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Title: Uma nova estrutura de controle para melhorar a integração do Sistema de Conversão de Energia Eólica baseado no DFIG à rede elétrica
Authors: Taveiros, Filipe Emanuel Vieira
Keywords: Gerador de indução duplamente alimentado;Realimentação de estados;Códigos de rede;Suportabilidade a faltas e afundamentos;Amortecimento de fluxo
Issue Date: 24-Aug-2018
Citation: TAVEIROS, Filipe Emanuel Vieira. Uma nova estrutura de controle para melhorar a integração do Sistema de Conversão de Energia Eólica baseado no DFIG à rede elétrica. 2018. 214f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e de Computação) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2018.
Abstract: The doubly fed induction generator (DFIG)-based wind energy conversion system (WECS) currently leads the wind energy market due to its advantages in comparison to other topologies. The appropriate control of the back-to-back power converter scheme allows the wind turbines based on the DFIG to operate in variable speed mode, whose benefits include maximum extraction of the power available in the wind, reactive power injection and mechanical stress reduction. The increasing number of wind energy conversion systems has led the grid operators to develop specific regulations regarding the connection of these systems to the grid. Under these regulations, the fault ride-through and low voltage tolerance are amongst the most important and relevant aspects, as well as to provide reactive power to the grid in order to restore the voltage level during a fault. Therefore, such systems must maintain a high level of controllability during grid disturbances. This thesis investigates the impact of control and drive strategies on the performance of the DFIG-based wind energy conversion system, under the perspectives of maximum power extraction and fault ride-through, according to the grid regulations of Brazil, Canada, the United States and Germany. It is proposed a new heightened state-feedback control structure with predictive behavior to be applied to the generator control, which considers in an integrated manner the dynamics of the machine currents in conjunction with the general modelling of the electromagnetic disturbance present during symmetric and asymmetric faults, as well as the tracking errors. The proposed structure was designed to effectively suppress the oscillatory dynamics present in the back electromotive force that occurs in the case of a grid voltage disturbance, in order to mitigate oscillations and surges in the electromagnetic torque and the machine currents, exempting the need to use current reference modification strategies or the activation of physical protection during intermediate level faults, thus allowing the DFIG to ride-through symmetrical and asymmetrical disturbances in the grid featuring limited torque oscillations and contributing reactive current, as required by grid codes. In the severe fault case, the proposed structure allows effective tracking of the current references calculated in order to mitigate the oscillations, overcurrent and overvoltage developments. The proposed structure also employs a novel flux damping technique which accentuates the rotor current direct axis component in order to significantly reduce stator flux settling time after faults, while the torque minimally oscillates during post-fault recovery. Results obtained by means of real-time digital simulations and experimental tests under ideal and non-ideal conditions demonstrate the superiority of the proposed structure in comparison to conventional and previous techniques.
Portuguese Abstract: O sistema de conversão de energia eólica baseado no Gerador de Indução Duplamente Alimentado (DFIG) atualmente predomina no mercado de energia eólica devido às suas vantagens em relação a outras topologias. O controle apropriado dos conversores back-to-back permite que as turbinas eólicas baseadas no DFIG operem no modo de velocidade variável, cujos benefícios incluem máxima extração da potência disponível no vento, injeção de potência reativa e redução do estresse mecânico. Entretanto, o crescente número de sistemas de conversão de energia eólica levou os operadores da rede elétrica a estabelecer regulamentos específicos para conexão destes sistemas à rede. Nestes regulamentos, a suportabilidade a faltas e afundamentos de tensão é um dos mais importantes aspectos, além fornecer potência reativa para a rede de modo a dar suporte à rede para restabelecer o nível de tensão durante uma falta. Portanto, é mandatório que estes sistemas mantenham um alto nível de controlabilidade durante tais distúrbios. Esta tese investiga o impacto das estratégias de controle e acionamento no desempenho do sistema de conversão de energia eólica baseado no DFIG, sob as perspectivas da máxima extração de potência e da suportabilidade a faltas, de acordo com os regulamentos das redes do Brasil, Canadá, Estados Unidos e Alemanha. É proposta uma nova estrutura de controle por realimentação de estados de ordem aumentada com característica preditiva para ser aplicada ao controle do gerador, que considera de maneira integrada a dinâmica das correntes da máquina em conjunto com a formulação geral da perturbação eletromagnética presente durante faltas simétricas e assimétricas, bem como os erros de rastreamento. A estrutura proposta foi desenhada para efetivamente suprimir a dinâmica oscilatória do surto de força contra-eletromotriz que ocorre no caso de uma perturbação na tensão da rede para, desta forma, mitigar oscilações e surtos no torque eletromagnético e nas correntes da máquina, isentando a necessidade de usar estratégias de modificação de referência de corrente ou a ativação da proteção física durante faltas de nível intermediário, permitindo assim que o DFIG suporte distúrbios simétricos e assimétricos na rede apresentando oscilações de torque limitadas e fornecendo corrente reativa, conforme demandado pelos códigos de rede. No caso da falta severa, a estrutura proposta permite o efetivo rastreio das referências de corrente calculadas para mitigar as oscilações e sobreníveis de corrente e tensão. A estrutura proposta também emprega uma nova técnica de amortecimento de fluxo que acentua a componente de eixo direto da corrente do rotor para reduzir significativamente o tempo de estabilização do fluxo do estator após as faltas, enquanto o torque oscila minimamente durante a recuperação pós-falta. Resultados obtidos por meio de simulações digitais em tempo real e ensaios experimentais em condições ideais e não ideais demonstram a superioridade da estrutura proposta em relação a técnicas convencionais e anteriores.
URI: https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/26078
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