Βελτιστοποίηση της απόδοσης αιολικού συστήματος με επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδότησης

Abstract

In this PhD dissertation, two new control techniques have been proposed, that improve the efficiency of a wind energy conversion system (WECS) with a doubly fed induction generator DFIG. To achieve this goal, the electric losses of the DFIG should be minimized and the mechanical energy that is absorbed by the wind turbine should be maximized. The loss minimization is attained by properly controlling the stator electric frequency and the magnetic flux of the DFIG. Since in a conventional WECS with DFIG, the efficiency cannot be increased by means of magnetic-flux weakening control methods because the stator is directly connected to the electric grid, two novel control schemes have been proposed so as the advantage of lower requirements for power converter capacity against the other types of electrical machines is still valid. In the first control scheme (which is denoted as “Method 1”), a high efficiency control strategy is proposed that provides power loss reduction in the DFIG and maximum power in the wind turbine. Therefore, from the same wind energy potential, increase in the generated electric energy can be attained. Moreover, the cut-in wind speed is reduced and thereby, extension of the exploitable wind speed region is accomplished. The power loss reduction in the DFIG is attained through stator frequency and flux-weakening control while maximum harvesting from the turbine is achieved by properly controlling the rotor speed. For the implementation of the proposed high efficiency control strategy, a new system layout is proposed that does not affect considerably the cost of the WECS.In the second control scheme (which is denoted as “Method 2”), the power loss minimization is based on the flux-weakening technique realized by the proper control of the output voltage of the rotor side grid converter and the MPPT is accomplished by regulating the rotor speed through the q-axis rotor current of the rotor side generator converter. An experimental procedure for determining the controllers’ parameters has been presented and, therefore, the knowledge of the WECS model is not required. For the implementation of the optimal efficiency control system, a new structure of the WECS has been adopted so as the cost has not been considerably affected compared to the conventional system. This is accomplished by changing the connections of the grid transformer. Although the Method 2 does not increase the cost of system because it does not require additional hardware, it does not have the capability of controlling the electric stator frequency and consequently, the electric losses cannot be minimized. This means that improvement in the efficiency of the WECS with a DFIG can be attained, but not the optimization. The effectiveness and practicality of the two control methods of a WECS with DFIG have been validated with simulation and experimental analysis. Several simulation and experimental results have been presented to demonstrate the operating improvements that are attained by the two control methods.

Το πρόβλημα που καλείται να αντιμετωπίσει η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει ποικίλες οικονομικές και κοινωνικές επιπτώσεις και συνεπώς είναι αναμενόμενο η συμβολή της σε επιστημονική γνώση στην ερευνητική κοινότητα και σε ευρύτητα απήχησης στον τομέα της βιομηχανίας των αιολικών συστημάτων να είναι ιδιαίτερα σημαντική. Ωστόσο, εκείνο που κυρίως κάνει τη συμβολή της διατριβής περισσότερο σημαντική είναι το γεγονός ότι η λύση που προτείνεται δεν επηρεάζει τα πλεονεκτήματα της ΕΓΔΤ και δεν έχει σημαντική επίδραση στο κόστος της εγκατάστασης. Η βελτιστοποίηση της απόδοσης μιας ανεμογεννήτριας με ΕΓΔΤ θα επιτευχθεί μέσω της ελαχιστοποίησης των ηλεκτρικών απωλειών της ηλεκτρογεννήτριας, σε συνδυασμό με την παραγωγή μέγιστης μηχανικής ισχύος στον άξονα μέσω της βελτιστοποίησης του αεροδυναμικού συντελεστή της. Ειδικότερα, η ελαχιστοποίηση των ηλεκτρικών απωλειών της ΕΓΔΤ θα πραγματοποιηθεί μέσω του κατάλληλου ελέγχου της μαγνητικής ροής διακένου, ενώ η παραγωγή μέγιστης μηχανικής ισχύος θα επιτευχθεί μέσω του κατάλληλου ελέγχου της ταχύτητας περιστροφής της ηλεκτρογεννήτριας. Η υλοποίηση των παραπάνω θα γίνει μέσω ενός συστήματος συνθηκών λειτουργίας που θα αποτελείται από μαθηματικές σχέσεις που θα υπολογίζουν τις βέλτιστες τιμές του ρεύματος πεδίου και ροπής των μετατροπέων ισχύος. Αυτές οι συνθήκες θα καθορίζουν σε κάθε χρονική στιγμή το βέλτιστο μαγνητικό πεδίο και τη βέλτιστη ταχύτητα περιστροφής της ηλεκτρογεννήτριας, καθώς και την ομαλή μεταφορά της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας στο δίκτυο. Λόγω της απαίτησης για άμεση διασύνδεση του στάτη της ΕΓΔΤ με το δίκτυο και χωρίς την παρεμβολή μετατροπέα ισχύος (τουλάχιστον, στο μεγαλύτερο μέρος της λειτουργίας της ανεμογεννήτριας), θα πρέπει να εισαχθεί μια νέα τοπολογία που αφενός θα επιτρέπει τον έλεγχο του μαγνητικού πεδίου και αφετέρου θα διατηρεί στο μεγαλύτερο μέρος της λειτουργίας της ΕΓΔΤ τα συγκριτικά πλεονεκτήματα της έναντι των άλλων ηλεκτρογεννητριών. Ειδικότερα, στην παρούσα διδακτορική διατριβή θα παρουσιαστούν δύο εναλλακτικές τοπολογίες και αντίστοιχα δύο διαφορετικές μεθοδολογίες, με τις οποίες μπορεί να επιτευχθεί βελτιστοποίηση της απόδοσης της ανεμογεννήτριας με ΕΓΔΤ. Στην πρώτη τοπολογία υπάρχει μεγαλύτερη ευελιξία στην υλοποίηση και στην αύξηση της απόδοσης, καθώς ελέγχεται εκτός από το μαγνητικό πεδίο και η συχνότητα λειτουργίας της ηλεκτρογεννήτριας. Ωστόσο απαιτείται μια μικρή αύξηση του εξοπλισμού και επιπλέον είναι πιο πολύπλοκη στην εφαρμογή της, σε σχέση με τη δεύτερη τοπολογία. Στη δεύτερη τοπολογία δεν απαιτείται πρόσθετος εξοπλισμός, αλλά μια αναδιάταξη της συνδεσμολογίας του ήδη υπάρχοντος και επίσης, είναι απλούστερη στην υλοποίηση. Ωστόσο απαιτείται η χρήση συστήματος αποθήκευσης ενέργειας στον dc-δίαυλο και επίσης δεν επιτρέπεται ο έλεγχο της συχνότητας του στάτη της ΕΓΔΤ με αποτέλεσμα να μειονεκτεί ως προς την αύξηση του βαθμού απόδοσης, σε σχέση με την πρώτη τοπολογία. Ειδικά η απαίτηση να υπάρχει σύστημα αποθήκευσης ενέργειας, μπορεί και να μην θεωρηθεί μειονέκτημα, γιατί συνήθως είναι απαραίτητο στοιχείο στις περισσότερες εγκαταστάσεις.Η επιλογή της βέλτιστης τοπολογίας εξαρτάται από τις απαιτήσεις σε βελτιστοποίηση της απόδοσης και τα οικονομικά περιθώρια που υπάρχουν σε αύξηση του κόστους εγκατάστασης της ανεμογεννήτριας, σε σχέση με το αποτέλεσμα σε αύξηση της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος.