Contributions to cascade linear control strategies applied to grid-connected Voltage-Source Converters

El trabajo desarrollado en esta Tesis se centra en optimizar el comportamiento de Voltage-Source Converters (VSCs) cuando son utilizados como interfaz con la red eléctrica, tanto para absorber como para entregar energía de la red con la mejor calidad posible y cumpliendo con los estándares. Para tal fin, esta Tesis se centra en el control de sistemas lineales conectados en cascada aplicados al control de VSCs conectados en paralelo con la red eléctrica a través de un filtro L, especialmente en conexiones con redes débiles y en dos líneas de trabajo: (i) seguimiento de armónicos de las corrientes de red y rechazo de armónicos de las tensiones de red, y (ii) control de la tensión del PCC en caso de desequilibrio. Para ello, esta Tesis realiza contribuciones en el área del control de corriente y control de la tensión del PCC. De entre las técnicas existentes para implementar el control de corriente para compensación armónica, dos de las más utilizadas son el control resonante y el control repetitivo, tanto en ejes de referencia estacionarios como síncronos. Se ha realizado un exhaustivo estudio de diferentes estructuras para implementar tales controles, mostrando su algoritmo adaptativo en frecuencia para cada una de ellas y analizando su carga computacional. Además, se han facilitado directrices básicas para su programación en un DSP. Se ha analizado también el esquema de control de corriente para establecer una comparación entre las diferentes estructuras. Después de estudiar en profundidad el control de corriente de un VSC conectado a la red eléctrica, el segundo control a analizar es el control de tensión del PCC. La presencia de una tensión desequilibrada en el PCC da lugar a la aparición de una componente de corriente de secuencia negativa, que deteriora el comportamiento del sistema de control cuando se emplean las técnicas de control convencionales. Los STATCOMs son bien conocidos por ser una aplicación de potencia capaz de llevar a cabo la regulación de la tensión en el PCC en líneas de distribución que pueden ser susceptibles de sufrir perturbaciones. Esta Tesis propone el uso de un controlador de tensión en ejes de referencia síncronos para compensar una tensión desequilibrada a través de un STATCOM, permitiendo controlar independientemente tanto la secuencia positiva como la secuencia negativa. Además, este controlador incluye aspectos como un mecanismo de antiwindup y droop control para mejorar su comportamiento. Se han realizado varias pruebas experimentales para analizar las características de los controladores de corriente abordados en esta Tesis. Todas ellas han sido realizadas bajo las mismas condiciones de potencia, tensión y corriente, de modo que se pueden extraer resultados comparativos. Estas pruebas pretenden caracterizar la respuesta transitoria, la respuesta en régimen permanente, el comportamiento frente a saltos de frecuencia y la carga computacional de los controladores de corriente estudiados

Detection of faults in a scaled down doubly-fed induction generator using advanced signal processing techniques.

The study ventures into the development of a micro-based doubly fed induction generator (DFIG) test rig for fault studies. The 5kW wound rotor induction machine (WRIM) that was used in the test rig was based on a scaled-down version of a 2.5MW doubly fed induction generator (DFIG). The micromachine has been customized to make provision for implementing stator inter-turn short-circuit faults (ITSCF), rotor ITSCF and static eccentricity (SE) faults in the laboratory environment. The micromachine has been assessed under the healthy and faulty states, both before and after incorporating a converter into the rotor circuit of the machine. In each scenario, the fault signatures have been characterised by analyzing the stator current, rotor current, and the DFIG controller signals using the motor current signature analysis (MCSA) and discrete wavelet transform (DWT) analysis techniques to detect the dominant frequency components which are indicative of these faults. The purpose of the study is to evaluate and identify the most suitable combination of signals and techniques for the detection of each fault under steady-state and transient operating conditions. The analyses of the results presented in this study have indicated that characterizing the fault indicators independent of the converter system ensured clarity in the fault diagnosis process and enabled the development of a systematic fault diagnosis approach that can be applied to a controlled DFIG. It has been demonstrated that the occurrence of the ITSCFs and the SE fault in the micro-WRIM intensifies specific frequency components in the spectral plots of the stator current, rotor current, and the DFIG controller signals, which may then serve as the dominant fault indicators. These dominant components may be used as fault markers for classification and have been used for pattern recognition under the transient condition. In this case, the DWT and spectrogram plots effectively illustrated characteristic patterns of the dominant fault indicators, which were observed to evolve uniquely and more distinguishable in the rotor current signal compared to the stator current signal, before incorporating the converter in the rotor circuit. Therefore, by observing the trends portrayed in the decomposition bands and the spectrogram plots, it is deemed a reliable method of diagnosing and possibly quantifying the intensity of the faults in the machine. Once the power electronic converter was incorporated into the rotor circuit, the DFIG controller signals have been observed to be best suited for diagnosing faults in the micro-DFIG under the steady-state operating condition, as opposed to using the terminal stator or rotor current signals. The study also assessed the impact of undervoltage conditions at the point of common coupling (PCC) on the behaviour of the micro-DFIG. In this investigation, a significant rise in the faulted currents was observed for the undervoltage condition in comparison to the faulty cases under the rated grid voltage conditions. In this regard, it could be detrimental to the operation of the micro-DFIG, particularly the faulted phase windings, and the power electronic converter, should the currents exceed the rated values for extended periods

Contributions to cascade linear control strategies applied to grid-connected Voltage-Source Converters

El trabajo desarrollado en esta Tesis se centra en optimizar el comportamiento de Voltage-Source Converters (VSCs) cuando son utilizados como interfaz con la red eléctrica, tanto para absorber como para entregar energía de la red con la mejor calidad posible y cumpliendo con los estándares. Para tal fin, esta Tesis se centra en el control de sistemas lineales conectados en cascada aplicados al control de VSCs conectados en paralelo con la red eléctrica a través de un filtro L, especialmente en conexiones con redes débiles y en dos líneas de trabajo: (i) seguimiento de armónicos de las corrientes de red y rechazo de armónicos de las tensiones de red, y (ii) control de la tensión del PCC en caso de desequilibrio. Para ello, esta Tesis realiza contribuciones en el área del control de corriente y control de la tensión del PCC. De entre las técnicas existentes para implementar el control de corriente para compensación armónica, dos de las más utilizadas son el control resonante y el control repetitivo, tanto en ejes de referencia estacionarios como síncronos. Se ha realizado un exhaustivo estudio de diferentes estructuras para implementar tales controles, mostrando su algoritmo adaptativo en frecuencia para cada una de ellas y analizando su carga computacional. Además, se han facilitado directrices básicas para su programación en un DSP. Se ha analizado también el esquema de control de corriente para establecer una comparación entre las diferentes estructuras. Después de estudiar en profundidad el control de corriente de un VSC conectado a la red eléctrica, el segundo control a analizar es el control de tensión del PCC. La presencia de una tensión desequilibrada en el PCC da lugar a la aparición de una componente de corriente de secuencia negativa, que deteriora el comportamiento del sistema de control cuando se emplean las técnicas de control convencionales. Los STATCOMs son bien conocidos por ser una aplicación de potencia capaz de llevar a cabo la regulación de la tensión en el PCC en líneas de distribución que pueden ser susceptibles de sufrir perturbaciones. Esta Tesis propone el uso de un controlador de tensión en ejes de referencia síncronos para compensar una tensión desequilibrada a través de un STATCOM, permitiendo controlar independientemente tanto la secuencia positiva como la secuencia negativa. Además, este controlador incluye aspectos como un mecanismo de antiwindup y droop control para mejorar su comportamiento. Se han realizado varias pruebas experimentales para analizar las características de los controladores de corriente abordados en esta Tesis. Todas ellas han sido realizadas bajo las mismas condiciones de potencia, tensión y corriente, de modo que se pueden extraer resultados comparativos. Estas pruebas pretenden caracterizar la respuesta transitoria, la respuesta en régimen permanente, el comportamiento frente a saltos de frecuencia y la carga computacional de los controladores de corriente estudiados

Control issues in photovoltaic power converters

2014 - 2015The development of this work was born from cooperation between the Power Electronics and Renewable Sources Laboratory of the University of Salerno and the ABB Solar Group company (ex Power-One) of Terranuova Bracciolini (AR), Italy that is one of the most important manufactures of PV power converters. The aim of this thesis is to investigate control issues in photovoltaic system as the design of PV plants, in the present-day evolving scenario, is not completely defined. This company has pointed out a great interest to explore new control techniques that can have static and dynamic performance better than the existing techniques implemented in its systems, to analyze new scenarios due to the insertion of the Distributed Power Generating Systems (DPGSs) into the grid and to optimize the current methods to extract power from the PV source with the final goal to increase the performance of the PV systems at any level, system, grid and circuit. Hence, the starting points have been highlighted from the industry but they have also a great impact on the scientific and technologic fields. ...[edited by author]XIV n.s

MATLAB

A well-known statement says that the PID controller is the "bread and butter" of the control engineer. This is indeed true, from a scientific standpoint. However, nowadays, in the era of computer science, when the paper and pencil have been replaced by the keyboard and the display of computers, one may equally say that MATLAB is the "bread" in the above statement. MATLAB has became a de facto tool for the modern system engineer. This book is written for both engineering students, as well as for practicing engineers. The wide range of applications in which MATLAB is the working framework, shows that it is a powerful, comprehensive and easy-to-use environment for performing technical computations. The book includes various excellent applications in which MATLAB is employed: from pure algebraic computations to data acquisition in real-life experiments, from control strategies to image processing algorithms, from graphical user interface design for educational purposes to Simulink embedded systems

Converter control for wind turbines when operating in weak grids containing resonances

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