD/EMTDC, tested under four different scenarios and discussed in order to validate the presented theory. The i-UPQC performance was analyzed for improving voltage quality in the point of common coupling (PCC), reduction of the harmonic currents drained from the wind turbine, and increasing the induction generator capacity to remain connected during a momentary collapse in the grid voltage. The i-UPQC presented good performance due to its capability to warrant the quality in the PCC voltage in spite of the wind variation and that the voltage sags at the PCC do not change the stator voltages. About the generator current, the i-UPQC has kept the stator current free of harmonic components and the effect of unbalanced loads. Under normal operation it was demonstrated that one of the I-UPQC converters can be sized as 50\% of the generator rated power, which is an advantage for real implementation. A comparison between two ways to connect the I-UPQC to the grid, along with the wind turbine, was made. The series converter connected between the wind turbine and the parallel converter, or between parallel converter and the common connection point (PCC). It was concluded that the shunt converter connected to the generator presents better performance than the series converter due to series converter currents are less than the stator currents. Under this configuration, there is no active power current from the generator injected in the PCC during voltage sags. / Turbinas de velocidade fixa dominaram completamente o mercado atà meados de 1990 e atualmente, apesar da maioria dos aerogeradores instalados serem de velocidade variÃvel, muitos aerogeradores de velocidade fixa ainda se encontram em funcionamento. Neste contexto, este trabalho apresenta um estudo sobre a operaÃÃo coordenada de um dispositivo FACTS (Flexible Alternating Current Transmission Systems) com um aerogerador de velocidade fixa, equipado com gerador de induÃÃo gaiola de esquilo. O dispositivo FACTS aplicado baseia-se na estratÃgia de controle do Condicionador Unificado de Qualidade de Energia com topologia invertida (i-UPQC, do inglÃs, Unified Power Quality Conditioner with inverted topology), e consiste de dois conversores estÃticos na configuraÃÃo back-to-back. Um modelo foi desenvolvido no software PSCAD/EMTDC e quatro cenÃrios diferentes foram simulados e discutidos a fim de validar a teoria apresentada. A partir dos resultados de simulaÃÃo, foi analisado o desempenho do i-UPQC para melhoria da qualidade da tensÃo no Ponto de ConexÃo Comum (PCC), diminuiÃÃo das correntes harmÃnicas drenadas do aerogerador e aumento da capacidade do gerador de induÃÃo de se manter conectado durante um afundamento momentÃneo da tensÃo da rede. O i-UPQC atuou de forma satisfatÃria, pois nÃo permitiu que variaÃÃes na velocidade do vento afetassem a qualidade da tensÃo fornecida ao PCC, nem que o afundamento da tensÃo no PCC alterasse a tensÃo nos terminais do estator. Quando cargas nÃo lineares foram adicionadas no sistema, o i-UPQC manteve a corrente do estator livre das componentes harmÃnicas e desbalanÃos presentes na corrente da carga. Demonstrou-se que, em condiÃÃes normais de operaÃÃo, um dos conversores do i-UPQC pode ser especificado para 50\% da potÃncia nominal do aerogerador, o que pode representar uma vantagem do i-UPQC para o caso de uma implementaÃÃo real. Foi feita uma comparaÃÃo entre duas diferentes configuraÃÃes de conexÃo do i-UPQC com o aerogerador e a rede: ora com o conversor paralelo conectado entre o conversor sÃrie e o ponto de conexÃo comum (PCC), ora conectado entre o aerogerador e o conversor sÃrie. Concluiu-se que a configuraÃÃo com o conversor paralelo conectado ao aerogerador à mais vantajosa, pois a corrente que circula atravÃs do conversor sÃrie à menor que a corrente do estator. Nesta configuraÃÃo, nenhuma corrente referente à potÃncia ativa do aerogerador à injetada no PCC durante um afundamento de tensÃo.

Dentre as fontes de energia renováveis utilizadas para geração de energia elétrica a que mais se destaca atualmente e a energia eólica. 0 crescente índice de penetração da geração eólica na matriz energética dos sistemas de potencia impõe a necessidade da revisão de conceitos anteriormente estabelecidos sobre a estabilidade de sistemas de potencia, uma vez que ainda não e perfeitamente compreendida a influencia de uma maior integração deste recurso no comportamento dos sistemas de potencia. Este trabalho tem como foco o estudo da estabilidade de sistemas com aerogeradores de velocidade fixa equipados com geradores de indução de rotor em gaiola. E estudada a estabilidade angular de um sistema de geração eólica equipado com aerogeradores desta natureza. O problema da estabilidade foi decomposto em três partes: estabilidade estática, estabilidade dinâmica e estabilidade transitória. São definidos os modelos dos componentes do aerogerador para cada um dos estudos realizados. A topologia adotada á a máquina Barramento Infinito (MBI), na qual o restante do sistema de potência a representado pelo seu equivalente de Thevenin. Esta topologia típica de analise de estabilidade de sistemas de potencia e adotada por permitir a obtenção de resultados analíticos para as analises estática e dinâmica. A analise transitória se dá através de simulações computacionais. A fim de manter um caráter mais geral para os resultados as simulações são realizados com três aerogeradores de características distintas. Os resultados obtidos permitem uma melhor compreensão da influencia sobre a estabilidade do sistema de geração eólica dos parâmetros de rede do sistema de potencia como: potencia de curto-circuito do ponto de conexão comum com o sistema de potencia, relação X/R da linha de transmissão e do capacitor de compensação de fator de potencia. / Among the renewable energy sources used to generate electric power one of the most important at this time is the wind power. The growing penetration index of wind power in the power systems energetic matrix leads to the necessity of a reevaluation of the concepts previously established about the stability of power systems, since the influence of a major integration of this resource in the behavior of power systems is not perfectly understood. This work focuses on the stability study of wind power systems equiped with fixed-speed squirrel-cage induction generators. The angular stability of a wind generation system equipped with wind generators of this nature is studied. The stability problem was decomposed in three parts: static stability, dynamic stability and transient stability. The models of the components of the wind generator are defined for each of the studies. The considered topology was an Induction Generator Infinite Bus System (IBM), where the rest of the power system is represented by it’s Thévenin equivalent. This is a typical topology in power systems stability analysis and is adopted in this work aiming at obtaining analytical and general stability results. The transient analysis is performed by computer simulations. In order to provide more generatily to the stability results, all simulations are conducted with three wind generators with distinct characteristics. The obtained results allow a better comprehension about the influence, on the stability of wind power systems, of power system network parameters as: short-circuit capacity of the common connection point with the power system, the X/R relation of the transmission line and the power factor compensation capacitor.

Modern 'more-electric' aircraft demand increased levels of electrical power as non-propulsive power systems are replaced with electrical equivalents. This electrical power is provided by electrical generators, driven via a mechanical transmission system, from a rotating spool in the gas turbine core. A wide range of electrical loads exist throughout the aircraft, which may be pulsating and high powered, and this electrical power demand is transferred though the generators to produce a torque load on the drivetrain. The mechanical components of the drivetrain are designed for minimum mass and so are susceptible to fatigue, therefore the electrical loading existing on modern airframes may induce fatigue in key mechanical components and excite system resonances in both mechanical and electrical domains. This electro-mechanical interaction could lead to a reduced lifespan for mechanical components and electrical network instability.This project investigates electro-mechanical interaction in the electrical power offtake from large diameter aero gas turbines. High fidelity modelling of the drivetrain, and generator, allow the prediction of system resonances for a generic gas turbine-generator system. A Doubly-Fed Induction Generator (DFIG) is considered and modelled. DFIGs offer opportunities due to their fast dynamics and their ability to decouple electrical and mechanical frequencies (e.g. enabling a constant frequency electrical system with a variable speed mechanical drive). A test platform is produced which is representative of a large diameter gas turbine and reproduces the electro-mechanical system behaviour. The test platform is scaled with respect to speed and power but maintains realistic sizing between component dimensions which include: a gas turbine mechanical spool emulation, transmission driveshafts and gearbox, and accessory loads such as a generator. This test platform is used to validate theoretical understanding and suggest alternative mechanical configurations, and generator control schemes, for the mitigation of electro-mechanical interaction.The novel use of a DFIG and an understanding of electro-mechanical interaction allow future aircraft designs to benefit from the increased electrification of systems by ensuring that sufficient electrical power can be provided by a robust gas turbine-generator system.