SUPERVISOR
مریم سعیدی فرد (استاد مشاور) احمدرضا تابش (استاد راهنما)
STUDENT
Shadi Chuangpishit
شادی چوانگ پیشت
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Pure DC Collector System Design for Grid-connected Offshore Wind Farms
Emerging offshore wind farms, capable of massive-scale energy production, have directed research activities toward wind power technologies, well-suited for offshore applications. Increasing the size of offshore wind farms imposes challenges regarding feasibility of conventional ac power transmission and collector systems. The main reasons are the high charging current of ac submarine cables and increasing system losses. Recent studies have identified pure dc systems - including dc transmission and collector systems- as a promising solution for grid integration of distant offshore wind farms. Using a dc system overcomes power losses and reactive power requirements which conventionally associate with submarine power cables employed in ac systems. This thesis investigates pure dc systems for offshore applications and proposes a modeling and control approach besides an appropriate topology for the collector system of an offshore wind farm. The collector system of an offshore wind farm consists of all equipment within the wind farm to a collection point, including the wind turbine-generators, transformers, power electronics and all existing cable connections. First, through investigation of different wind energy systems, a dc-based offshore wind farm has been considered, consisting of permanent magnet synchronous generators, diode-bridge rectifiers and dc/dc converters. Such integration offers a robust structure well-suited for offshore wind power applications. A simplified yet accurate model for a wind power unit is proposed and validated, which is useful for controller design to capture the maximum wind power of the unit. A control technique is also presented and its performance has been investigated based on sensitivity analysis and time-domain simulation of a study system. The results of analysis show an accurate tracking performance with less than 1% error when the wind speed varies about +/-25% of its rated value. The sensitivity analysis also confirms the robustness of the control system against model uncertainties which can arise from the aging phenomenon of the units. Secondly, a matrix interconnected topology has been proposed and investigated for collector system of an offshore wind farm. The topology is based on the series-parallel layout in which some switches are located between adjacent branches. The possibility to change the system structure using the inter-branch switches mitigates the overvoltage problem of the units on failure occurrences, providing maximum available power for the whole wind farm. This leads to considerable increase in the system reliability and efficiency. Based on failure coverage capability, the operating area of matrix interconnected method has been evaluated and compared to that of the short circuit method. The study shows that increasing the number of branches augmented to the faulty branch extends the matrix method operating area. This analysis also suggests a criterion for the branch number in a dc collector system in order to have a full coverage of failure occurrences by matrix interconnected method. This criterion might be useful in collector system design purposes. Finally, a study system, consisting of 12 wind turbine-generator units, has been simulated and investigated for different failure occasions. The dc switch costs and the additional control complexities are counted as the drawbacks of the matrix interconnected topology Keywords: Collector systems, DC power systems, Offshore wind farm, Pure dc systems, Wind energy systems, Wind-turbine generator.
در دو دهه¬ی اخیر گسترش تولید توان با استفاده از نیروگاه¬های بادی به عنوان یکی از منابع اصلی انرژی تجدیدپذیر، در زمره¬ی سیاست¬های توسعه¬ی پایدار اکثر کشورها قرار گرفته است. در این راستا نیروگاه¬های بادی فراساحل، به دلیل قابلیت تولید توان بالاتر سهم عمده¬ای از تولید نیروگاه¬های بادی را به خود اختصاص داده¬اند. هم¬زمان با افزایش توان تولیدی، فاصله¬ی نیروگاه-های فراساحل از شبکه¬ی ساحلی و ابعاد سیستم الکتریکی داخلی آن¬ها افزایش می¬یابد. به دلیل خاصیت خازنی بالای کابل¬های زیر دریایی، سیستم انتقال ac مرسوم، سیستم کارآمدی برای این نیروگاه¬ها نخواهد بود و در نتیجه انتقال توان در نیروگاه¬های فراساحل به عنوان یک چالش مهم در توسعه¬ی این نیروگاه¬ها مطرح می¬گردد. پژوهش¬های اخیر، سیستم یکپارچه¬ی dc شامل سیستم انتقالdc ولتاژ بالا به همراه سیستم کلکتور dc با ولتاژ پایین یا متوسط را به عنوان یک راه حل¬ مناسب برای انتقال توان نیروگاه¬های بادی به شبکه پیشنهاد می¬کند. سیستم کلکتور در یک نیروگاه بادی، شامل کابل¬های اتصال واحدهای توربین- ژنراتور، ترانسفورمرها و واحدهای الکترونیک¬قدرت از ترمینال ژنراتور تا نقطه¬ی اتصال به سیستم انتقال است. این پایان¬نامه، ابتدا به بررسی سیستم¬ یکپارچه¬ی dc در کاربرد خاص نیروگاه¬های بادی فراساحل می¬پردازد و توپولوژی مناسبی برای سیستم کلکتور dc در این نیروگاه¬ها ارائه می¬دهد. در این راستا، ساختارهای مورد استفاده در یک سیستم یکپارچه¬ی قدرت dc بررسی گردیده¬اند و ساختار مناسبی شامل ژتراتور سنکرون مغناطیس دائم با واسطه دیودی و مبدل dc/dc برای اتصال به سیستم کلکتور dc یک نیروگاه فراساحل ارائه گردیده است. برای تحلیل و طراحی سیستم پیشنهادی، مدل دینامیکی ساده شده¬ای بر مبنای ایده¬ی جداسازی دینامیک¬های تُند و کُند ارائه و با استفاده از مدل پیشنهادی سیستم کنترل مناسب برای ساختار توربین- ژنراتور طراحی گردیده است. راست¬آزمایی مدل و راهکار کنترل پیشنهادی از طریق آنالیز حساسیت و شبیه¬سازی یک سیستم مطالعاتی دو ماشینه با اتصالات سری انجام شده است. نتایج این بررسی، توانایی کنترل کننده¬ها در تعقیب سرعت مرجع و پس¬زنی اعوجاج را با درصد خطای کم¬تر از 1% نشان می¬دهد. هم¬چنین براساس آنالیز حساسیت انجام شده، مقاوم ¬بودن سیستم کنترل نسبت به تغییر پارامترهای مدل ارائه شده بررسی و ارزیابی گردیده است. در ادامه توپولوژی اتصال ماتریسی بر مبنای سیستم کلکتور dc سری- موازی پیشنهاد گردیده است که در آن با ایجاد مسیرهای مناسب بین شاخه¬ها هنگام وقوع شکست گسترده در واحدها، مشکل اضافه¬ ولتاژ که درتوپولوژی سری- موازی مرسوم وجود دارد، برطرف می¬گردد. این توپولوژی امکان جذب حداکثر توان قابل دسترس از نیروگاه را در شرایط شکست یک یا چند واحد فراهم می¬آورد و به این ترتیب بازده و قابلیت اطمینان سیستم را بهبود می¬بخشد. مقایسه¬ی کارایی توپولوژی ماتریسی با روش اتصال سری-موازی براساس تحلیل ریاضی ارائه شده و بر روی یک سیستم مطالعاتی شامل 12 واحد توربین-ژنراتور بادی پیاده سازی شده است. براساس این تحلیل نشان داده شده است که ناحیه¬ی عملکرد و کارایی روش اتصال ماتریسی با افزودن تعداد شاخه-های موازی به سیستم کلکتور گسترش می¬یابد. تحلیل ارائه شده همچنین معیاری برای تعیین تعداد شاخه های موازی و تعیین تعداد واحدهای مناسب در شاخه¬های سری ارائه می نماید که می¬تواند در طراحی سیستم کلکتور مورد استفاده قرار گیرد. کلمات کلیدی: نیروگاه¬های بادی فراساحل؛ توربین-ژنراتور بادی؛ مدل سازی دینامیکی؛ مزارع باد؛ کنترل نیروگاه-های بادی؛ سیستم قدرت dc؛ سیستم یکپارچه dc؛ سیستم کلکتور.