SUPERVISOR
Ahmadreza Tabesh,Hamid Reza Karshenas,Mohamad-Esmail Hamedani-Golshan
احمدرضا تابش (استاد مشاور) حمیدرضا کارشناس (استاد راهنما) محمداسماعیل همدانی گلشن (استاد راهنما)
STUDENT
Mehran Zamanifar
مهران زمانی فر
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1386
TITLE
Dynamic Performance Improvement of a DFIG Based WT by the Optimization Tuning of the Controller Parameters Using Trajectory Sensitivity Analysis and Bifurcation Theory
In the development of wind turbine technologies, nowadays, doubly-fed induction generators (DFIGs) are becoming the dominant type due to their advantages of variable speed operation, four-quadrant active and reactive power capabilities, independent control of their active and reactive output powers, high energy efficiency, and low size converters. Due to the popularity and wide usage of DFIG systems for wind energy generation, nowadays, control systems suitable for this application have been extensively investigated as well. The most popular and practical control scheme of DFIGs is vector control based on proportional-integral (PI) controllers. Due to the simplicity and reliability, PI controllers have been popular in the engineering field. However, adjustment of these parameters is a very important and considerable problem. Thereby, in this thesis, optimized adjustment of PI controller parameters of wind turbine based on DFIGs is focused. According to the flux continuity principle, once a doubly-fed induction generator (DFIG) is subjected to a disturbance, for example by a change in the wind speed, the stator flux cannot change instantly. This fact causes the appearance of DC component in the stator flux. Under this condition, rotor back-EMF voltages reflect the effects of stator dynamics on rotor current dynamics, and have an important role on the oscillations of the rotor current. To damp these oscillations and to improve system dynamic performance, focusing only on small signal analysis may not be efficient. So in this thesis, a new method is proposed based on combination of small signal theory and discrete Fourier transform (DFT) technique to quantify damping characteristic of rotor current during occurrence of bigger disturbances. Base on this method, frequency spectrum of a signal which is available by the help of DFT, gives us the information of damping of each frequency component. So, in this thesis to improve the dynamic performance of DFIG system by using the multi optimization technique based on above mentioned method, optimized adjustment of PI controller parameters are achieved. Optimization problem is solved using NSGA-II algorithm which is a version of genetic algorithm and designed for multi objective optimization problems. Considering small signal stability, the main purpose of the control system in the present thesis is to increase the system damping ratio as well as to guarantee enough stability margin. Eigenvalue analysis and time-domain simulations have been presented to demonstrate that the proposed optimization method yields better control performance in comparison with one designed using mere eigenvalue relocation. In the following, in order to find which controller parameters are the most effective ones, trajectory sensitivity analysis is used. It is shown that four control parameters have the most effect on the dynamic performance of the system. Thereby, optimization adjustment algorithm with these four controller parameters is corrected. Introduction of the bifurcation theory and the use of this theory on the DFIG system are another research subjects that is followed in this thesis. The influence of control and non-control parameters in the occurrence of bifurcations has been investigated. Also, stable domain of effective controller parameters in one, two, three and four-parametric form is extracted by the help of this theory. This information could be useful when proposed optimization parameters adjustment algorithm is developed. The proposed method containing the algorithm and determination of stable domain of controller parameters based on bifurcation theory, determination of more effective controller parameters based on trajectory sensitivity analysis and determination of optimized controller parameters based on multi objective optimization using small signal analysis and DFT analysis of rotor current time wave form is presented for the first time to improve the dynamic performance of DFIG system. Key Words DFIG, optimized control, DFT, NSGA-II, trajectory sensitivity analysis, bifurcation theory
در بین فناوریهای تولید انرژی الکتریکی مبتنی بر توربین بادی، در سالهای اخیر سیستم توربین بادی به همراه ژنراتور القایی دو سوء تغذیه (DFIG) به صورت گسترده مورد استفاده قرار گرفته است. این به خاطر خصوصیات این طرح از جمله عملکرد سرعت متغیر، توانایی کار در چهار ناحیه تبادل توان حقیقی و راکتیو، کنترل مستقل توانهای حقیقی و راکتیو خروجی، بازده بالا و مبدلهای با توان کم است. به علت شهرت و کاربرد وسیع سیستمهای توربین بادی مبتنی بر DFIG، بخش کنترلی آنها نیز در سالهای اخیر مورد تحقیق و پژوهش قرار گرفته است. متداولترین و عملیترین طرح کنترلی برای این سیستمها، روش کنترل برداری مبتنی بر کنترلکنندههای تناسبی-انتگرالی (PI) است. کنترلکنندههای PI به خاطر سادگی و داشتن قابلیت اطمینان در حوزه مهندسی کاملاً شناخته شدهاند اما تنظیم پارامترهای این کنترلکنندهها یک مسأله مهم و تأثیرگذار است. بنابراین موضوع اصلی این رساله، تنظیم بهینه ضرایب کنترلکنندههای PI سیستم توربین بادی مجهز به DFIG است. با توجه به اصل پیوستگی شار پیوندی، هنگامی که یک سیستم توربین بادی مبتنی بر DFIG در معرض اختلالی مانند تغییر سرعت باد قرار میگیرد، شار استاتور نمیتواند به طور ناگهانی تغییر کند. این حقیقت باعث پیدایش یک مؤلفه DC در شار استاتور میشود. در این شرایط ولتاژهای ضد محرکه الکتریکی روتور که دینامیکهای استاتور را بر روی دینامیکهای جریانی روتور منعکس میکند، نقش مهمی در نوسانات جریان روتور خواهد داشت. برای میراکردن این نوسانات و بهبود عملکرد دینامیکی سیستم، تکیه صرف بر تحلیل سیگنال کوچک، ممکن است کافی نباشد. روش جدیدی مبتنی بر ترکیب تحلیل سیگنال کوچک و تکنیک تبدیل سری فوریه گسسته (DFT) جهت تعیین مشخصه میرایی جریان روتور حین وقوع اختلالات بزرگتر پیشنهاد میشود. در این روش طیف فرکانسی یک سیگنال که از تحلیل فوریه به دست میآید، اطلاعات مربوط به میرایی هر مؤلفه فرکانسی را به دست میدهد. بنابراین در این رساله، برای بهبود رفتار دینامیکی سیستم DFIG، با استفاده از بهینهسازی چند هدفه بر اساس الگوریتم ترکیبی بالا تنظیم بهینه پارامترهای کنترلکنندههای PI سیستم به دست میآید. مسأله بهینه با استفاده از الگوریتم NSGA-II که ویرایشی از الگوریتم ژنتیک است و برای حل مسائل بهینهسازی با معیارهای چندگانه طراحی شده است، حل میشود. هدف اصلی سیستم کنترل افزایش میرایی سیستم به همراه تضمین وجود حاشیه پایدار مطمئن است. تحلیل مقادیر ویژه و شبیهسازیهای زمانی نشان میدهد که روش بهینهسازی پیشنهادی منجر به پاسخهای دینامیکی بهتر سیستم در مقایسه با روشهایی که تنها متکی به تحلیل سیگنال کوچک هستند، میشود. در ادامه، روش تحلیل حساسیت مسیر حالت جهت استخراج پارامترهای کنترلی که دارای تأثیر بیشتری در رفتار دینامیکی سیستم هستند، به کار گرفته شده و مشخص شده است که در بین پارامترهای کنترلی سیستم چهار پارامتر بیشترین تأثیر را روی عملکرد دینامیکی سیستم داراست. بنابراین الگوریتم تنظیم بهینه پارامتر پیشنهادی با انتخاب تنها این چهار پارامتر کنترلی به عنوان مجهولات مسأله بهینهسازی اصلاح میشود. معرفی تئوری انشعابات و کاربرد آن بر روی سیستم DFIG از دیگر تحقیقات این رساله است که توسط آن تأثیر تغییر پارامترهای سیستم اعم از پارامترهای کنترلی و غیرکنترلی در رخداد انواع انشعابات در سیستم مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین به کمک این تئوری روشی جهت استخراج محدوده پایدار پارامترهای کنترلی سیستم به صورت یک، دو، سه و چهار پارامتری ارائه میشود. این اطلاعات میتواند در زمان جستجوی پارامترهای کنترلی در الگوریتم تنظیم بهینه پارامترها مفید واقع شود. بسته پیشنهادی شامل روش و تعیین محدوده پایدار پارامترهای کنترلکنندهها مبتنی بر تئوری انشعابات، تعیین پارامترهای مؤثرتر مبتنی بر تحلیل حساسیت مسیر حالت و تعیین مقادیر بهینه پارامترهای کنترلی مبتنی بر بهینهسازی چند هدفه با استفاده از تحلیل سیگنال کوچک و تحلیل DFT شکل موج زمانی جریان روتور، برای اولین بار در بهبود عملکرد دینامیکی سیستم DFIG استفاده شده است.