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Advanced modeling and analysis of the doubly-fed induction generator based wind turbines

Naggar, Ahmed El

The doubly fed induction generator based wind turbine (DFIG-WT) with a partially rated converter, which is currently the dominating concept in the market, suffers from high short-circuit current and DC voltage magnitudes during symmetrical and unsymmetrical grid faults. The incorporated frequency converter is sensitive against high current and voltage magnitudes. Therefore, a proper protection is essential. This can be achieved through protective devices like chopper and/or crowbar or through full disconnection from the grid under severe fault conditions. However, this may not subject the DFIG-WT to the grid codes requirements. Furthermore, the high short-circuit current magnitudes will eventually elevate the fault current levels in the grid. Therefore, a deep understanding of the dynamic response of the DFIG-WT during different types of fault is essential in, assessing fault ride through (FRT) capability, proper design of the electric power system component and right settings of the protective relays for selective disconnection. In this thesis a detailed modelling of the individual components of the DFIG-WT considering all the system non-linarites was made. A controller was developed for each of the turbine, the machine side converter and the line side converter. The controller allows for maximum energy yield, fast and accurate response, and a separate control of the positive and negative sequence components as well as selective frequency components. A new criterion was proposed to assess the stability of the DFIG-WT output currents and voltages when connected to the grid with the consideration of the system’s non-linarites. A detailed analysis of the DFIG-WT response to symmetrical and unsymmetrical faults was carried out. The analysis has considered the complete system considering the controller influence as well as the system’s non linarites. Based on the analysis a new set of mathematical equations describing the short-circuit current, transient impedance, time constants and eigen frequencies were proposed and validated against the actual behavior, and the results showed a very high accuracy. From the provided analysis new methods for reduction of the peak short-circuit current was developed. The new methods result in the highest peak current reduction without exploiting the converter voltage limits, or operating in over modulation or disconnection of the wind turbine. Finally but not last, a method to estimate the equivalent parameters of the DFIG-WT for fault current calculation in the same manner as for IEC 60909 was proposed. The new method requires the aid of parameter identification and no load FRT test to estimate the equivalent parameters without any knowledge of the controller configuration. Furthermore, a new method was proposed to estimate the equivalent R X ratio in meshed networks. The new method leads to better accuracy in comparison to the methods found in IEC-60909.

Die doppelgespeiste Asynchrongenerator basierte Windenergieanlage (DASM-WEA) leidet an hohen Kurzschlussströmen und hohen Gleichstromspannungen bei symmetrischen und asymmetrischen Netzfehlern. Die WEA Umrichter sind empfindlich gegenüber hohen Strömen und Spannungen, deswegen sind Schutzeinrichtungen wichtig. Dies kann durch den Einsatz des Bremschoppers und/oder Überspannungsschutzsystemen, oder durch die vollständige Trennung vom Netz bei schwerwiegenden Störfällen erreicht werden. Des Weiteren propagieren die hohen Kurzschlussströme unter bestimmten Umständen ins Netz. Tiefes Verständnis des dynamischen Verhaltens von DASM-WEAs während verschiedener Störfälle ist wichtig für die Beurteilung der FRT Fähigkeiten, richtige Auslegung der Komponenten des elektrischen Systems und die richtigen Einstellungen der Schutzrelais zur selektiven Abschaltung. Als Teil dieser Doktorarbeit sind detaillierte Modelle einzelner Komponenten von DASM-WEAs unter Berücksichtigung von Nichtlinearitäten gemacht worden. Ein Regler wurde für jeweils für die WEA, für den Generatorseitigen- und den Netzseitigen-Umrichter entwickelt. Der Regler erlaubt eine maximale Energieausbeute, eine schnelle und genaue Reaktion sowie separate Regelung für das Mitsystem und das Gegensystem als auch selektive Frequenzkomponenten. Ein neues Kriterium wird vorgestellt, um die Stabilität der Ausgangsströme und -spannungen der DASM-WEA unter Berücksichtigung von Nichtlinearitäten zu bewerten. Eine detaillierte Analyse der DASM-WEA Reaktion auf symmetrische und asymmetrische Störungen wurde ausgeführt. Die Analyse berücksichtigt das gesamte System, sowohl den Einfluss des Reglers als auch die Nichtlinearitäten des Systems. Basierend auf dieser Analyse wurde ein neuer Satz mathematischer Formeln vorgestellt, welche Kurzschlussströme, transiente Impedanzen, Zeitkonstanten und Eigenfrequenzen beschreiben. Diese wurden dem echten Verhalten gegenüber validiert, welches eine hohe Genauigkeit aufzeigte. Basierend auf dieser Analyse wurden neue Methoden zur Reduzierung des hohen Kurzschlussstromes entwickelt. Die neuen Methoden resultieren in der höchsten Reduzierung des Kurzschlussstromes ohne die Umrichter Spannungsgrenzen zu überschreiten, die Trennung der WEA oder den Betrieb in Übermodulation. Als letztes wurde noch eine Methode zur Schätzung der äquivalenten Parameter des DASM-WEA für Fehlerstromberechnungen vorgestellt, in ähnlicher Weise wie in der IEC-60909. Die neue Methode benötigt nur Parameter Identifikation und Lastfreie FRT Tests um die äquivalenten Parameter ohne die Kenntnisse über die Reglerkonfiguration zu schätzen. Des Weiteren wurde eine neue Methode vorgeschlagen das R/X Verhältnis in vermaschten Netzen zu schätzen. Die neue Methode führt zur höheren Genauigkeit als die der Methoden aus der IEC-60909.

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Naggar, Ahmed El: Advanced modeling and analysis of the doubly-fed induction generator based wind turbines. 2017.

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