Διερεύνηση της λειτουργικής συμπεριφοράς συστήματος μετατροπής αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική αποτελούμενο από ασύγχρονη μηχανή διπλής τροφοδοσίας και ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος σε δυναμικές καταστάσεις

Abstract

In last decades, the so-called “renewable or green energies” have gained the worldwide community interest, because of the increasing demand of electric power and the urgent need to reduce the dependence on fossil fuels. During last years, wind energy has grown over standing today as the leader of the RES. Initially, the Fixed Speed Wind Energy Conversion Systems (FS-WECS) have been designed. However, due to the need of maximum power production in a wider wind speed range, Variable Speed Wind Energy Conversion Systems (VS-WECS) have been developed and prevailed in recent years. The VS-WECS are divided into two types (technologies). The first one is the variable speed concept with the Doubly-Fed Induction Generator (DFIG-WECS) and the other type is equipped with a full-scale power electronic converter. Between these two technologies the DFIG-WECS has become the most popular due to the fact that it can be operated under a wide range of wind speed. In addition, establishing the power electronic converter in the rotor circuit, through which only the 30% of the total power is transferred, results in better and lower power converter dimensioning. So, DFIG-WECS becomes an economical choice. However, problems arise in the operational behavior of these systems when they operate under dynamic conditionsThis thesis deals with this problem and specifically with the investigation of the operational behavior of the DFIG-WECS under strong dynamic conditions. According to the international literature, the most common dynamic conditions for DFIG-WECS occur when faults occur (endogenous factors). Typical faults that have been investigated mostly due to their severity for the smooth operation of these WECS are: symmetrical and asymmetrical grid faults, like voltage sags, symmetrical and asymmetrical short-circuits etc. Other typical types of faults in wind energy conversion systems are the faults in induction machine. Also, a kind of fault, which is very likely to happen, is the open- or short- circuit in the switches of the back-to-back power electronic converter. Another important dynamic condition s affecting DFIG’s operational behavior is wind speed variations especially wind gusts (exogenous factor). The results of this research are important because they can be used by a global control system of DFIG-WECS for controlling smoothly their operational behavior.The method adopted for carrying out the above investigation is simulation in Matlab/ Simulink. This was due to the fact that there are difficulties implementing so large scale systems in the laboratory and also these dynamic conditions.In our work we followed the following steps. Firstly, thewholeDFIG-WECShasbeenconsideredindetailanditsoperationprincipleshavebeenanalyzedinsteadystate. This detail has been used as a basis for the DFIG dynamic model development. Subsequently, each part of the DFIG dynamic model has been analyzed using dynamic equations and a model of a 2 MW system in Matlab/ Simulink has been developed, firstly implemented with open loop control system and secondly with a closed loop control system. Secondly, a constant wind speed, the operational behavior of the DFIG has been studied under subsynchronous mode both in healthy and in faulty condition. More specifically, the faults, that have been considered, are open-circuit faults in the IGBTs of the back-to-back power electronic converter, grid short-circuits (1φ, 2φ, 3φ)and voltage sags (symmetrical and asymmetrical). As far as open-circuit faults are concerned, the waveforms and the harmonic spectrum of basic system variables could be the basis of a diagnosis method development. In addition, the DFIG synchronization process has been studied implementing a grid voltage zero-crossing method.Thirdly, the whole DFIG model, consisting of the wind turbine, pitch control system, MPPT system, asynchronous machine, back-to-back power electronic converter and its closed loop control system implementing vector control, a transformer and grid, has been developed and simulated under strong dynamic conditions, that have been referred before. More specifically, the DFIG reaction under different wind gust profiles (with ramp and step function profile) and also under converter faults (open- and short-circuit) has been investigated. Moreover, a sensitivity analysis of the pitch control system has been carried out. In addition, in this thesis an investigation on how does the choice of the DFIG parameter values affect on the whole system behavior has been done via simulation. A second model of a 5 MW DFIG has also simulated under a wind gust and converter faulty condition in Matlab/ Simulink to compare its behavior with the corresponding one of the 2 MW system. Also, an “anti-windup” system has been implemented and added in all of the PI controllers to improve system behavior under a wind gust (both with step function and with ramp profile).Interpreting the results of the simulations, it has been concluded that the most severe dynamic condition is the wind gust and especially the one with step function profile. The second one is the short-circuits in IGBTs, but it is less possible to happen than the open-circuit faults that cause great torque oscillations and overcurrents in DFIG rotor and this could lead to system breakdown. The third one is the short-circuit in rotor terminals. More specifically, a 2φ short-circuit causes torque oscillations (possible mechanical part damage), while a 3φ short-circuit causes very high peak rotor current values (possible electrical part damage). If grid voltage is harmonically distorted, oscillations in basic system variables (e.g. rotor speed, torque, machine currents) appear and this also has been observed when an oscillation in wind speed has been considered. Moreover, great torque and machine currents oscillations appear in case that an open-circuit fault occurs in DC link.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται τη διερεύνηση της λειτουργικής συμπεριφοράς του αιολικού συστήματος με ασύγχρονη γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας και ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος κατά τη διάρκεια ισχυρών δυναμικών καταστάσεων. Το κίνητρο για τη διερεύνηση αυτή ήταν η ανάγκη να μελετηθούν και να αναδειχθούν οι συνέπειες αυτών των δυναμικών καταστάσεων τόσο στη λειτουργία και στην υπόσταση του αιολικού συστήματος όσο και στο δίκτυο, στο οποίο είναι συνδεδεμένο αυτό το αιολικό σύστημα. Η λύση σε αυτό το διερευνητικό πρόβλημα οδηγεί σε γνώση που είναι πολύτιμη στον εμπλουτισμό τέτοιων αιολικών συστημάτων με βελτιωμένες ικανότητες επιτήρησης και ελέγχου της λειτουργίας των. Οι δυναμικές καταστάσεις που προσομοιώθηκαν ήταν οι ριπές ανέμου (εξωγενείς παράγοντες), με βηματική μεταβολή και με μορφή ράμπας, τα σφάλματα στα ημιαγωγικά στοιχεία των δύο μετατροπέων, τα σφάλματα στους ακροδέκτες του δρομέα της μηχανής, σφάλματα δικτύου και τέλος σφάλματα στο ζυγό συνεχούς διασύνδεσης (ενδογενείς παράγοντες). Επίσης, διερευνήθηκε η επίδραση των παραμέτρων του συστήματος ελέγχου της γωνίας βήματος πτερυγίου και των παραμέτρων της μηχανής στην απόκριση του αιολικού συστήματος θεωρώντας ένα προφίλ ριπής ανέμου με μορφή ράμπας. Επίσης, στο κεφάλαιο αυτό υλοποιήθηκε ένα σύστημα προστασίας «anti-windup» και εξετάστηκε η επίδραση αυτού στην απόκριση του αιολικού συστήματος κατά την εμφάνιση ριπών ανέμου. Παρατηρήθηκε δε σοβαρή βελτίωση αυτής με εξάλειψη ή μείωση των αιχμών στα ρεύματα του δρομέα και των ταλαντώσεων στη ροπή. Ακόμα, έγινε και μία σύγκριση της απόκρισης του συστήματος με έλεγχο ανοιχτού και κλειστού βρόχου.Το πρωτότυπο στοιχείο της διατριβής είναι: η γνώση που αποκτήθηκε για τη λειτουργική συμπεριφορά αυτών των συστημάτων κάτω από συνθήκες δυναμικών καταστάσεων, προσομοιώνοντας το συνολικό μοντέλο τους, και υπερτερεί εκείνης που είναι γνωστή έως σήμερα.Πιο αναλυτικά, στο κεφάλαιο 1 γίνεται μία γενική αναφορά στις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (Α.Π.Ε.) και στα θέματα που απασχολούν την ερευνητική κοινότητα σχετικά με το σύστημα με ασύγχρονη γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας και παρουσιάζονται οι στόχοι της παρούσας διατριβής.Στο κεφάλαιο 2 γίνεται μία αναλυτική περιγραφή των διαφόρων τεχνολογιών που χρησιμοποιούνται στα σύγχρονα συστήματα μετατροπής αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική, όσον αφορά και τα δύο, το ηλεκτρικό αλλά και το μηχανικό τμήμα των συστημάτων αυτών. Αρχικά, παρουσιάζονται οι διάφορες κατηγορίες των ανεμοκινητήρων ─ ανάλογα με τον προσανατολισμό τους σε σχέση με τον άνεμο (κατακόρυφου, οριζόντιου άξονα), αλλά και με τη λογική της λειτουργίας των (σταθερών, μεταβλητών στροφών). Στη συνέχεια, περιγράφονται οι διάφορες κατηγορίες μηχανικού ελέγχου των ανεμοκινητήρων (ενεργητικός, παθητικός έλεγχος) και τέλος παρουσιάζονται οι διάφορες τοπολογίες συστημάτων μετατροπής αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική.Στο κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται αναλυτικά οι βασικές αρχές λειτουργίας του συστήματος μετατροπής αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική, το οποίο αποτελείται από τη γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας και έναν μετατροπέα AC/DC/AC. Αρχικά, εξηγείται η βασική αρχή λειτουργίας του συγκεκριμένου συστήματος, βλέποντάς το κυρίως από τη σκοπιά της μετατροπής από μια μορφή ενέργειας στην άλλη, ξεκινώντας από την αιολική και καταλήγοντας στην ηλεκτρική. Ακόμη, γίνεται μία παρουσίαση των βασικών αρχών λειτουργίας (σε μόνιμη κατάσταση) για το κάθε τμήμα του συγκεκριμένου συστήματος (ανεμοκινητήρας, γεννήτρια, ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος) με σκοπό την πλήρη κατανόηση της λειτουργίας του συστήματος αυτού. Επίσης, η κατανόηση της λειτουργίας σε μόνιμη κατάσταση, θα αποτελέσει τη βάση για περεταίρω διερεύνηση όσον αφορά τη συμπεριφορά του σε διάφορα δυναμικά φαινόμενα, τα οποία θα μελετηθούν με τη βοήθεια του λογισμικού πακέτου Matlab/ Simulinkστο επόμενο κεφάλαιο (κεφάλαιο 4).Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται και αναλύονται τα δυναμικά μοντέλα κάθε τμήματος του συστήματoς μετατροπής αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική με χρήση ασύγχρονης γεννήτριας διπλής τροφοδοσίας. Επίσης, περιγράφεται και ο τρόπος «κατασκευής» των μοντέλων αυτών στο πρόγραμμα προσομοίωσης που επιλέχθηκε (Matlab/Simulink).Στο κεφάλαιο 5 διερευνάται η λειτουργική συμπεριφορά του αιολικού συστήματος στην υποσύγχρονη λειτουργία, δηλαδή για αριθμό στροφών κάτω από το σύγχρονο αριθμό στροφών με τη βοήθεια του λογισμικού πακέτου Matlab/Simulink, θεωρώντας την ταχύτητα του ανέμου σταθερή για κάθε προσομοίωση και σύστημα ελέγχου ανοιχτού βρόχου. Οι περιπτώσεις που προσομοιώνονται αφορούν τόσο την υγιή κατάσταση όσο και υπό σφάλματα, όπως ανοιχτοκύκλωμα στα ημιαγωγικά στοιχεία του μετατροπέα «back-to-back», πράγμα που μπορεί να αποτελέσει βάση για την ανάπτυξη μίας μεθόδου διάγνωσης, στον κλάδο της συνεχούς διασύνδεσης και σφάλματα στο δίκτυο, όπως μονοφασικό, διφασικό και τριφασικό βραχυκύκλωμα και πτώση της τάσης δικτύου, συμμετρική και ασύμμετρη. Επιπλέον, μελετάται η διαδικασία διασύνδεσης του αιολικού συστήματος με το δίκτυο με χρήση της μεθόδου ανίχνευσης μηδενικού σημείου της τάσης του δικτύου.Στο κεφάλαιο 6 διεξάγεται μία μελέτη της λειτουργικής συμπεριφοράς του συνολικού αιολικού συστήματος με ασύγχρονη γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας και ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος κατά την εμφάνιση αρκετά δυσμενών και έντονων δυναμικών φαινομένων με τη βοήθεια του λογισμικού πακέτου Matlab/Simulink. Γίνεται μία ποσοτική και ποιοτική ανάλυση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν από τις εκάστοτε προσομοιώσεις, προκειμένου να βγουν συμπεράσματα και να αναδειχθούν οι συνέπειες διαφόρων δυναμικών φαινομένων στη λειτουργία του συστήματος αυτού, ειδικά όσον αφορά την ποιότητα ισχύος και πιθανή διακινδύνευση κάποιου τμήματος ─ του μηχανικού ή του ηλεκτρικού μέρους. Εδώ πρέπει να τονιστεί ότι στις προσομοιώσεις που διεξήχθησαν θεωρήθηκε ολόκληρο το αιολικό σύστημα, όπως παρουσιάστηκε στα κεφάλαια 3 και 4, δηλαδή ανεμοκινητήρας, ασύγχρονη μηχανή διπλής τροφοδοσίας, μετατροπέας «back-to-back» και τα συστήματα ελέγχου του ανεμοκινητήρα ─ έλεγχος γωνίας βήματος πτερυγίου και εύρεσης σημείου μέγιστης ισχύος ─ και της παλμοδότησης των μετατροπέων, όπου υλοποιήθηκε διανυσματικός έλεγχος. Τα δυναμικά φαινόμενα, που μελετούνται, αφορούν απότομες μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου (ριπές ανέμου), πολύ χαμηλές ταχύτητες ανέμου κοντά στο όριο αναγκαστικής αποσύνδεσης, σφάλματα στα ημιαγωγικά στοιχεία των μετατροπέων, συνδυασμός ριπής και σφάλματος στον ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος, σφάλματα στο ζυγό συνεχούς διασύνδεσης και στα τυλίγματα του δρομέα. Επίσης, θεωρώντας ένα συγκεκριμένο προφίλ ριπής (το οποίο είναι πιθανό να εμφανιστεί), διεξάγεται μία διερεύνηση της ευαισθησίας του συστήματος ελέγχου της γωνίας του βήματος πτερυγίου η οποία προσδιορίζεται από τις παραμέτρους του, δηλαδή από την γωνία β και από τον ρυθμό μεταβολής αυτής β ̇. Επιπρόσθετα, διερευνάται η επίδραση της επιλογής των παραμέτρων της μηχανής στην απόκριση του συστήματος κατά τη διάρκεια μίας ριπής με μορφή ράμπας και προσομοιώνεται ένα αιολικό σύστημα μεγαλύτερης ισχύος σε χαρακτηριστικές δυναμικές καταστάσεις. Επίσης, στο κεφάλαιο αυτό υλοποιήθηκε ένα σύστημα προστασίας «anti-windup» και εξετάστηκε η επίδραση αυτού στην απόκριση του αιολικού συστήματος κατά την εμφάνιση ριπών ανέμου. Παρατηρήθηκε δε σοβαρή βελτίωση αυτής με εξάλειψη ή μείωση των αιχμών στα ρεύματα του δρομέα και των ταλαντώσεων στη ροπή.Στο κεφάλαιο 7 γίνεται μία σύγκριση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν από την προσομοίωση του συστήματος θεωρώντας την ταχύτητα του ανέμου σταθερή και ανοικτό βρόχο ελέγχου κάτω από φυσιολογικές και μη συνθήκες λειτουργίας με τις αντίστοιχες με κλειστό βρόχο ελέγχου. Επιπλέον, διεξάγεται μία σύγκριση και αξιολόγηση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν από τις προσομοιώσεις του μοντέλου του συνολικού συστήματος κάτω από διάφορες ισχυρές διαταραχές, οι οποίες μπορεί να συμβούν κατά τη λειτουργία ενός τέτοιου συστήματος. Τα κριτήρια για την αξιολόγηση αυτή είναι η σοβαρότητα των συνεπειών των διαταραχών αυτών στη λειτουργία και στη διάρκεια ζωής του αιολικού συστήματος, όπως επίσης λαμβάνεται υπόψη και η επίδραση των διαταραχών αυτών στο δίκτυο και στους καταναλωτές.Στο κεφάλαιο 8 παρατίθενται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την παρούσα διατριβή και αναφέρονται κάποιες προοπτικές για μελλοντική έρευνα.