Full- & Reduced-Order State-Space Modeling of Wind Turbine Systems with Permanent-Magnet Synchronous Generator

Wind energy is an integral part of nowadays energy supply and one of the fastest growing sources of electricity in the world today. Accurate models for wind energy conversion systems (WECSs) are of key interest for the analysis and control design of present and future energy systems. Existing control-oriented WECSs models are subject to unstructured simplifications, which have not been discussed in literature so far. Thus, this technical note presents are thorough derivation of a physical state-space model for permanent magnet synchronous generator WECSs. The physical model considers all dynamic effects that significantly influence the system's power output, including the switching of the power electronics. Alternatively, the model is formulated in the $(a,b,c)$- and $(d,q)$-reference frame. Secondly, a complete control and operation management system for the wind regimes II and III and the transition between the regimes is presented. The control takes practical effects such as input saturation and integral windup into account. Thirdly, by a structured model reduction procedure, two state-space models of WECS with reduced complexity are derived: a non-switching model and a non-switching reduced-order model. The validity of the models is illustrated and compared through a numerical simulation study.Comment: 23 pages, 11 figure

PI and LQR controllers for Frequency Regulation including Wind Generation

The increasing use of renewable technologies such as wind turbines in power systems may require the contribution of these new sources into grid ancillary services, such as Load Frequency Control. Hence, this work dealt with the performance comparison of two traditional control structures, PI and LQR, for secondary regulation of Load Frequency Control with the participation of variable-speed wind turbines. For this purpose, the doubly-fed induction generator wind turbine was modeled with additional control loops for emulation of the inertial response of conventional machines for frequency regulation tasks. Performance of proposed strategies was verified through simulation in a benchmark adapted from the WSCC 3 machines 9-bus test system. Results showed overall superior performance for LQR controller, although requiring more strenuous control effort from conventional units than PI control

A novel switched model predictive control of wind turbines using artificial neural network-Markov chains prediction with load mitigation

The existing model predictive control algorithm based on continuous control using quadratic programming is currently one of the most used modern control strategies applied to wind turbines. However, heavy computational time involved and complexity in implementation are still obstructions in existing model predictive control algorithm. Owing to this, a new switched model predictive control technique is developed for the control of wind turbines with the ability to reduce complexity while maintaining better efficiency. The proposed technique combines model predictive control operating on finite control set and artificial intelligence with reinforcement techniques (Markov Chains, MC) to design a new effective control law which allows to achieve the control objectives in different wind speed zones with minimization of computational complexity. The proposed method is compared with the existing model predictive control algorithm, and it has been found that the proposed algorithm is better in terms of computational time, load mitigation, and dynamic response. The proposed research is a forward step towards refining modern control techniques to achieve optimization in nonlinear process control using novel hybrid structures based on conventional control laws and artificial intelligence.© 2021 THE AUTHORS. Published by Elsevier BV on behalf of Faculty of Engineering, Ain Shams University. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)fi=vertaisarvioitu|en=peerReviewed

Model-based Aeroservoelastic Design and Load Alleviation of Large Wind Turbine Blades

This paper presents an aeroservoelastic modeling approach for dynamic load alleviation in large wind turbines with trailing-edge aerodynamic surfaces. The tower, potentially on a moving base, and the rotating blades are modeled using geometrically non-linear composite beams, which are linearized around reference conditions with arbitrarily-large structural displacements. Time-domain aerodynamics are given by a linearized 3-D unsteady vortexlattice method and the resulting dynamic aeroelastic model is written in a state-space formulation suitable for model reductions and control synthesis. A linear model of a single blade is used to design a Linear-Quadratic-Gaussian regulator on its root-bending moments, which is finally shown to provide load reductions of about 20% in closed-loop on the full wind turbine non-linear aeroelastic model

Fault Diagnosis and Fault Tolerant Control of Wind Turbines: An Overview

Wind turbines are playing an increasingly important role in renewable power generation. Their complex and large-scale structure, however, and operation in remote locations with harsh environmental conditions and highly variable stochastic loads make fault occurrence inevitable. Early detection and location of faults are vital for maintaining a high degree of availability and reducing maintenance costs. Hence, the deployment of algorithms capable of continuously monitoring and diagnosing potential faults and mitigating their effects before they evolve into failures is crucial. Fault diagnosis and fault tolerant control designs have been the subject of intensive research in the past decades. Significant progress has been made and several methods and control algorithms have been proposed in the literature. This paper provides an overview of the most recent fault diagnosis and fault tolerant control techniques for wind turbines. Following a brief discussion of the typical faults, the most commonly used model-based, data-driven and signal-based approaches are discussed. Passive and active fault tolerant control approaches are also highlighted and relevant publications are discussed. Future development tendencies in fault diagnosis and fault tolerant control of wind turbines are also briefly stated. The paper is written in a tutorial manner to provide a comprehensive overview of this research topic

Advanced wind farm control strategies for enhancing grid support

Nowadays, there is rising concern among Transmission System Operators about the declining of system inertia due to the increasing penetration of wind energy, and other renewable energy systems, and the retirements of conventional power plants. On the other hand, by properly operating wind farms, wind generation may be capable of enhancing grid stability and ensuring continued security of power supply. In this doctoral thesis, new control approaches for designing wind farm optimization-based control strategies are proposed to improve the participation of wind farms in grid support, specially in primary frequency support.Hoy en día, existe una significativa preocupación entre los Operadores de Sistemas de Transmisión sobre la cresciente penetración de le energía eólica y la tendiente eliminación de las centrales eléctricas convencionales que implica la disminución de la inercia del sistema eléctrico. Operando adecuadamente los parques eólicos, la generación eólica puede mejorar la estabilidad de la red eléctrica y garantizar la seguridad y un continuo suministro de energía. Esta tesis doctoral propone nuevas estrategias para diseñar controladores basados en optimización dinámica para parques eólicos y mejorar la participación de los parques eólicos en el soporte de la red eléctrica. En primer lugar, esta tesis doctoral presenta los enfoques clásicos para el control de parques y turbinas eólicas y cómo los conceptos de control existentes pueden ser explotados para hacer frente a los nuevos desafíos que se esperan de los parques eólicos. Esta tesis doctoral asigna un interés especial a cómo formular la función objetivo de que la reserva de potencia sea maximizada, para ayudar por el suporte de frequencia, y al mismo tiempo seguir la potencia demandada por la red. Sin embargo, el impacto de la estela de viento generada por una turbina sobre otras turbinas necesita ser minimizado para mejorar la reserva de potencia. Por lo tanto, a lo largo de esta tesis se proponen estrategias de control centralizado para parques eólicos enfocadas en distribuir óptimamente la energía entre las turbinas para que el impacto negativo de la estela en la reserva de potencia total se reduzca. Se discuten dos técnicas de control para proporcionar los objetivos de control mencionados anteriormente. Un algoritmo de control óptimo para encontrar la mejor distribución de potencia entre las turbinas en el parque mientras se resuelve un problema iterativo de programación lineal. En segundo lugar, se utiliza la técnica de control predictivo basada en modelo para resolver un problema de control multi-objetivo que también podría incluir, junto con la maximización de reserva de potencia, otros objetivos de control, tales como la minimización de las perdidas eléctricas en los cables de la red de interconexión entre turbinas y un controlador/supervisor. Además, la investigación realizada resalta la capacidad de las estrategias de control propuestas en esta tesis para proporcionar mayor reserva de potencia respecto a los conceptos comúnmente usados para distribuir la potencia total del parque eólico. La idea principal detrás del diseño de una estrategia de control de parques eólico es de encontrar una solución óptima dentro de un cálculo computacional relativamente bajo. Aunque los controladores centralizados propuestos en esta tesis reaccionan rápidamente a los cambios en la potencia de referencia enviada desde el controlador, algunos problemas pueden ocurrir cuando se consideran parques eólicos de gran escala debido a los retrasos existentes por el viento entre turbinas. Bajo estas circunstancias, la producción de energía de cada turbina está altamente acoplada con la propagación de la estela y, por ende, con las condiciones de funcionamiento de las otras turbinas. Esta tesis doctoral propone un esquema de control de parques eólicos no centralizados basado en una estrategia de partición para dividir el parque eólico en sub-conjuntos independientes de turbinas. Con la estrategia de control propuesta, el tiempo de cálculo se reduce adecuadamente en comparación con la estrategia de control centralizado mientras que el rendimiento en la distribución óptima de potencia es ligeramente afectado. El rendimiento de todas las estrategias de control propuestas en esta tesis se prueba con un simulador de parque eólico que modela el comportamiento dinámico del efecto de estela mediante el uso de un conocido y consolidado modelo dinámico de estela y, para un análisis más realista, algunas simulaciones se realizan con software avanzado basado en la técnica de Large Eddy Simulation

Advanced wind farm control strategies for enhancing grid support

Aplicat embargament des de la data de defensa fins al maig 2020Nowadays, there is rising concern among Transmission System Operators about the declining of system inertia due to the increasing penetration of wind energy, and other renewable energy systems, and the retirements of conventional power plants. On the other hand, by properly operating wind farms, wind generation may be capable of enhancing grid stability and ensuring continued security of power supply. In this doctoral thesis, new control approaches for designing wind farm optimization-based control strategies are proposed to improve the participation of wind farms in grid support, specially in primary frequency support.Hoy en día, existe una significativa preocupación entre los Operadores de Sistemas de Transmisión sobre la cresciente penetración de le energía eólica y la tendiente eliminación de las centrales eléctricas convencionales que implica la disminución de la inercia del sistema eléctrico. Operando adecuadamente los parques eólicos, la generación eólica puede mejorar la estabilidad de la red eléctrica y garantizar la seguridad y un continuo suministro de energía. Esta tesis doctoral propone nuevas estrategias para diseñar controladores basados en optimización dinámica para parques eólicos y mejorar la participación de los parques eólicos en el soporte de la red eléctrica. En primer lugar, esta tesis doctoral presenta los enfoques clásicos para el control de parques y turbinas eólicas y cómo los conceptos de control existentes pueden ser explotados para hacer frente a los nuevos desafíos que se esperan de los parques eólicos. Esta tesis doctoral asigna un interés especial a cómo formular la función objetivo de que la reserva de potencia sea maximizada, para ayudar por el suporte de frequencia, y al mismo tiempo seguir la potencia demandada por la red. Sin embargo, el impacto de la estela de viento generada por una turbina sobre otras turbinas necesita ser minimizado para mejorar la reserva de potencia. Por lo tanto, a lo largo de esta tesis se proponen estrategias de control centralizado para parques eólicos enfocadas en distribuir óptimamente la energía entre las turbinas para que el impacto negativo de la estela en la reserva de potencia total se reduzca. Se discuten dos técnicas de control para proporcionar los objetivos de control mencionados anteriormente. Un algoritmo de control óptimo para encontrar la mejor distribución de potencia entre las turbinas en el parque mientras se resuelve un problema iterativo de programación lineal. En segundo lugar, se utiliza la técnica de control predictivo basada en modelo para resolver un problema de control multi-objetivo que también podría incluir, junto con la maximización de reserva de potencia, otros objetivos de control, tales como la minimización de las perdidas eléctricas en los cables de la red de interconexión entre turbinas y un controlador/supervisor. Además, la investigación realizada resalta la capacidad de las estrategias de control propuestas en esta tesis para proporcionar mayor reserva de potencia respecto a los conceptos comúnmente usados para distribuir la potencia total del parque eólico. La idea principal detrás del diseño de una estrategia de control de parques eólico es de encontrar una solución óptima dentro de un cálculo computacional relativamente bajo. Aunque los controladores centralizados propuestos en esta tesis reaccionan rápidamente a los cambios en la potencia de referencia enviada desde el controlador, algunos problemas pueden ocurrir cuando se consideran parques eólicos de gran escala debido a los retrasos existentes por el viento entre turbinas. Bajo estas circunstancias, la producción de energía de cada turbina está altamente acoplada con la propagación de la estela y, por ende, con las condiciones de funcionamiento de las otras turbinas. Esta tesis doctoral propone un esquema de control de parques eólicos no centralizados basado en una estrategia de partición para dividir el parque eólico en sub-conjuntos independientes de turbinas. Con la estrategia de control propuesta, el tiempo de cálculo se reduce adecuadamente en comparación con la estrategia de control centralizado mientras que el rendimiento en la distribución óptima de potencia es ligeramente afectado. El rendimiento de todas las estrategias de control propuestas en esta tesis se prueba con un simulador de parque eólico que modela el comportamiento dinámico del efecto de estela mediante el uso de un conocido y consolidado modelo dinámico de estela y, para un análisis más realista, algunas simulaciones se realizan con software avanzado basado en la técnica de Large Eddy Simulation.Postprint (published version