بهبود رفتار گذرای توربین‌های بادی مبتنی بر DFIG با به کارگیری استراتژی کنترلی با محاسبات درجه کسری

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد - دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم تحقیقات اصفهان

2 استادیار - دانشگاه آزاد اسلامی، واحد نجفآباد

3 استادیار - دانشگاه آزاد اسلامی، واحد کاشان

چکیده

باتوجه به گسترش روز افزون استفاده از توربین بادی مبتنی بر ژنراتور القایی دوسو تغذیه (DFIG) موضوع حفظ اتصال آنها به شبکه و پایداری در برابر خطا از اهمیت زیادی برخوردار است. بنابراین محور اصلی این مقاله بهبود رفتار گذرای ژنراتور هنگام نوسان در سرعت باد میباشد .در مقاله حاضر کنترلکنندهای با محاسبات درجه کسری  معرفی میگردد. همچنین با استفاده از کنترل برداری، توجه به مودهای بحرانی الکتریکی ژنراتور، اثرات پارامترهای مختلف کنترلکنندهها و تاثیر نقطه کار برروی این مودها پاسخ گذرای ژنراتور بررسی شده است. با استفاده از نتایج مطالعات پیشین نقش موثر کنترلکنندههای روتور بر رفتار گذرای ژنراتور آشکار است. این نتایج در ارائه روش جدید کنترلی   برای بهبود قابلیت گذر از خطا در مقایسه با کنترلکنندههای کلاسیک PI نقش مهمی را ایفا میکنند. با بکارگیری کنترلکنندهی پیشنهادی در مبدل سمت روتور  RSCو کنترل برداری برروی شار استاتور جهت جداسازی کنترل توان اکتیو و راکتیو نتایج ایدهآل محقق میگردد. در مقایسه با استراتژی کنترلی کلاسیک PI، روش پیشنهادی از طریق توسعه حوزه جذب دینامیکهای داخلی سیستم پایدار میشود و رفتار تحت نوسانات سرعت باد را از طریق کنترل ولتاژ روتور کنترل می کند. در این روش نه تنها به نحو موثری قابلیت گذر از خطا بهبود مییابد، بلکه کنترل پذیری ژنراتور در حین اختلال نیز حفظ شده است. نتایج حاصل از مطالعات نظری توسط شبیه سازی حوزه زمان تاکید بر کاهش پیک و نوسانات پاسخ گذرای توربین بادی مبتنی بر DFIG دارند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Transient Performance Improvement of Wind Turbines with Doubly Fed Induction Generators Using Fractional Order Control Strategy

نویسندگان [English]

  • Samaneh Jenab 1
  • Bahador Fani 2
  • Hossein Ghasvari 3
1 MSc /Islamic Azad University, Science & Research Branch, Isfahan
2 Assistant Professor /Islamic Azad University, Najafabad Branch
3 Assistant Professor /Islamic Azad University, Kashan University
چکیده [English]

Application of fractional order proportional integral (FOPI) controller to improve transient performance of wind turbine (WT) with Doubly fed induction generator (DFIG) is presented and studied in this paper. By small signal analysis, it is found that the dynamic behavior of the DFIG based WT, during the variation of operating conditions, is strongly affected by the stator dynamics. Since the DFIG electrical dynamics are nonlinear, the linear control (PI) scheme cannot work properly under change in wind speed and stator modes are not damped appropriately. The proposed fractional order controller generalizes the conventional integer order PI controller whose integral order are fractional number rather than integer. This expansion can provide more flexibility in achieving control objectives. By time domain simulations, a comparative analysis is made with respect to the standard PI controller to demonstrate effectiveness of the fractional order PI ( ) controller during wind speed perturbation.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Doubly fed induction generator
  • fractional order controller
  • transient performance
[1]M. Liserre, R. Cardenas, M. Molinas, J. Rodriguez, "Overview ofmulti-MW wind turbines and wind parks", IEEE Trans. on Ind. Electron.,Vol. 58, No. 4, pp. 1081–1095, Apr. 2011.

[2] Sh. Zhang, K. Tseng, "Advanced control of Series voltage compensation to enhance wind turbine ride through", IEEE Trans.on Power Elec., Vol. 27, No. 2, pp. 763-772, Feb. 2012.

[3] B. Beltran, M. El Hachemi Benbouzid, "Second-order sliding mode control of a doubly fed induction generator driven wind turbine", IEEE Trans.onenergy Conv., Vol. 27, No. 2, pp. 261-269, June 2012.

[4] E. Tremblay, S. Atayde, A. Chandra, "Comparative study of control strategies for the doubly fed induction generator in wind energy conversion systems: a DSP-based implementation approach", IEEE Trans. Sustain Energy, Vol. 2, No.3, pp. 288-297, 2011.

[5] S.M.R. Kazemi, H.Goto, G. Hai-Jiao, O. Ichinokura, "Review and critical analysis of the research papers published till date on maximum power point tracking in wind energy conversion system", IEEE/ECCE, pp. 4075-4082, 2010.

[6] M.A. Abdullah, AHM Yatim, Tan CW, Saidur R, "A review of maximum power point tracking algorithms for wind energy systems”, Renew Sustain Energy, Vol. 16, No. 5, pp. 3220-3227, 2012.

[7] C.H. Lee, Fu-Kai Chang, "Fractional-order PID controlleroptimizationviaimprovedelectromagnetism-likealgorithm", Expert Systems with Applications, Vol. 37, No.12, pp. 8871-8878, 2010.

[8] M. Rahimi, M. Parniani, "Transient performance improvement of wind turbine with doubly fed induction generators using nonlinear control strategy", IEEE Trans. Energy Con., Vol. 25, No. 2, pp.514-525, June, 2010.

[9] K. Rothenhagen, F.W. Fuchs, "Doubly fed induction generatormodel-based fault detection and control loop reconfiguration", IEEE Trans. on Ind. Electron., Vol. 56, No. 10, pp. 4229–4238,Oct. 2009.

[10] C. Dongkyoung, Kyo-Beum Lee, "Variable structure control of the active and reactive powers for a DFIG in wind turbines", IEEE Trans. on Ind. Appl., Vol. 46, No. 6, pp. 2545, Dec. 2010 .

[11] A. Bertani., C. Bossi, F. Fornari, S. Massucco, S. Spelta, F. Tivegna, "Amicroturbine generation system for grid connected and islanding operation", IEEE/PES, 2004.

[12] M. Shahabi, M.R. Haghifam, M. Mohamadian, S.A. Nabavi-Niaki, "Microgrid dynamic performance improvement using doubly fed induction wind generator", IEEE Trans. on Energy Conv., Vol. 24, No. 1, pp. 137- 145, March 2009.

[13] D. Torregrossa, D. Paire, F. Peyraut, B. FahimiActive, "Mitigation of electromagnetic vibration radiated by PMSM in fractional-horsepower drives by optimal choice of the carrier frequency", IEEE Trans. on Ind. Elec., Vol. 59, No. 3, March 2012.

[14] M. Evangelos, T. sampouris, E. Minos. Beniakar, G. Antonios, "Geometry optimization of PMSMs comparing full and fractional pitch winding configurations for aerospace actuation applications", IEEE Trans. on Magnetics, Vol. 48, No. 2, Feb. 2012.

[15] Sh. Shao, E. Abdi, R. McMahon," Low-cost variable speed drive based on a brushless doubly-fed motor and a fractional unidirectional converter", IEEE Trans.on Ind.. Elec., Vol. 59, No. 1, Jan. 2012.

[16] L. Wen, Y. Hori Fellow, "IEEE vibration suppression using single neuron-basedPI fuzzy controller and fractional-orderdisturbance observer", IEEE Trans. on Ind. Elec., Vol. 54, No. 1, Feb. 2007.

[18] R. Melicio, V.M.F. Mende, J.P.S. Cataliio,"Wind energy systems with power-electronic converters and fractional-order controllers", Nstituto Superiorde Engenhariade Lisboa, Lisbon, Portugal 2012.

[19] B. Khalfa, A. Charef, "Control quality enhancementusing fractional  controller", Int. Journal of Sys. Science, Vol. 40, No.8, pp. 875-888, 2009.

[20] K .Lee Yung, M.J. Watkins, "Determination of a lstabilizing fractional-order PID controllers", IEEE/ACC, 2011.

[21] G.R. Enrique, J.M. Rosário, J.T. Machado, "Fractional order calculus: basic concepts and engineering applications", Mathematical Problems in Eng., 2010.

[22] Li. Yan-Ling, Yue Sun, Xin Dai, "μ-synthesis for frequency uncertainty of the ICP system", IEEE Trans. on Ind. Elec., Vol. 60, No. 1, Jan. 2013.

[23] N.R. Ullah, B. Kankar, B. Torbjörn, "Wind as reactive power ancillaryservice providers – technical and economic issues", IEEE Trans Energy Convers, Vol. 24, No. 3, pp. 661-6672, 2009.

[24] R. Cárdenas, R. Peña, S. Alepuz, G. Asher, "Overview of control systems for the operation of DFIGs in wind energy applications", IEEE Trans. on Ind. Elec., Vol. 60, No. 7, pp. 2776-2798, July 2013.

[25] H.T. Jadhav, Ranjit Roy, "A comprehensive review on the grid integration of doubly fed induction generator", Elec. Pow. and Energy Sys., Vol. 49,pp. 8-18, 2013.

[26] G.D. Marques, M.S. Duarte, "Stator flux active damping methods for field-oriented doubly fed induction generator", IEEE Trans. on Energy Conv., Vol. 27, No. 3, pp. 799-896, Sep. 2012 .

[27] Xu. Hailiang, Hu. Jiabing, He.Yikang, "Integrated modeling and enhanced control of DFIG under unbalanced and distorted grid voltage conditions", IEEE Trans. on Energy Conv., Vol. 27, No. 3, pp. 725-736, Sep. 2012.

[28] A. Karthikeyan, C. Nagamani, G. Saravana Ilango, "A versatile rotor position computation algorithm for the power control of a grid-connected doubly fed induction generator", IEEE Trans. on Energy Conv., Vol. 27, No. 3, pp. 697-706, Sep. 2012.

[29] M. Rahimi, M. Parniani, "Dynamic behavior analysis ofdoubly-fed induction generator windturbines – The influence of rotor and speed controller parameters", Elec. Power and Energy Sys., Vol. 32, pp. 464-477, 2010.

[30]M. Kayikci, J.V. Milanovic, "Reactive power control strategiesfor DFIG-based plants", IEEE Trans. Energy Conv., Vol. 22, No. 2,pp. 389–396, Jun. 2007.