Date of Award

4-2024

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Electrical Engineering (MSEE)

Department

Electrical and Communication Engineering

First Advisor

Rachid Errouissi

Abstract

A typical Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG)-based wind turbine system consists of an electrical generator, Machine-Side Converter (MSC), Grid-Side Converter (GSC), dc-link capacitor, and a passive filter such as L filter or LCL filter to connect the GSC to the host grid. When the wind turbine operates under unbalanced grid voltages, a negative sequence component is introduced to the system. This negative sequence voltage can pose challenges for classical controllers to ensure an efficient control of the PMSG-based wind turbine system. On one hand, when the control objective is to ensure injecting sinusoidal and balanced three-phase currents to the grid, voltage unbalance can cause active power to oscillate at double fundamental frequency. On the other hand, delivering constant active power to the grid, under unbalanced voltages, requires injecting sinusoidal and unbalanced three-phase currents to the grid. In the current control scheme, constant active power operation during unbalanced voltages can be achieved by setting the grid currents to follow appropriate sinusoidal and unbalanced current references. In power control scheme, these current references can be used to compute the active and reactive power commands required to achieve ripple-free active power under unbalanced voltage conditions. During unbalanced grid voltages, ripple-free active power can produce a sinusoidal oscillation of frequency 2𝜔 in the dc-link voltage, where 𝜔 is the grid frequency. This oscillation occurs due to periodic energy exchange between the inductance of the passive filter and the dc-link capacitor, as no active power oscillations are injected into the grid. This energy exchange also occurs between the dc-link voltage and the stator windings of the PMSG, resulting in 2𝜔 ripple in the torque of the generator. Thus, under unbalanced grid voltages, appropriate control strategies are required for the control of the GSC and MSC to enable efficient power exchange between the host grid and the wind turbine.

This thesis presents the design and performance evaluation of a robust control strategy for both GSC and MSC. Under balanced grid voltage conditions, GSC regulates the dc-link voltage through controlling either the current or the power injected into the grid, while the MSC regulates the stator currents of the PMSG aiming to maximize the power extracted from the wind. During unbalanced grid voltage conditions, the roles of GSC and MSC are interchanged. In particular, the MSC regulates the dc-link voltage through controlling the stator currents of the PMSG, while the GSC regulates the active power delivered to the grid to allow implementing the so-called “Fault Ride Through” algorithm. In this thesis, the proposed controller for both converters is based on combining a state-feedback controller with a disturbance observer. The feedback controller has the role of stabilizing the nominal closed-loop system, while the disturbance observer plays the role of a servo-compensator to cancel the effect of model uncertainties and unknown disturbances, considering the oscillatory behavior of disturbances under unbalanced grid voltages. Another advantage of the disturbance observer is its ability to achieve a seamless transition between the control schemes in response to sudden balance/unbalance event in grid voltages. The proposed controller also makes use of a notch filter to cancel the effect of the inherent dc-link voltage oscillations on the machine torque, particularly when the grid voltage is unbalanced.

Simulation tests are conducted to verify the performances of the proposed control technique using MATLAB Software considering realistic scenarios and adequate control parameters. The results demonstrate that the proposed control scheme can achieve good steady-state and transient performances under both balanced and unbalanced grid voltages. More importantly, the obtained results show that proposed controller is able to maintain good transient performances in response to sudden unbalance/balance events in the grid voltages.

Arabic Abstract


التحكم القائم على مراقبة الاضطراب لـPMSG في ظل ظروف الشبكة غير المتوازنة

تتكون توربينات الرياح المتزامنة القائمة على المغناطيس الدائم النموذجي من مولد كهربائي، ومحول من جانب الماكينة (MSC)، ومحول من جانب الشبكة (GSC)، ومكثف وصلة تيار مستمر، ومرشح سلبي لتوصيل GSC بالشبكة. عند التشغيل تحت الفولتية غير المتوازنة للشبكة، سيتم إدخال مكون تسلسل سلبي إلى النظام، والتفاعل بين جهد التسلسل الموجب والسلبي سوف تتأرجح الطاقة المحقونة في الشبكة بتردد أساسي مزدوج. يمكن تحقيق الطاقة النشطة الخالية من التموج أثناء جهد الشبكة غير المتوازن عن طريق ضبط تيارات الشبكة لتتبع مراجع التيار الجيبي وغير المتوازنة المناسبة. يمكن استخدام هذه المراجع الحالية لحساب أوامر الطاقة النشطة والتفاعلية التي سيتم تسليمها بواسطة الشبكة بهدف تحقيق مهمة الطاقة النشطة الخالية من التموج في ظل الفولتية غير المتوازنة للشبكة. ومع ذلك، فإن الطاقة النشطة الخالية من التموج أثناء جهد الشبكة غير المتوازن يمكن أن تنتج تذبذبا جيبيا للتردد 2𝜔 في جهد وصلة التيار المستمر. يمكن تفسير هذا التذبذب من خلال التبادل الدوري للطاقة المخزنة في مرشح L مع الطاقة المخزنة في مكثف link-dc حيث لا يتم حقن تذبذبات الطاقة النشطة في الشبكة. يمكن أن يحدث هذا التبادل الدوري للطاقة أيضاً بين جهد وصلة التيار المستمر ولفات الجزء الثابت لـPMSG، مما قد يؤدي إلى تموج 2𝜔 في عزم دوران PMSG. نظراً لعدم وجود مسار خارجي لهذا التذبذب. وبالتالي، في ظل الفولتية الشبكية غير المتوازنة، هناك حاجة إلى تقنيات تحكم متقدمة للسماح للتيارات والقوى النشطة والتفاعلية بتتبع مراجعها بدقة وقوة. تقدم هذه الأطروحة التصميم والتحقق التجريبي لاستراتيجية تحكم قوية لكل من GSC وMSC. في حالة جهد الشبكة المتوازن، تكون GSC مسؤولة عن تنظيم جهد وصلة التيار المستمر. بينما تتمثل الوظيفة الرئيسية لـMSC في زيادة استخراج الطاقة من الرياح باستخدام خوارزمية MPPT. في سياق جهد الشبكة غير المتوازن، يتم تبادل وظائف GSC وMSC. تتحمل MSC مسؤولية تنظيم جهد وصلة التيار المستمر، من ناحية أخرى، فإن وحدة تحكم GSC مسؤولة عن تنظيم الطاقة النشطة. تعتمد وحدة التحكم المقترحة على الجمع بين وحدة تحكم التغذية المرتدة للحالة ومراقب الاضطراب. يتم استخدام وحدة التحكم في التغذية المرتدة لتثبيت نظام الحلقة المغلقة، بينما يتم استخدام مراقب الاضطراب للتعويض عن تأثير عدم اليقين في النموذج مع الأخذ في الاعتبار السلوك التذبذبي للاضطرابات تحت الفولتية الشبكية غير المتوازنة. علاوة على ذلك، يتم تطبيق مرشح الشق على قياس جهد وصلة التيار المستمر قبل تغذيته في وحدة التحكم في جهد وصلة التيار المستمر من أجل إلغاء تأثير تموج 2𝜔 على وحدة التحكم في الجهد علاوة على ذلك، يتم تطبيق مرشح الشق لقياس جهد وصلة التيار المستمر لإلغاء تأثير تموج 2𝜔 على جهد وصلة التيار المستمر وعزم دوران الماكينة. تم إجراء اختبارات محاكاة وتجريبية مختلفة للتحقق من أداء تقنية التحكم المقترحة. أظهرت النتائج التي تم الحصول عليها أن كلا من مخطط التحكم في الطاقة ونظام التحكم الحالي قادران على تحقيق تتبع دقيق للمراجع اﻟﺠﯿﺒﯿﺔ ﻓﻲ ظﻞ ظﺮوف اﻟﺸﺒﻜﺔ اﻟﻤﺘﻮازﻧﺔ وﻏﯿﺮ اﻟﻤﺘﻮازﻧﺔ. ﻛﺎن اﻟﺘﺘﺒﻊ اﻟﺪﻗﯿﻖ ﻟﻤﺮاﺟﻊ اﻟﻄﺎﻗﺔ / اﻟﺘﯿﺎر ﺗﺤﺖ وﺣﺪة اﻟﺘﺤﻜﻢ اﻟﻤﺮﻛﺒﺔ ﻓﻌﺎلاً ﻓﻲ اﻟﻘﻀﺎء ﻋﻠﻰ ﺧﻄﺄ اﻟﺤﺎﻟﺔ اﻟﻤﺴﺘﻘﺮة وﺗﻤﻮﺟﺎت اﻟﻄﺎﻗﺔ اﻟﻤﺤﻘﻮﻧﺔ ﺗﺤﺖ ﻛﻞ ﻣﻦ اﻟﻔﻮﻟﺘﯿﺔ اﻟﺸﺒﻜﯿﺔ اﻟﻤﺘﻮازﻧﺔ وﻏﯿﺮ اﻟﻤﺘﻮازﻧﺔ.

Download
COinS