Ανάλυση ευστάθειας και συμπεριφοράς αιολικών συστημάτων μεταβλητών στροφών επαγωγικών γεννητριών διπλής τροφοδοσίας με σχεδιασμό βελτιωμένων διατάξεων ελέγχου στους μετατροπείς ΕΡ - ΣΡ

Abstract

The present PhD thesis is addressed in the research field of control of power systems and more precisely in providing advanced methods for the analysis and control of the variable-speed wind turbine with a doubly-fed induction generator (DFIG). Taking into account the nonlinear models of each subsystem that the DFIG comprises of, four full-order models are extracted, three of which are novel and used for the design of nonlinear control systems. Starting from the standard cascaded vector control of the DFIG, it is shown that the conventional control systems of both ac/dc power converters can be used under a common grid-voltage reference frame orientation, instead of the standard stator-flux orientation for the control of the rotor-side converter. A methodology for the inner-loop PI current controller gain selection is presented, that leads to reduced gain dependence from the exact value of system parameters. Moreover, outer-loop controllers are designed for the rotor angular speed control, in order to achieve maximum mechanical power extraction from the wind, regulation of the dc-link voltage and reactive power regulation. Under the common grid-voltage reference frame orientation for both ac/dc power converters, three new simple control systems with reduced dependence or even complete independence from system parameters are designed. Each of these control systems utilizes simple PI controllers and is designed based on the novel nonlinear full-order models of the DFIG, while it can guarantee stability of the complete closed-loop system. The first of these control systems is based on the direct power control concept, which does not require the use of cascaded controllers, of both ac/dc power converters. The second control system has a cascaded controller structure for both the power converters. For both of these control systems, the controllers involved in the stability analysis slightly depend on some the system parameter values. The third control system utilizes cascaded controllers for the rotor-side converter and direct power controllers for the grid-side converter, while it is fully independent from the system parameters. A common methodology of the complete closed-loop system stability analysis is presented for all three control systems. This methodology leads the proof of input-to-state stability (ISS) of the complete closed-loop system and convergence to the desired equilibrium. Finally, the controller design and system analysis is verified through extensive simulation results.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εντάσσεται στο πλαίσιο που αφορά στο πεδίο του ελέγχου συστημάτων ισχύος και ειδικότερα στην εφαρμογή προηγμένων τεχνικών ανάλυσης και ελέγχου στην ανεμογεννήτρια μεταβλητών στροφών με επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας. Λαμβάνοντας υπόψη τα μη γραμμικά μοντέλα των υποσυστημάτων που απαρτίζουν την ασύγχρονη γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας, εξάγονται τέσσερα πλήρη μη γραμμικά μοντέλα της, τρία από τα οποία είναι πρωτότυπα και χρησιμοποιούνται για τη σχεδίαση μη γραμμικών συστημάτων ελέγχου. Ξεκινώντας από τον κλασσικό εν σειρά έλεγχο της επαγωγικής γεννήτριας διπλής τροφοδοσίας, αποδεικνύεται ότι τα συμβατικά συστήματα ελέγχου μπορούν να χρησιμοποιηθούν υπό κοινό προσανατολισμό στην τάση του δικτύου, έναντι του συμβατικού προσανατολισμού στη ροή του στάτη για τον έλεγχο του μετατροπέα ισχύος από την πλευρά του δρομέα, ενώ αναπτύσσεται μια μεθοδολογία για την επιλογή κερδών των ελεγκτών ρευμάτων εσωτερικού βρόχου που οδηγεί σε μειωμένη εξάρτηση των κερδών από τις τιμές των παραμέτρων του συστήματος. Επίσης, σχεδιάζονται ελεγκτές εξωτερικού βρόχου για τη ρύθμιση γωνιακής ταχύτητας δρομέα, προκειμένου να επιτευχθεί λειτουργία μέγιστης απομάστευσης ισχύος από τον άνεμο, ρύθμιση τάσης διασύνδεσης συνεχούς ρεύματος και άεργου ισχύος. Στη συνέχεια, υιοθετώντας τον κοινό προσανατολισμό στην τάση του δικτύου, σχεδιάζονται τρία νέα απλά συστήματα ελέγχου με μικρή εξάρτηση έως και πλήρη ανεξαρτησία από τις τιμές των παραμέτρων του συστήματος. Καθένα από τα συστήματα ελέγχου χρησιμοποιεί απλούς PI ελεγκτές, σχεδιάζεται με βάση ένα από τα νέα πλήρη μη γραμμικά συστήματα της επαγωγικής γεννήτριας διπλής τροφοδοσίας και μπορεί να εγγυηθεί την ευστάθεια του πλήρους συστήματος κλειστού βρόχου. Το πρώτο από τα συστήματα ελέγχου βασίζεται στη λογική του απευθείας ελέγχου ισχύος, όπου δεν υπάρχει ανάγκη χρήσης εν σειρά βρόχων ελέγχου, και στους δύο μετατροπείς ισχύος. Το δεύτερο σύστημα ελέγχου βασίζεται στη λογική των εν σειρά βρόχων ελέγχου και στους δύο μετατροπείς. Στα δύο αυτά συστήματα ελέγχου, οι εμπλεκόμενοι ελεγκτές στην ανάλυση ευστάθειας κλειστού βρόχου εμφανίζουν μικρή εξάρτηση από τις παραμέτρους του συστήματος. Στο τρίτο σύστημα ελέγχου χρησιμοποιείται εν σειρά έλεγχος στο μετατροπέα από την πλευρά του δρομέα και απευθείας έλεγχος ισχύος στο μετατροπέα από την πλευρά του δικτύου, ενώ το σύστημα ελέγχου είναι πλήρως ανεξάρτητο από τις παραμέτρους του συστήματος. Σε όλα τα μη γραμμικά συστήματα αναπτύσσεται μια κοινή μεθοδολογία για την απόδειξη ευστάθειας του πλήρους συστήματος κλειστού βρόχου, η οποία οδηγεί στην απόδειξη της ιδιότητας ευστάθειας από είσοδο-προς-κατάσταση (input-to-state stability, ISS) για το πλήρες σύστημα και τελικά στη σύγκλιση στο επιθυμητό σημείο ισορροπίας. Τέλος, σε όλες τις περιπτώσεις παρουσιάζονται εκτενείς προσομοιώσεις για την επιβεβαίωση της σχεδίασης του συστήματος ελέγχου και της ανάλυσης ευστάθειας του πλήρους συστήματος κλειστού βρόχου.