Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8790
Main Title: Grid current control methods for MV wind energy conversion systems
Translated Title: Methoden der Netzstromregelung für Mittelspannung-Wind-Energieumwandlungssysteme
Author(s): Yin, Hang
Advisor(s): Dieckerhoff, Sibylle
Referee(s): Dieckerhoff, Sibylle
Schäfer, Uwe
Cai, Lijun
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Wind energy has been one of the most important renewable energies as an alternative to fossil energy. The power rating of a single wind turbine has been increasing during the past forty years. A megawatt level wind turbine has been a tendency, especially for offshore wind energy application. The current common solution is to make the two-level low voltage converter in parallel in order to achieve sufficient power rating. However, research has found that by employing medium voltage multilevel converters will reduce the cost of energy. Additionally, the grid converter is the only way to connect the renewable power generation to the power grid. Grid converter control strategies considering normal and abnormal operation have been one of most concerned points for renewable energy integration. Based on these issues, the Ph.D. project will focus on the grid converter control algorithms investigation. In order to design the control and evaluate the performance of the proposed control algorithms, system modelling is necessary and an essential task at first. Including the DC-link capacitor, grid converter, LCL filter and PCC voltage, the modelling of these parts is built in chapter 3. Besides, one scaled experiment low voltage system setup is designed and introduced as well, which will be used for experimental verification. For the control of the grid converter with LCL filter, the current control strategy becomes more complex if compared to a grid converter with simple inductive filters. Although an LCL filter can greatly increase the attenuation for the high frequency range, it also brings new problems, such as resonance issues and which current should be adopted as the feedback current, grid current or converter side current. This is discussed in chapter 4 in detail. For overcoming the resonance problem, passive and active damping are discussed in this chapter as well. For evaluating the control performance or requiring the wind turbine behavior on different scenarios, the latest grid standards are also reviewed. Some suggestions on the grid code modifications are given as well for better regulating the next generation wind turbine to behave as a traditional synchronous generator. Thermal performance is an important aspect related to the system reliability, efficiency and lifetime. The loss calculation and temperature estimation method are introduced in the third section of chapter 4. Based on the previous study in part II, system design and evaluation of wind energy conversion system, grid converter control strategies are investigated in part III, which includes three chapters, the state of the art grid converter control, model predictive control and backstepping control. Voltage orientated control as the industrial solution for grid converter control has been developed and adopted for the past forty years, which is difficult to be improved without limitation. It is necessary to find another control to meet the technical challenges, e.g., switching frequency limitation. One requirement of the MV power control is to reduce the switching frequency to decrease the switching losses. Then the semiconductor reliability might be increased and the system efficiency is improved. Through the comparison, it has been proved that the proposed multiple steps model predictive control can achieve the lowest switching frequency without compromising the current quality. In order to reduce the sensors, one Luenberger observer is designed for estimating the grid current and capacitor voltage, which is needed for the active damping. It should be pointed out that for reducing the processor calculation burden, the observer is implemented with Xilinx System Generator in FPGA for experiments. In order to duel with the parameter mismatch, distorted grid voltage, and unbalanced grid faults, a non-linear control is proposed in chapter 7, which is a recursive Lyapunov-based method with high robustness. Finally, a conclusion is given at end of this Ph.D. thesis, and some interesting further research points are listed as well.
Die Windenergie ist eine der wichtigsten erneuerbaren Energien als Alternative zur fossilen Energie. Die installierte Leistung einer einzelnen Windturbine ist seit den letzten 40 Jahren stetig gestiegen. Ein Megawatt Windturbinen sind insbesondere für Offshore Windparke heutzutage üblich. Eine Parallelschaltung von zwei 2LV-Niederspannungs-umrichtern wird verwendet, um die benötigte Leistung zu decken. In der Forschung wurde aber herausgefunden, dass ein einziger Mittelspannung-Multilevelumrichter die Energiekosten senken kann. Zusätzlich bietet der Netzumrichter die einzige Möglichkeit, Erzeuger von erneuerbaren Energien mit dem Energieversorgungsnetz zu verbinden. Die Steuerung und Regelung von Netzumrichtern sowohl im Normalbetrieb als auch beim Fehlerfall werden zum Schwerpunkt bei der Integration von erneuerbaren Energiequellen. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Untersuchung der Regelung von Netzumrichtern. Damit die Regelung entworfen und das Verhalten der vorgeschlagenen Regelungsstrategien bewertet werden kann, ist eine Modellbildung des Systems notwendig und wichtig für den ersten Schritt. Die Komponenten des Systemmodells, u.a. der Zwischenkreiskondensator, der Netzumrichter, der LCL-Filter und die Netzanschlusspannungen werden im Kapitel 3 erläutert. Der Entwurf eines skalierten Niederspannungstestaufbaus zur experimentellen Verifizierung wird dazu noch vorgestellt. Die Verwendung eines LCL-Filters erschwert die Stromregelung des Netzumrichters im Vergleich zur Regelung mit einem einfachen L-Filter. Obwohl ein LCL-Filter die Dämpfung im HF-Bereich erheblich steigert, führt dieser auch neue Probleme ein, u.a. das Resonanzproblem und die Entscheidung, ob der Netzstrom oder der Umrichterstrom in der Stromregelschleife zurückgeführt werden soll. Diese Problematik wird in Kapitel 4 im Detail diskutiert. Die passive und aktive Dämpfung zum Lösen des Resonanzproblems werden ebenfalls in diesem Kapitel erklärt. Um die Regelverhalten des Systems bei verschiedenen Fällen zu bewerten, werden die aktuellsten Netzanschlussnormen auch überprüft. Mögliche Anpassungen der Normen werden vorgeschlagen, damit die neue Generation der Windturbine, die sich wie traditionelle Synchrongeneratoren verhalten sollen, besser reguliert werden kann. Das thermische Verhalten ist ein wichtiger Aspekt im Bezug auf die Systemzuverlässigkeit, Effizienz und Lebensdauer. Auf die Kalkulation der Verluste und die Methode zur Schätzung der Temperatur wird im Abschnitt 3 des Kapitels 4 eingegangen. Aufbauend auf die Studie im Teil II „system design and evaluation of wind energy conversion system“ untersucht der Teil III dieser Arbeit die Regelstrategien von Netzumrichtern. Dieser besteht aus drei Kapiteln zum aktuellen Stand der Netzumrichterregelung, Modellprädiktiver Regelung und Backstepping Regelung. Spannungsorientierte Regelung (VOC) als eine Industrielösung für die Netzumrichterregelung ist in den letzten 40 Jahren bereits entwickelt und angepasst worden, sodass Verbesserungen schwer ohne Einschränkungen durchzuführen sind. Es ist notwendig, andere Regelmethoden zu finden, die die technischen Anforderungen, z.B. die Einschränkung der Schaltfrequenz, erfüllen. Eine Voraussetzung für die Leistungsregelung in der Mittelspannungsebene ist die Schaltfrequenz zu reduzieren, um die Schaltverluste zu senken. Dadurch kann die Zuverlässigkeit der Halbleiter gesteigert und die Effizienz des Gesamtsystems verbessert werden. Durch einen Vergleich kann bestätigt werden, dass die vorgeschlagene Mehrschritt-modellprädiktive Regelung die niedrigste Schaltfrequenz erzielen kann, ohne die Stromverzerrung zu verschlechtern. Ein Beobachter von Luenberger zur Schätzung der Netzströme und der Kondensatorspannung wird verwendet, um die Anzahl der Sensoren zu reduzieren. Die geschätzten Größen werden für die aktive Dämpfung benötigt. Es ist wichtig zu erwähnen, dass zum Verringern der notwendigen Rechenleistung der Beobachter experimentell in FPGA mit einem Xilinx System Generator implementiert ist. Für die Bekämpfung von Parameterverschiebungen, verzerrten Netzspannungen und unsymmetrischen Netzfehlern wird im Kapitel 7 eine nichtlineare Regelung vorgestellt, die eine rekursive Methode mit hoher Robustheit nach Lyapunov darstellt. Am Ende dieser Arbeit wird eine Schlussfolgerung gegeben und einige interessante weiterführende Forschungsschwerpunkte werden aufgelistet.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9757
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8790
Exam Date: 31-Aug-2018
Issue Date: 2019
Date Available: 21-Aug-2019
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): wind energy
grid converter control
current control
model predictive control
LCL filter
Windenergie
Netzumrichter-Steuerung
Stromregelung
modellprädiktive Regelung
LCL-Filter
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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