Wind Energy Generator Test Platform Wind Energy Generator Test Platform Jaime Alves Rovisco Ribeiro

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  • ojeU mag

    Wind Energy Generator Test Platform

    Jaime Alves Rovisco Ribeiro

    Thesis to obtain the Master of Science Degree in

    Electrical and Computer Engineering

    Examination Committee

    Chairperson: Prof. Doutor Paulo José da Costa Branco

    Advisor: Prof. Doutor Rui Manuel Gameiro de Castro

    Member of the Committee: Prof.ª Doutora Sónia Maria Nunes dos Santos Paulo

    Ferreira Pinto

    October 2012

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    Abstract

    With the proliferation of installed wind generators across the whole world, there has been a

    significant increase in the number of different types of wind generators schemes, due to the big

    investments made in this area. From all the generators there are three that are widely used: the

    squirrel cage induction generator, also known as fixed speed machine, the doubly fed induction

    generator, also known as variable speed controlled wind turbine and finally the direct driven

    wind generator, also known as the full variable speed controlled wind turbine.

    It would be interesting to have a test platform to which different types of wind generators could

    be connected. The main goal of this master thesis is to create such a platform, using

    Matlab/Simulink that provides a user-friendly environment to do so. With this platform we’ll be

    able to perform steady-state and transient analysis to an electrical grid with different types of

    wind generators connected and assess their impact on the whole system.

    Several situations are studied along this thesis, such as the connection of the wind generators

    to the grid, the reaction of each wind generator when the nominal wind speed was reached to

    evaluate the pitch control system limiting the output power and the simulation of three-phase

    and phase-to-ground faults.

    Finally, the fault ride through capability, which is a new feature of modern wind energy

    conversion systems required by government regulations, will be tested with the help from

    flexible AC transmission systems such as the static synchronous compensator.

    Key words: wind generation, test platform, transient and steady-state analysis, fault ride

    through capability, flexible AC transmission systems, doubly fed induction generator, squirrel

    cage induction generator.

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    Resumo

    Com a proliferação de geradores eólicos em todo o mundo, tem havido um aumento

    significativo do número de diferentes tipos de sistemas de geração de energia a partir do vento,

    devido aos grandes investimentos feitos nesta área. De todos os tipos de geradores eólicos, há

    três que são amplamente utilizados: a máquina de indução de rotor em gaiola, também

    conhecida como máquina de velocidade fixa, a máquina de indução duplamente alimentada,

    também conhecida como turbina eólica controlada com velocidade variável e, finalmente, a

    máquina síncrona de velocidade variável, também conhecida como turbina eólica controlada

    com velocidade totalmente variável.

    Seria interessante ter uma plataforma de testes onde diferentes tipos de geradores eólicos

    pudessem ser ligados. O principal objetivo desta dissertação de mestrado passa por criar esta

    plataforma, usando o Matlab/Simulink que nos fornece um ambiente intuitivo para tal. Com esta

    plataforma, seremos capazes de realizar testes em regime permanente e transitório numa rede

    elétrica, com diferentes tipos de geradores eólicos, avaliando o seu impacto em todo o sistema.

    Diversas situações são estudadas ao longo deste trabalho, a ligação de um gerador eólico à

    rede, a reacção de cada gerador quando a velocidade nominal do vento é atingida e também o

    estudo de diversos tipos de curto-circuitos na rede.

    Será testada também a capacidade de Fault Ride Through dos geradores eólicos, uma nova

    capacidade que é exigida por regulamentos governamentais a este tipo de geradores. Para

    testar esta capacidade, usar-se-ão flexible AC transmission systems, nomeadamente o

    compensador estático de tensão.

    Palavras chave: geração eólica, plataforma de testes, análise em regime permanente e

    transitório, capacidade fault ride through, flexible AC transmission systems, máquina

    duplamente alimentada, máquina de indução de rotor em gaiola.

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    Acknowledgments

    This dissertation could not have been a reality without the help and support of a group of people

    to whom I want to leave my sincere thanks.

    Firstly, I want to thank Professor Rui Castro, for giving me the opportunity to complete this final

    phase of the course under his guidance, for the promptitude and the time taken to help me,

    sometimes far beyond the available time. I also want to leave special thanks for being one of

    the teachers who most influenced me and motivated during my time at Instituto Superior

    Técnico.

    It is imperative to leave a special thanks to all my colleagues who accompanied me throughout

    these years, many of whom I am proud to be able to call friends and not just colleagues. There

    were people who not only helped me to acquire knowledge but also helped me to evolve as a

    person. I avoid discriminating their names with fear to forget someone however I want to thank

    everyone for helping making my academic experience very memorable.

    In a non-academic context, I want to thank my family. To my parents who, besides giving me an

    education and the needed values to succeed in life, also worked hard so I could have a stable

    life and so I could have all I needed and more. To my brother, who was over 24 years not only a

    friend but also someone who I always looked up to.

    Finally, I want to give a special thanks to all my friends. From those I have known for over

    twenty years to the ones I met just a few months ago, I feel very lucky to have them in my life

    since they always gave me the support, happiness and the motivation required to have stability

    and success in both my personal and academic life. They are a very significant part of my life.

    To all, thank you. It would not have been possible without you.

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    Agradecimentos

    Esta dissertação de mestrado não poderia ter sido uma realidade sem a ajuda e apoio de um

    grupo de pessoas, ao qual eu quero deixar os meus mais sinceros agradecimentos.

    Em primeiro lugar, quero agradecer ao professor Rui Castro, por me ter dado a oportunidade

    de completar esta fase final do curso sob a sua orientação, pela prontidão e tempo que

    disponibilizou para me ajudar, por vezes muito além do tempo que tinha disponível. Gostaria

    também de deixar um agradecimento por ter sido dos professores que mais me influenciou e

    motivou durante a minha passagem pelo Instituto Superior Técnico.

    É imperativo deixar um agradecimento especial a todos os meus colegas que me

    acompanharam ao longo destes anos de curso, muitos dos quais eu me orgulho de poder

    chamar amigos e não apenas colegas. Foram pessoas que não só me ajudaram a adquirir

    conhecimentos mas também me ajudaram a evoluir enquanto pessoa. Evito descriminar os

    seus nomes, sob o medo de me esquecer de alguém, no entanto, quero agradecer a todos por

    terem ajudado a tornar a minha experiência académica muito memorável.

    Num contexto não académico, quero agradecer à minha família. Aos meus pais que, para além

    de me terem dado uma educação e valores necessários para ter sucesso na vida, também se

    esforçaram muito durante toda a minha vida para que esta decorresse da maneira mais estável

    possível e sempre trabalharam arduamente para que eu pudesse ter tudo aquilo que precisaria

    e mais ainda. Ao meu irmão, que ao longo de 24 anos não foi só um amigo mas também

    alguém que sempre retive como um exemplo a seguir.

    Finalmente, quero deixar um agradecimento especial a todos os meus amigos. Desde aqueles

    que conheço há mais de vinte anos aos que conheço há poucos meses, sinto-me com muita

    sorte de os ter na minha vida pois sempre me deram o apoio, a felicidade e a motivação

    necessários para ter estabilidade e sucesso a nível pessoal e a nível académico. São uma

    parte fulcral na minha vida.

    A todos, muito obrigado. Sem vocês, não teria sido possível.

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    List of Figures

    FIGURE 1.1 - EVOLUTION OF THE WORLD CUMULATIVE WIND POWER INSTALLED CAPACITY [1]. ............. 1

    FIGURE 2.1 - ELECTRIC POWER CHARACTERISTIC FOR DIFFERENT ROTOR RESISTANCES [6]. ............... 5

    FIGURE 2.2 - BLOCK REPRESENTATION OF THE WTDFIG [6]. ............................................................. 6

    FIGURE 2.3 - ELECTRICAL SYSTEM OF THE DFIG [6]. ......................................................................... 7

    FIGURE 2.4 - VOLTAGE-TIME CHARACTERISTIC ESTABLISHED BY REGULATIONS AS SEEN IN [3]. .......... 11

    FIGURE 2.5 - BASIC PRINCIPLE OF SERIES COMPENSATION AS SEEN IN [4]. ................