تحلیل پایداری و کنترل توربین بادی مبتنی بر DFIG با به کارگیری استراتژی FBC

محورهای موضوعی : انرژی های تجدیدپذیر

مجید طاووسی ¹ , بهادر فانی ² , احسان ادیب ³

1 - کارشناس ارشد/دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران
2 - استادیار/دانشگاه آزاد اسلامی واحد نجف آباد
3 - استادیار/دانشگاه صنعتی اصفهان

تاریخ دریافت : 1391/10/24 تاریخ پذیرش : 1392/06/31 تاریخ انتشار : 1392/08/10

کلید واژه: ژنراتور القایی تغذیه دوبل, آنالیز سیگنال کوچک, کنترل مبتنی بر Flatness,

چکیده مقاله :

ژنراتور القایی تغذیه دوبل مزایای متعددی نسبت به ژنراتورهای دیگر تولیدکننده‍ی برق بادی دارد. DFIG نسبت به کمبود ولتاژ پایانه‍ی ژنراتور بسیار حساس است. زیرا افت ولتاژهای عمیق باعث القای ولتاژهای ضد محرکه‍ی بزرگ در رتور می‌شود که این امر منجر به عبور جریانهای گذرای شدید از رتور و افزایش ولتاژ واسط dc در مبدل الکترونیک قدرت و در نتیجه آسیب دیدن مبدل الکترونیک قدرت می‌گردد. این مقاله در ابتدا به مدلسازی دینامیکی توربین باد DFIG در دستگاه مرجع شار استاتور می‍پردازد. سپس به کمک تحلیل سیگنال کوچک مشخص شده که رفتار دینامکی توربین باد مبتنی بر DFIG در حین کمبودهای شدید ولتاژ اساساًً تحت تأثیر دینامیک‌های استاتور است. در ادامه یک ساختار کنترل غیرخطی مبتنی بر Flatness برای بهبود عملکرد گذرای DFIG پیشنهاد شده است. مزیت اصلی این روش، امکان پیش‌بینی رفتار متغیرهای حالت سیستم در حالت ماندگار و گذراست. با توجه به غیرخطی بودن دینامیک‍های الکتریکی DFIG، کنترل غیرخطی تحت شرایط کمبود ولتاژ، مناسب‌تر از برنامه‌ی کنترل خطی عمل می‍کند. روش پیشنهادی دینامیک‍های استاتور را از طریق کنترل ولتاژ رتور و فیلتر سمت شبکه پایدار می‍کند. مطالعات شبیه سازی حوزه زمان، سودمندی کنترل غیرخطی در بهبود عملکرد دینامیکی DFIG در خلال کمبود ولتاژ پایانه را نشان می‌دهد

چکیده انگلیسی:

Doubly fed induction generator has numerous advantages in wind power generation over other types of generators. Once a DFIG is subjected to a large voltage dip, a large rotor voltage induces in the rotor windings. This leads to a large transient current in rotor circuit and the dc-link overvoltage, and may block power electronic converter operation. This paper first discusses dynamic modeling of  DFIG wind turbines with the stator flux orientation. Then, by small signal analysis, it is found that the dynamic behavior of the DFIG based WT during voltage dip, is strongly affected by the stator dynamics. Next, a nonlinear control strategy based on flatness is proposed to improve the DFIG transient performance. The main interest of this control method is the possibility to define the behavior of the state variable system in the steady state as well as in transients. Since the DFIG electrical dynamics are nonlinear; better control performance is achieved with nonlinear control, compared with the linear control scheme. The proposed approach stabilizes the stator dynamics through rotor and grid side filter voltage control. The results of time domain simulations validate the effectiveness the nonlinear control strategy during voltage dip of generator terminal.

منابع و مأخذ:

[1] GWEC. 2012. Global Wind Energy Council. Available from: http://www.gwec.net.

[2] M. Tazil, V. Kumar, R.C. Bansal, S. Kong, Z.Y. Dong, W. Freitas, H.D. Mathur, "Three-phase doubly fed induction generators: an overview",  IET Electric Power Applications, No.4,  pp.75-89, 2010.

[3] A. Petersson, L. Harnefors, T. Thiringer, "Evaluation of current control methods for wind turbines using doubly-fed induction machines", IEEE Trans. Power Electronics, Vol. 20, No. 1, pp. 227–235, 2005.

[4] M. Rahimi, M. Parniani, "Transient Performance Improvement of Wind Turbine With Doubly Fed Induction Generators Using Nonlinear Control Strategy", IEEE Trans. Energy Conversion, Vol. 25, No. 2, pp.514-525, 2010.

[5] L. Yang, G.Y. Yang, Z. Xu, Z.Y. Dong, K.P. Wong, X. Ma, "Optimal controller design of a doubly-fed induction generator wind turbine system for small signal stability enhancement", IET Generation, Transmission & Distribution, No. 4, pp.579-597, 2010.

[6] J.P.A. Vieira, M.V.A. Nunes, U.H. Bezerra, A.C. Nascimento, "Designing optimal controllers for DFIGs using a genetic algorithm", IET Generation, Transmission & Distribution, No.3, pp. 472-484, 2009.

[7] X.P. Wu, K. Zhang, P. Ju. Godfrey, "Small signal stability analysis and optimal control of a wind turbine with doubly fed induction generator", IET Generation, Transmission & Distribution, No.1, pp. 751-760, 2007.

[8] Y. Mishra, S. Mishra, M. Tripath, N. Senroy, Z. Dong, "Improving stability of a DFIG-based wind power system with tuned damping controller", IEEE Trans. Energy Conversion, Vol. 24, No. 3, pp. 650-660, 2009.

[9] M.H. Variani, K. Tomsovic, "Distributed automatic generation control using flatness-based approach for high penetration of wind generation", IEEE Trans. Power Sys., Vol. 1, No.1, pp. 1-8, 2013.

[10] P. Ledesma, J. Usaola, "Doubly fed induction generator model for transient stability analysis", IEEE Trans. Energy Conversion, Vol. 20, No. 2, pp.388-397, 2005.

[11] T. Ackerman, Wind Power in Power Systems. New York: Wiley, 2005.

[12] A. Houari, H. Renaudineau, J.P. Martin, S. Pierfederici, F. Meibody Tabar, "Flatness-based control of three-phase inverter with output LC filter", IEEE Trans. Industrial Elec., Vol. 59, No.7, pp. 2890-2897, 2012.

[13] M. Fliess, J.L. Evine, P.H. Martin, P. Rouchon, "Flatness and defect of nonlinear systems: Introductory theory and examples", Int. J. Cont., No. 6, pp. 1327–1361, 1995.