Ανάπτυξη, προσομοίωση και κατασκευή συστήματος ελέγχου ανεμογεννήτριας μεταβλητών στροφών με γεννήτρια μόνιμων μαγνητών για απομονωμένη και διασυνδεδεμένη λειτουργία

Abstract

This thesis presents the study, modeling and implementation of a control system for a variable speed wind power generator. The test model consists of a permanent magnet synchronous generator, a rectifier and boost stage, as well as an inverter stage for grid connection. Power stages, control subsystems implemented in PIC18F452 microcontrollers, as well as measurement and communication peripherals have been designed and constructed. Laboratory measurements have been carried out on each subsystem separately, as well as on assembled operation, making possible to investigate operating limits and derive conclusions concerning possible system exploitation. Modeling of subsystems in Simulink™ and SPICE evolved in parallel with hardware. Model results were validated through laboratory experiments and enabled prediction of operation under conditions not easily obtainable in the laboratory. Finally the most important conclusions of the thesis are presented, while the future steps for further system improvement are discussed. The main original points of the thesis concern the development of advanced algorithms for the control system of the wind turbine involving reduced computational effort, the introduction of a new equivalent circuit of the permanent magnet generator considering the electromotive force higher harmonics and the conception of an appropriate model for the analysis of oscillations incorporated in the control system.

Η εργασία παρουσιάζει τη μελέτη, μοντελοποίηση και κατασκευή ενός συστήματος ελέγχου ανεμογεννήτριας μεταβλητών στροφών. Το εργαστηριακό σύστημα που αναπτύχθηκε για την επιβεβαίωση των χαρακτηριστικών της ανεμογεννήτριας περιλαμβάνει σύγχρονη γεννήτρια μονίμων μαγνητών, ανορθωτή και ανυψωτή τάσης, καθώς και αντιστροφέα για παροχή ισχύος προς το ηλεκτρικό δίκτυο. Σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν τα ηλεκτρονικά τμήματα ισχύος του συστήματος, τα υποσυστήματα ελέγχου, τα οποία υλοποιήθηκαν με μικροελεγκτές PIC18F452, καθώς και τα περιφερειακά υποσυστήματα μετρήσεων και επικοινωνίας. Έγιναν εργαστηριακές μετρήσεις σε κάθε υποσύστημα χωριστά, αλλά και στη συνδυασμένη λειτουργία τους. Δόθηκε έτσι η δυνατότητα διερεύνησης των ορίων λειτουργίας του συστήματος, οπότε εξήχθησαν χρήσιμα συμπεράσματα για τον τρόπο αξιοποίησής του. Η μοντελοποίηση των υποσυστημάτων χρησιμοποιώντας λογισμικό Simulink™ και SPICE πραγματοποιήθηκε παράλληλα με την εξέλιξη του υλικού, ενώ τα μοντέλα που αναπτύχθηκαν επιβεβαιώθηκαν μέσω εργαστηριακών αποτελεσμάτων, και χρησιμοποιήθηκαν για την πρόβλεψη λειτουργίας του συστήματος σε συνθήκες που δεν είναι εύκολα εφαρμόσιμες στο εργαστήριο. Τέλος παρατίθενται τα κυριότερα συμπεράσματα της εργασίας και αναφέρονται τα μελλοντικά βήματα εξέλιξης του συστήματος. Τα κυριότερα σημεία καινοτομίας της διατριβής αναφέρονται στην ανάπτυξη προηγμένων αλγορίθμων στο σύστημα ελέγχου της ανεμογεννήτριας με περιορισμένες υπολογιστικές απαιτήσεις, νέου ισοδύναμου κυκλώματος της γεννήτριας που θεωρεί τις ανώτερες αρμονικές της ηλεκτρεγερτικής δύναμης και κατάλληλου μοντέλου αναπαράστασης των ταλαντώσεων ενσωματωμένου στο σύστημα ελέγχου.