کنترل برداری سرعت و و توان راکتیو ژنراتور القایی دوتحریکه بدون جاروبک مبتنی به روش کنترل غیرخطی

محورهای موضوعی : انرژی های تجدیدپذیر

داود ابوترابی زارچی ¹ (دانشکده مهندسی– دانشگاه یزد، یزد، ایران)
حسین ابوترابی زارچی ² (دانشکده مهندسی– دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران)
حمیدرضا مصدق حصار ³ (دانشکده مهندسی– دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران)
محمدعلی صلاح منش ⁴ (دانشکده مهندسی– دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران)

تاریخ دریافت : 1400/08/26 تاریخ پذیرش : 1400/11/15 تاریخ انتشار : 1402/06/01

کلید واژه: سیستم تطبیقی مدل مرجع, ژنراتور القایی دوتحریکه بدون جاروبک, کنترل سرعت و توان راکتیو, کنترل‌کننده ترکیبی حالت لغزشی و PI,

چکیده مقاله :

ژنراتور القایی دوتحریکه بدون جاروبک یکی از عناصر مهم خانواده ژنراتورهای جریان متناوب با تغذیه دوگانه است که در سال‌های اخیر به مرزهای تجاری سازی نزدیک شده است. این ژنراتور، برخی از خصوصیات بارز ژنراتور القایی قفس سنجابی و ژنراتور سنکرون معمولی را به طور همزمان داراست و در عین حال، به یک مبدل با ظرفیتی کمتر از ظرفیت نامی ژنراتور نیاز دارد. یکی از چالش های مهم در مسیر تکامل این ژنراتور، مسئله کنترل آن و ضرورت حضور یک کنترل کننده مناسب و کارا برای پایدارسازی ژنراتور در محدوده سرعت کاری و نیز تامین سایر الزامات عملکرد دینامیکی و حالت ماندگار است. لذا، در این مقاله یک طرح کنترل برداری جامع مبتنی بر روش های کنترل غیرخطی ارائه می شود. بر این اساس وظیفه کنترل سرعت ژنراتور بر عهده کنترل مدل مرجع قرار می گیرد. همچنین برای کنترل همزمان توان راکتیو و گشتاور از روش کنترلی مبتنی بر ترکیب حالت لغزشی و متناسب-انتگرال گیر (PI) استفاده می شود. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که با استفاده از ساختار کنترلی مزبور، پاسخ دینامیکی سیستم در شرایط مختلف مانند تغییر توان مکانیکی ورودی و سرعت مرجع بسیار مناسب تر از زمانی است که از کنترل کننده خطی استفاده می شود.

چکیده انگلیسی:

The brushless doubly fed induction generator (BDFIG) is one of the main members of doubly fed electrical generators which has come close to commercialization in recent years. This generator has some of outstanding features of squirrel cage induction generator and conventional synchronous generator, and at the same time, it requires a partially rated converter. One of the major challenges in the evolution of this generator is the problem of controlling it and the necessity of having a suitable and efficient controller to stabilize the generator in the operating speed range. Therefore, in this paper, a comprehensive vector control scheme based on nonlinear control methods is proposed. Accordingly, a reference model controller fulfills the control of rotor speed. In addition, for simultaneous control of reactive power and torque, a combined approach based on sliding mode and PI controllers are used. The simulation results show in presence of the mentioned control structure, the dynamic response of system in different conditions such as change of mechanical input power and reference speed variation is much more appropriate than when a linear controller is used.

منابع و مأخذ:

[1] H.R. Mosaddegh Hesar, H. Abootorabi Zarchi, G.R. Arab Markadeh, “Online MTPTA and MTPIA control of brushles doubly-fed induction motor drives”, IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 36, no. 1, pp. 691-701, Jan. 2021 (doi: 10.1109/TPEL.2020.3000150).

[2] M. Yousefian, H. Abootorabi Zarchi, H. Gorginpour, “Modified steady state modelling of brushless doubly fed induction generator taking core loss components into account”, IET Electric Power Applications, vol. 13, no. 9, pp. 1402-1412, Sept. 2019 (doi: 10.1049/iet-epa.2019.0133).

[3] S. Abdi, E. Abdi, R. McMahon, “A Study of unbalanced magnetic pull in brushless doubly-fed
machines”, IEEE Trans. on Energy Conversion, vol. 30, no. 3, pp. 1218-1227, Sept. 2015 (doi: 10.1109­/TE­C­.2015.2394912).

[4] S. Abdi, E. Abdi, A. Oraee, R. McMahon, “Investigation of magnetic wedge effects in large-scale BDFMs”, Proceeding of the IET/RPG, pp. 1-4, Beijing, China, Sept. 2013 (doi: 10.1049/cp.2013.1849).

[5] U. Shipurkar, K. Ma, H. Polinder, F. Blaabjerg, J.A. Ferreira, “A review of failure mechanisms in
wind turbine generator systems”, Proceeding of the IEEE/EPE, pp. 1-10, Geneva, Switzerland, Sept. 2015 (doi: 10.1109/EPE.2015.7311669).

[6] F. Zhang, S. Yu, Y. Wang, S. Jin, M.G. Jovanovic, “Design and performance comparisons of
brushless doubly fed generators with different rotor structures”, IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 66, no. 1, pp. 631-640, Jan. 2019 (doi: 10.1109/TIE.2018.2811379).

[7] L. Jia, “Equivalent circuit parameters calculation of a wound rotor brushless doubly-fed machine based on finite element analysis”, Proceeding of the IEEE/INTERMAG, pp. 1-1, Beijing, China, May 2015 (doi: 1­0­.1­1­09­/INTMAG.2015.7157610).

[8] H. Gorginpour, H. Oraee, R.A. McMahon, “A novel modeling approach for design studies of brushless doubly fed induction generator based on magnetic equivalent circuit”, IEEE Trans. on Energy Conversion, vol. 28, no. 4, pp. 902-912, Dec. 2013 (doi: 10.1109/TEC.2013.2278486).

[9] R. Sadeghi, S.M. Madani, M. Agha-kashkooli, M. Ataei, “Reduced-order model of cascaded doubly fed induction generator for aircraft starter/generator”, IET Electric Power Applications, vol. 12, no. 6, pp. 757-766, July 2018 (doi: 10.1049/iet-epa.2017.0579 ).

[10] F. Barati, S. Shao, E. Abdi, H. Oraee, R. McMahon, “Generalized vector model for the brushless d­o­ub­ly-fed machine with a nested-loop rotor”, IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 58, no. 6, pp. 2313-2321, June 2011 (doi: 10.1109/TIE.2010.2064279).

[11] I. Sarasola, J. Poza, M.A. Rodriguez, G. Abad, “Direct torque control design and experimental  e­va­lu­ation for the brushless doubly fed machine”, Energy Conversion Management, vol. 52, no. 2, pp. 1226-
1234, Feb. 2011 (doi: 101016/jenconman201009018).

[12] M. Ahmadian, B. Jandaghi, H. Oraee, “Maximum torque per Ampere operation of brushless doubly-fed induction machines”, Renewable Energy and Power Quality Journal, vol. 1, no. 9, pp. 981-985, May 2011 (doi: 10.24084/repqj09.518).

[13] J. Poza, E. Oyarbide, D. Roye, I. Sarasola, “Stability analysis of a BDFM under open loop voltage control”, Proceeding of the IEEE/EPE, pp. 1-10, Dresden, Germany, 11-14 Sept. 2005 (doi: 10.1109/EPE­.2005.­21­953­6).

[14] A. Dountio, E.D. Kenmoe Fankem, G. Golam, “Control of a BDFIG based on current and sliding mode predi­ctive approaches”, Journal of Control, Automation and Electrical Systems, vol. 31, no. 1, pp. 636-647,  Jan. 2020 (doi: 10.1007/s40313-020-00566-z).

[15] I. Sarasola, J. Poza, E. Oyarbide, M.A. Rodriguez, “Stability analysis of a brushless doubly-fed machine under closed loop scalar”,  Proceeding of the IEEE/IECON, pp. 1527-1532, Paris, France, Nov. 2006 (doi: 10.1­109/IECON.2006.347553).

[16] K.S.A. EL-Naeem, G. El-Saady, A. Yousef, E.A. Ibrahim, “Anti-colony PI controllers based high perfor­man­ce brushless doubly fed induction generator driven by wind turbine”, Proceeding of the IEEE/ CPERE, pp. 51-56, Aswan, Egypt, Feb. 2020 (doi: 10.1109/CPERE45374.2019.8980253).

[17] K. Ji, S. Huang, “Direct flux control for stand-alone operation brushless doubly fed induction generators using a resonant-based sliding-mode control approach”,   Energies, vol. 11, no. 4, pp. 220-228, April 2018 (doi: 0.3390/en11040814).

[18] J. Poza, E. Oyarbide, I. Sarasola, M. Rodriguez, “Vector control design and experimental evaluation for the brushless doubly fed machine”, IET Electric Power Applications, vol. 3, no. 4, pp. 247-256, July 2009 (doi: 10.10­49/iet-epa.2008.0090).

[19] J. Yang, W. Tang, G. Zhang, Y. Sun, S. Ademi, F. Blaabjerg, Q. Zhu, “Sensorless control of brushless doubly fed induction machine using a control winding current MRAS observer”,  IEEE Tran. on Industrial  Electronics, vol. 66, no. 1, pp. 728-738, Jan. 2019 (doi: 10.1109/TIE.2018.2831168).

[20] R. Sadeghi, S.M. Madani, M. Ataei, M.R. Agha-Kashkooli, S. Ademi, “Super-twisting sliding mode direct power control of a brushless doubly fed induction generator”, IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 65, no. 11, pp. 9147-9156, Nov. 2018 (doi: 10.1109/TIE.2018.2818672).

[21] L. Sun, Y. Chen, J. Su, D. Zhang, L. Peng, Y. Kang, “Decoupling network design for inner current loops of stand-alone brushless doubly fed induction generation power system”,  IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 33, no. 2, pp. 957-963, Feb. 2018 (doi: 10.1109/TPEL.2017.2734108).

[22] J. Chen, W. Zhang, B. Chen, Y. Ma, “Improved vector control of brushless doubly fed induction generator under unbalanced grid conditions for offshore wind power generation”,  IEEE Trans. on Energy Conversion, vol. 31, no. 1, pp. 293-302, Mar. 2016 (doi: 10.1109/TEC.2015.2479859).

[23] R. Tafazzoli-Mehrjardi, N. Farrokhzad-Ershad, B. Rahrovi, M. Ehsani, “Brushless doubly-fed induction machine with feed-forward torque compensation control”, Proceeding of the IEEE/TPEC, pp. 1-6, Texas, USA, Feb. 2021 (doi: 10.1109/TPEC51183.2021.9384974).

[24] H.K. Khalil, “Nonlinear Control”, Pearson, 3^rd Edition, Dec. 2001.

[25] H.R. Mosaddegh, H. Abootorabi-Zarchi, “Maximum torque per Ampere control of brushless doubly fed induction generator using variable structure approach for wind turbine applications”, Journal of Electric Systems and Signals, vol. 3, no. 1, pp. 1-8, Spring 2015 (doi: 10.22067/ESS.V3I1.31039).

[26] H. Moghadassi, M.R. Moradian, “Dynamic response and low-voltage ride-through improvement for a DFIG, using an integral sliding mode controller with an adjustable reactive power reference value”, Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 14, no. 55, pp. 13-26, Dec. 2023 (in Persian).

[27] C. Lascu, I. Boldea, F. Blaabjerg, “Direct torque control of sensorless induction motor drives: A sliding-mode approach”, IEEE Trans. on Industry Applications, vol. 40, no. 2, pp. 582-590, April 2004 (doi: 10.11­09/­TIA.2004.824441).