New control strategy for permanent magnet synchronous generator (PMSG) wind turbine

Mozayan, Seyed Mehdi (2020). New control strategy for permanent magnet synchronous generator (PMSG) wind turbine. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Due to extensive research in the wind turbine community, advanced technologies have been emerged to obtain the proper operation from wind turbines. However, there are some features needed to be improved to have the best energy conversion system.

This thesis is focusing on following areas which are challenges for wind turbine operators encounter:

1. Improving Total Harmonic Distortion (THD) by designing an advanced control strategy.
2. Inter-turn fault detection at early stage.

In the first section of this thesis, a Sliding Mode Control (SMC) based scheme is proposed for a variable speed, direct-driven Wind Turbine Conversion System (WTCS) equipped with Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) connected to the grid. In this work, diode rectifier, boost converter, Neutral Point Clamped (NPC) inverter and L filter are used as the interface between the wind turbine and grid. This topology has abundant features such as simplicity for low and medium power wind turbine applications. It is also less costly than back-to-back two-level converters in medium power applications. SMC approach demonstrates great performance in complicated nonlinear systems control such as WTCS. The proposed control strategy modifies Reaching Law (RL) of sliding mode technique to reduce chattering issue and to improve THD property compared to conventional reaching law SMC. The effectiveness of the proposed control strategy is explored by simulation study on a 4 KW wind turbine, and then verified by experimental tests for a 2 KW set-up.

Second section of this thesis proposes a model-based Fault Detection and Localization (FDL) strategy of a surface-mounted PMSG wind turbine. One of the prevalent faults in wind turbines is Inter-turn Short Circuit (ISC) fault in the generator of WTCS. To elaborate the fault and observe the consequences, a 120 KW wind turbine equipped with PMSG is being modeled while injecting the fault during normal and steady state operation. Geometric Approach (GeA) offers plentiful features for FDL in nonlinear system control applications. It can operate as a built-in function of the WTCS control system in which ISC fault is being detected and localized when occurred in the winding of the stator of PMSG. The GeA is a model-based technique that works based upon the governing equations of the generator of wind turbine. The effectiveness of the proposed FDL scheme is justified by co-simulation of wind energy conversion system using Maxwell, Simplorer, and Matlab software packages.

Titre traduit

Nouvelle stratégie de contrôle d’une génératrice synchrone à aimant permanent (PMSG) d’une Éolienne

Résumé traduit

Grâce à des recherches approfondies dans la communauté des éoliennes, des technologies de pointe ont émergé pour obtenir le bon fonctionnement des éoliennes. Cependant, certaines fonctionnalités doivent être améliorées pour avoir le meilleur système de conversion d’énergie.
Ce mémoire se concentre sur les domaines suivants qui constituent des défis pour les exploitants d’éoliennes:

1. Amélioration de la distorsion harmonique totale (THD) en concevant une stratégie de contrôle avancée.
2. Détection de défaut inter-tours au stade précoce.

Dans la première section de cette thèse, un schéma basé sur le contrôle en mode glissant (SMC) est proposé pour un système de conversion d’éolienne à vitesse variable à entraînement direct (WTCS) équipé d’un générateur synchrone à aimant permanent (PMSG) connecté au réseau. Dans ce travail, un redresseur à diode, un convertisseur de suralimentation, un onduleur à point neutre (NPC) et un filtre en L sont utilisés comme interface entre l’éolienne et le réseau. Cette topologie présente de nombreuses fonctionnalités telles que la simplicité pour les applications d’éoliennes de faible et moyenne puissance. Il est également moins coûteux que les convertisseurs dos à dos à deux niveaux dans les applications de moyenne puissance. L’approche SMC démontre d’excellentes performances dans le contrôle de systèmes non linéaires compliqués tels que WTCS. La stratégie de contrôle proposée modifie la loi d’atteinte (RL) de la technique du mode glissant pour réduire le problème de réticence et pour améliorer la propriété THD par rapport à la loi d’atteinte conventionnelle SMC. L’efficacité de la stratégie de contrôle proposée est explorée par une étude en simulation sur une éolienne de 4 KW, puis vérifiée par des tests expérimentaux pour un montage de 2 KW. KW

La deuxième section de ce mémoire propose une stratégie de détection et de localisation de défauts basée sur un modèle (FDL) d’une éolienne PMSG montée en surface. L’un des défauts les plus courants dans les éoliennes est le défaut de court-circuit inter-tours (ISC) dans le générateur de WTCS. Pour élaborer le défaut et en observer les conséquences, une éolienne de 120 KW équipée de PMSG est modélisée en injectant le défaut en fonctionnement normal et en régime permanent. L’approche géométrique (GeA) offre de nombreuses fonctionnalités pour FDL dans les applications de contrôle de système non linéaire. Il peut fonctionner comme une fonction intégrée du système de contrôle WTCS dans lequel un défaut ISC est détecté et localisé lorsqu’il se produit dans l’enroulement du stator de PMSG. Le GeA est une technique basée sur un modèle qui fonctionne sur la base des équations gouvernantes du générateur d’éolienne. L’efficacité du schéma FDL proposé est justifiée par la co-simulation du système de conversion d’énergie éolienne à l’aide des progiciels Maxwell, Simplorer et Matlab.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the master’s degree with thesis in electrical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 63-69).
Mots-clés libres:	éolienne, générateur synchrone à aimant permanent (PMSG), convertisseur de suralimentation, point neutre bridé (NPC), contrôle en mode glissant (SMC), loi d’atteinte exponentielle améliorée (EERL), contrôle du générateur, contrôle du convertisseur, détection de défaut, système de conversion d’éolienne ( WTCS), détection et localisation de défaut (FDL), défaut de court-circuit entre spires (ISC), approche géométrique (GeA)
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Saad, Maarouf
Codirecteur:	Codirecteur Fortin Blanchette, Handy
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt:	02 sept. 2021 18:55
Dernière modification:	02 sept. 2021 18:55
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2672

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