Publication: Sliding mode control in grid-connected wind farms for stability enhancement
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Publication date
2012
Defense date
2012-06-22
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Abstract
Aiming at reducing the rather high percentage of CO2 emissions attributed to the electrical energy production industry, a new generation of power plants has been introduced which produce electricity by using primary energy resources which are said to be renewable, such as wind, solar, geothermal and biomass. This has had not only the benefit of reducing CO2 emissions into the atmosphere to a trickle, by the new power plants but to also encourage a great deal of technological advance in both the manufacturing sector and in research institutions. Wind power is arguably the most advanced form of renewable energy generation today, from the bulk energy production and economic vantages. This doctoral thesis rigorously deals with the analysis, assessment and description of the impact of double-fed variable speed wind turbine on the dynamic behaviour of both, the wind farm itself and its interconnection with the conventional power generation system. Analytical analysis of the results published in the open literature is used as a tool to gain a solid understanding of the dynamic behaviour of power systems with wind generation. The influence of the characteristics of the electrical system and wind turbines or external parameters on stability is assessed using modal analysis. Studies conducted have focused on the analysis of transient stability and small signal stability for the damping of oscillations in power systems and its enhancement. Analysis of small signal stability and transient stability analysis are carried out using modal analysis and dynamic simulations in the time domain. This thesis proposes the implementation of sliding mode control techniques for the DFIG WT converters, both the Machine-Side Converter (MSC) and the Grid-Side Converter (GSC). The proposed control system is assessed on conventional dynamic power systems with wind power generation under different test case scenarios. The newly developed SMC control scheme demonstrates the importance of employing non-linear control algorithms since they yield good operational performances and network support. This is of the utmost important since in power systems with wind power generation is critically important to ensure the robust operation of the whole system with no interaction of controllers. Sliding Mode Control shows to be more robust and exible than the classical controller, opening the door for a more widespread future participation of DFIG-WECS in the damping of power system oscillations. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Con el objetivo de reducir el elevado porcentaje de las emisiones de CO2 atribuidas al sector de la generación de energía eléctrica, se ha introducido una nueva generación de centrales eléctricas cuya fuente primaria de energía es de naturaleza renovable como las eólicas, solares, geotérmicas y de biomasa. Esto no sólo beneficia la reducción de las emisiones de CO2 a la atmósfera sino que también estimula e impulsa el avance tecnológico, tanto en el sector manufacturero como en los centros de investigación. En la actualidad la energía eólica es probablemente la fuente de energía renovable más avanzada, desde la producción de energía hasta las ventajas económicas. La presente Tesis Doctoral se ha centrado en analizar, evaluar y describir rigurosamente el impacto de los aerogeneradores de velocidad variable doblemente alimentados en el comportamiento dinámico tanto del propio sistema eólico como de su interconexión con el sistema síncrono convencional de generación de energía eléctrica. El análisis analítico de los resultados publicados en la literatura es utilizado como herramienta para una mejor comprensión del comportamiento dinámico de los sistemas de potencia con generación eólica. La influencia de las características del sistema eléctrico y de los aerogeneradores o parámetros externos sobre la estabilidad es evaluada empleando análisis modal. Los estudios realizados se han enfocado en el análisis de estabilidad transitoria y de pequeña señal para la evaluación de la amortiguación de oscilaciones en las redes eléctricas de potencia. Análisis de estabilidad de pequeña señal y análisis de estabilidad transitoria son llevados a cabo usando análisis modal y simulaciones dinámicas en el dominio del tiempo. En esta tesis se propone la aplicación de técnicas de control en modo deslizante en los convertidores de los aerogeneradores doblemente alimentados, tanto en el convertidor de la máquina como en el convertidor de la red. El sistema de control propuesto es evaluado en redes dinámicas de generación convencional con generación eólica, considerando diferentes escenarios. El recientemente desarrollado sistema de control CMD demuestra la importancia de implementar algoritmos de control no lineales, ya que producen un buen rendimiento y dan soporte a la red. Esto es sumamente importante ya que en los sistemas de potencia con generación de energía eólica es vital asegurar el funcionamiento eficiente de todo el sistema sin interacción de los controladores. El Control en modo deslizante demuestra ser más robusto y flexible que el controlador cl asico, abriendo la puerta a un futuro con una mayor participación de generación eólica en la amortiguación de las oscilaciones de potencia.
Con el objetivo de reducir el elevado porcentaje de las emisiones de CO2 atribuidas al sector de la generación de energía eléctrica, se ha introducido una nueva generación de centrales eléctricas cuya fuente primaria de energía es de naturaleza renovable como las eólicas, solares, geotérmicas y de biomasa. Esto no sólo beneficia la reducción de las emisiones de CO2 a la atmósfera sino que también estimula e impulsa el avance tecnológico, tanto en el sector manufacturero como en los centros de investigación. En la actualidad la energía eólica es probablemente la fuente de energía renovable más avanzada, desde la producción de energía hasta las ventajas económicas. La presente Tesis Doctoral se ha centrado en analizar, evaluar y describir rigurosamente el impacto de los aerogeneradores de velocidad variable doblemente alimentados en el comportamiento dinámico tanto del propio sistema eólico como de su interconexión con el sistema síncrono convencional de generación de energía eléctrica. El análisis analítico de los resultados publicados en la literatura es utilizado como herramienta para una mejor comprensión del comportamiento dinámico de los sistemas de potencia con generación eólica. La influencia de las características del sistema eléctrico y de los aerogeneradores o parámetros externos sobre la estabilidad es evaluada empleando análisis modal. Los estudios realizados se han enfocado en el análisis de estabilidad transitoria y de pequeña señal para la evaluación de la amortiguación de oscilaciones en las redes eléctricas de potencia. Análisis de estabilidad de pequeña señal y análisis de estabilidad transitoria son llevados a cabo usando análisis modal y simulaciones dinámicas en el dominio del tiempo. En esta tesis se propone la aplicación de técnicas de control en modo deslizante en los convertidores de los aerogeneradores doblemente alimentados, tanto en el convertidor de la máquina como en el convertidor de la red. El sistema de control propuesto es evaluado en redes dinámicas de generación convencional con generación eólica, considerando diferentes escenarios. El recientemente desarrollado sistema de control CMD demuestra la importancia de implementar algoritmos de control no lineales, ya que producen un buen rendimiento y dan soporte a la red. Esto es sumamente importante ya que en los sistemas de potencia con generación de energía eólica es vital asegurar el funcionamiento eficiente de todo el sistema sin interacción de los controladores. El Control en modo deslizante demuestra ser más robusto y flexible que el controlador cl asico, abriendo la puerta a un futuro con una mayor participación de generación eólica en la amortiguación de las oscilaciones de potencia.
Description
Keywords
Electrical energy production, Power plants, Wind farms, Sliding mode control