Rüzgar türbini sistemleri için çift beslemeli asenkron jeneratör kontrolü

Abstract

Değişken rüzgar enerjisi sistemlerinde aktif ve reaktif gücün bağımsız kontrolünün ve birim güç faktörü kontrolünün elde edilmesi zordur. Ancak, çift beslemeli asenkron jeneratör (DFIG), değişken rüzgar sistemlerine ve birim güç faktörü kontrolüne etkin bir şekilde yanıt verebildiği için çok uygun bir seçenektir. DFIG'nin kontrolü, karmaşık modeli ve stator ve rotorda üretilen elektrik gücünün her iki yönde akma olasılığı nedeniyle zordur. Bu çalışmada, DFIG'nin matematiksel modeli sunulmuş, rotor tarafındaki konvertörü ve dolayısıyla DFIG'de üretilen gücü etkin bir şekilde kontrol etmek için geleneksel kontrolörler (PI kontrolör) ve histeresis kontrolörleri tasarlanmıştır. Bu kontrolörlerin dinamik performans ve bozuculara karşı dayanıklılığını iyileştirmek, stator ve rotorun akım harmoniklerini azaltmak için gerilim yönlendirmeli kontrol yöntemi, üstün burulma algoritmalı kayan kipli kontrolör (STSMC) ile birleştirilerek sağlam bir kontrol şeması tasarlanmıştır. Tasarlanan şemada, rotor akımları doğrudan STSMC'nin eşdeğer kontrol kuralına dahil edildiğinden, aktif ve reaktif güç, rotor akımının iç döngüsü kullanılmadan doğrudan kontrol edilmiştir. Tezin gelişme bölümünde, matematiksel model verilmiştir. Bu modele göre, DFIG için aktif ve reaktif güç denklemleri, mekanik ve elektromanyetik tork denklemleri elde edilmiştir. Sonra detaylı olarak incelenen kontrol yöntemleri çıkartılmıştır. Bu tezde tasarlanan kontrol yöntemleri, DFIG'nin aktif ve reaktif gücünün doğrudan ve dolaylı kontrolü olarak sınıflandırılabilir. Doğrudan kontrolde, talep edilen aktif ve reaktif güç değerleri için referans rotor akımlarının elde edilmesine gerek kalmaz. Kontrol yöntemleri Matlab/Simulink'te oluşturulmuş ve detaylı simülasyon sonuçları sunulmuştur. Elde edilen sonuçlara göre, incelenen kontrol yöntemlerinin tepki hızı, çıtırtı azaltma ve kontrol edilen durum değişkenlerinin kararlı durum doğruluğu açısından kapsamlı bir karşılaştırma verilmiştir. Simülasyon sonuçları, sistemin dinamik tepkisini geliştirerek, ve stator ve rotorun akım harmoniklerini azaltarak STSMC kullanan doğrudan güç kontrol yönteminin üstünlüğünü göstermiştir. Bu tezin, son yıllarda DFIG jeneratörü kullanılarak değişken hızlı rüzgar türbinleri ile yapılan çalışmalara olumlu katkı sağlaması amaçlanmıştır.

The independent control of the active and reactive power in the variable wind power systems and the unity power factor control is difficult to achieve. However, the doubly-feed induction generator (DFIG) is a very suitable option as it can respond effectively to variable wind systems and the unity power factor control. The control of DFIG is tricky due to its complex model and the possibility that the generated electric power in the stator and the rotor flow in both directions. In this study, the mathematical model of DFIG was presented and various control methods were designed and studied based on traditional controllers (PI controller), and hysteresis controllers. To improve the dynamic performance and robustness against disturbances, and to reduce current harmonics of the stator and rotor, a robust control scheme was designed by combining the voltage-oriented control method with the super twisting sliding mode controller (STSMC). In the designed scheme, the active and reactive power was controlled directly without using of the inner loop of the rotor current, as the rotor currents were directly included in the equivalent control law of the STSMC. In the body section of the thesis, the mathematical model was created. According to this model, the active and reactive power equations, and mechanical and electromagnetic torque equations were obtained. Then examined control methods were derived in detail. The designed control methods in the thesis can be classified as direct and indirect control of the active and reactive power of the DFIG. In the direct control, there will be no need to obtain the reference rotor currents for the demanded active and reactive power values. The studied control methods were built in Matlab/Simulink and detailed simulation results were presented. According to the obtained results, a comprehensive comparison of the studied control methods was given in regarding response speed, reduced chattering, and steady-state accuracy of the state variables to be controlled. The simulation results showed the superiority of the direct power control method using the STSMC by improving the dynamic response of the system and reducing the current harmonics of the stator and rotor. This thesis is intended to provide a positive contribution to the studies carried out with variable speed wind turbines using the DFIG generator in recent years.