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Advanced Converter Control Techniques for Improving the Performances of DFIG based Wind Turbines

Sujod, Muhamad Zahim

Unter den alternativen erneuerbaren Energiequellen hat Windenergie in den letzten zehn Jahren den größten Stellenwert im Energieerzeugungssystem erlangt. Die Erhaltung bzw. die Verbesserung der Zuverlässigkeit des Stromversorgungsnetzes mit zunehmenden Windenergieanlagen und deren optimale Nutzung ist eine der wichtigsten Aufgaben. Die Windenergieanlagen sind im Netzbetrieb bestimmten in Netzanschlussrichtlinien angegebenen Anschlussregeln unterworfen. Dies erfordert eine detaillierte Untersuchung von Windenergieanlagen in verschiedenen operativen Szenarien, so dass geeignete Lösungen empfohlen werden können, insbesondere bezüglich Umrichter-Regelung, die die Hauptrolle im Gesamtsystem spielen. In dieser Forschung wurde der doppelt-gespeiste Asynchrongenerator, der immer noch am häufigsten verwendeter Windturbinentyp ist, für eine detaillierte Untersuchung ausgewählt. Sowohl das Betriebsverhalten im stationären Betrieb allgemein als auch unter Berücksichtigung von zwei alternativen Pulsweiten-Modulation (PWM)-Typen und verschiedenen Umrichter-Topologie, untersucht. Vergleichskriterien sind die erzeugte maschinenseitige „common mode“ Spannung, Gesamtverzerrung der Stromwelle im Niederspannungsnetz, Umrichter-Leistungsverluste und Blindleistung-Einspeisefähigkeit. Zusätzlich werden die Anzahl der Komponenten im kompletten Umrichter-System und die geschätzten Kosten als Vergleichskriterien herangezogen. Bezüglich des ersten Szenarios, der Einfluss unterschiedlicher PWM-Typen auf Umrichter Verlustleistung, die Blindleistung-Einspeisefähigkeit und die gesamte harmonische Verzerrung wurden im Detail untersucht, und der am besten geeignete PWM-Typ bezüglich optimaler Leistungskriterien sowie Drehzahlbereiche vorgeschlagen. Im zweiten Szenario wurden zwei verschiedene Umrichter-Topologie, nämlich zweistufiger „Back-to-Back“ Umrichter und dreistufiger „Neutral-Point-Clamped (NPC)“ „Back-to-Back“ Umrichter wurden im Simulationsmodell implementiert, und auf der Grundlage der Simulation Ergebnisse ihre Eignung in Bezug auf Kosten gegen die anfallenden Betriebsvorteile verglichen. Schließlich wurde ein neues Schutzschema für „Fault-Ride-Through“ im dreistufigen „Backto- Back“ NPC-Umrichter als Alternative zum konventionellen Schutzschema mit Chopper im Gleichspannung-Zwischenkreis vorgeschlagen. Das vorgeschlagene Schema zeigt ein sehr ähnliches dynamisches Verhalten wie das konventionelle Schema, wenn die inneren IGBTs des maschinenseitigen Wechselrichters (MWR) für etwa zweifachen Nennstrom der Überstromschutzgrenze ausgelegt werden. Außerdem ermöglicht eine einfachere Bedienung ohne höhere Anzahl von Komponenten. Die Verwendung von inneren IGBTs mit höherem Nennstrom erhöht die Kosten der MWR. Jedoch werden die Gesamt Kosten um etwa 15% weniger, da der Chopper im Gleichspannung-Zwischenkreis dadurch überflüssig gemacht wird.

Among the renewable energy alternatives, wind energy has made the biggest impact on the total energy production in the last decade. Maintaining or improving the reliability of the wind turbine system in power generation sector with optimal performances is one of the important tasks. Especially the wind turbines connected to the grid are subjected to certain electricity grid connection regulations specified in grid codes. A detailed study of the performance of wind turbine systems in various case scenarios is necessary, so that appropriate solutions can be recommended, especially in the converter controls which play the major role in the overall system. In this thesis, the doubly fed induction generator (DFIG) which is still the most widely used wind turbine type is selected for detailed investigation. Its performances during steady state operation in two alternative scenarios, namely, using different pulse width modulation (PWM) types and using different converter topologies, are investigated. The performance criteria include generated common mode voltage at machine side converter (MSC), current total harmonic distortion in the low voltage network, converter power losses and reactive power capability. Additionally, the component counts in the converter and its estimate cost are compared. Regarding the first scenario, the influence of different PWM types on the converter power losses, the reactive power capability and the total harmonic distortion has been investigated in detail, and the most suitable PWM type depending on the optimal performance criteria as well as operational speed range is proposed. In the second scenario, two different converter topologies, namely back-to-back two-level converter and back-to-back three-level neutral point clamped (NPC) converter were implemented in the simulation model, and on the basis of the simulation results their performances in terms of cost against the accruing operational advantages are compared. Finally, a new protection scheme for fault ride-through in back-to-back three-level NPC converter is proposed as an alternative to conventional protection scheme using DC-link chopper. The proposed scheme shows a very similar dynamic behaviors with the conventional scheme when the inner IGBTs of the MSC are designed for about two times higher current rating than the over-current protection limit. Furthermore, it implements simpler operation without higher component count. The need for the inner IGBTs with higher current rating significantly increases the cost of the MSC. However, the total cost of the DFIG system is slightly reduced about 15% by the elimination of the DC-link chopper circuit.

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Sujod, Muhamad Zahim: Advanced Converter Control Techniques for Improving the Performances of DFIG based Wind Turbines. 2014.

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