Fuzzy model based multivariable predictive control design for rapid and efficient speed-sensorless maximum power extraction of renewable wind generators

Introduction. A wind energy conversion system needs a maximum power point tracking algorithm. In the literature, several works have interested in the search for a maximum power point wind energy conversion system. Generally, their goals are to optimize the mechanical rotation or the generator torque and the direct current or the duty cycle switchers. The power output of a wind energy conversion system depends on the accuracy of the maximum power tracking controller, as wind speed changes constantly throughout the day. Maximum power point tracking systems that do not require mechanical sensors to measure the wind speed offer several advantages over systems using mechanical sensors. The novelty. The proposed work introduces an intelligent maximum power point tracking technique based on a fuzzy model and multivariable predictive controller to extract the maximum energy for a small-scale wind energy conversion system coupled to the electrical network. The suggested algorithm does not need the measurement of the wind velocity or the knowledge of turbine parameters. Purpose. Building an intelligent maximum power point tracking algorithm that does not use mechanical sensors to measure the wind speed and extracts the maximum possible power from the wind generator, and is simple and easy to implement. Methods. In this control approach, a fuzzy system is mainly utilized to generate the reference DC-current corresponding to the maximum power point based on the changes in the DC-power and the rectified DC-voltage. In contrast, the fuzzy model-based multivariable predictive regulator follows the resultant reference current with minimum steady-state error. The significant issues of the suggested maximum power point tracking method, such as the detailed design process and implementation of the two controllers, have been thoroughly investigated and presented. The considered maximum power point tracking approach has been applied to a wind system driving a 5 kW permanent magnet synchronous generator in variable speed mode through the simulation tests. Practical value. A practical implementation has been executed on a 5 kW test bench consisting of a dSPACEds1104 controller board, permanent magnet synchronous generator, and DC-motor drives to confirm the simulation results. Comparative experimental results under varying wind speed have confirmed the achievable significant performance enhancements on the maximum wind energy generation and overall system response by using the suggested control method compared with a traditional proportional integral maximum power point tracking controller.Вступ. Система перетворення енергії вітру потребує алгоритму відстеження точки максимальної потужності. У літературі є кілька робіт, присвячених пошуку системи перетворення енергії вітру із точкою максимальної потужності. Як правило, їх метою є оптимізація механічного обертання або моменту, що крутить, генератора і перемикачів постійного струму або робочого циклу. Вихідна потужність системи перетворення енергії вітру залежить від точності контролера стеження за максимальною потужністю, оскільки швидкість вітру постійно змінюється протягом дня. Системи стеження за точками з максимальною потужністю, яким не потрібні механічні датчики для вимірювання швидкості вітру, мають ряд переваг у порівнянні з системами, що використовують механічні датчики. Новизна. Пропонована робота представляє інтелектуальний метод відстеження точки максимальної потужності, заснований на нечіткій моделі та багатопараметричному прогнозуючому контролері, для отримання максимальної енергії для маломасштабної системи перетворення енергії вітру, підключеної до електричної мережі. Пропонований алгоритм не вимагає вимірювання швидкості вітру або знання параметрів турбіни. Мета. Побудова інтелектуального алгоритму відстеження точки максимальної потужності, який не використовує механічні датчики для вимірювання швидкості вітру та витягує максимально можливу потужність з вітрогенератора, а також простий та зручний у реалізації. Методи. У цьому підході до управління нечітка система в основному використовується для генерування еталонного постійного струму, що відповідає точці максимальної потужності, на основі змін потужності постійного струму та постійної випрямленої напруги. Навпаки, багатопараметричний прогнозуючий регулятор на основі нечіткої моделі слідує за результуючим еталонним струмом з мінімальною помилкою, що встановилася. Істотні проблеми запропонованого методу відстеження точки максимальної потужності, такі як процес детального проектування та реалізація двох контролерів, були ретельно досліджені та представлені. Розглянутий підхід до відстеження точки максимальної потужності був застосований до вітрової системи, що приводить у дію синхронний генератор з постійними магнітами потужністю 5 кВт у режимі змінної швидкості за допомогою моделювання. Практична цінність. Для підтвердження результатів моделювання було виконано практичну реалізацію на випробувальному стенді потужністю 5 кВт, що складається з плати контролера dSPACEds1104, синхронного генератора з постійними магнітами та електроприводів з двигунами постійного струму. Порівняльні експериментальні результати при різній швидкості вітру підтвердили значні поліпшення продуктивності з максимального вироблення енергії вітру і загального відгуку системи при використанні запропонованого методу управління в порівнянні з традиційним пропорційно-інтегральним контролером спостереження за точкою максимальної потужності

A Review of Control Techniques for Wind Energy Conversion System

Wind energy is the most efficient and advanced form of renewable energy (RE) in recent decades, and an effective controller is required to regulate the power generated by wind energy. This study provides an overview of state-of-the-art control strategies for wind energy conversion systems (WECS). Studies on the pitch angle controller, the maximum power point tracking (MPPT) controller, the machine side controller (MSC), and the grid side controller (GSC) are reviewed and discussed. Related works are analyzed, including evolution, software used, input and output parameters, specifications, merits, and limitations of different control techniques. The analysis shows that better performance can be obtained by the adaptive and soft-computing based pitch angle controller and MPPT controller, the field-oriented control for MSC, and the voltage-oriented control for GSC. This study provides an appropriate benchmark for further wind energy research

Multivariable control of a grid-connected wind energy conversion system with power quality enhancement

This document is the Accepted Manuscript version of the following article: Kaddour Fouad, Houari Merabet Boulouiha, Ahmed Allali, Ali Taibi, and Mouloud Denai, ‘Multivariable control of a grid-connected wind energy conversion system with power quality enhancement’, Energy Systems, Vol. 9 (1): 25-57, February 2018. The final publication is available at Springer via: https://doi.org/10.1007/s12667-016-0223-7This paper proposes the design of a multivariable robust control strategy for a variable-speed WECS based on a SCIG. Optimal speed control of the SCIG is achieved by a conventional PI controller combined with a MPPT strategy. DTC-SVM technique based on a simple Clarke transformation is used to control the generator-side three-level converter in the variable speed WECS. The flow of real and reactive power between the inverter and the grid is controlled via the grid real and reactive currents and the DC link voltage using multivariable H∞ control. The overall WECS and control scheme are developed in Matlab/Simulink and the performance of the proposed control strategy is evaluated via a set of simulation scenarios replicating various operating conditions of the WECS such as variable wind speed and asymmetric single grid faults. The power quality of the WECS system under H∞ control control approach is assessed and the results show a significant improvement in the total harmonic distorsion as compared to that achieved with a classical PI control.Peer reviewedFinal Accepted Versio

Prädiktive Regelung und Finite-Set-Beobachter für Windgeneratoren mit variabler Drehgeschwindigkeit

This dissertation presents several model predictive control (MPC) techniques and finite-position-set observers (FPSOs) for permanent-magnet synchronous generators and doubly-fed induction generators in variable-speed wind turbines. The proposed FPSOs are novel ones and based on the concept of finite-control-set MPC. Then, the problems of the MPC techniques like sensitivity to variations of the model parameters and others are investigated and solved in this work.Die vorliegende Dissertation stellt mehrere unterschiedliche Verfahren der modellprädiktiven Regelung (MPC) und so genannte Finite-Position-Set-Beobachter (FPSO) sowohl für Synchrongeneratoren mit Permanentmagneterregung als auch für doppelt gespeiste Asynchrongeneratoren in Windkraftanlagen mit variabler Drehzahl vor und untersucht diese. Für die Beobachter (FPSO) wird ein neuartiger Ansatz vorgestellt, der auf dem Konzept der Finite-Control-Set-MPC basiert. Außerdem werden typische Eigenschaften der MPC wie beispielsweise die Anfälligkeit gegenüber Parameterschwankungen untersucht und kompensiert

Wind Farm

During the last two decades, increase in electricity demand and environmental concern resulted in fast growth of power production from renewable sources. Wind power is one of the most efficient alternatives. Due to rapid development of wind turbine technology and increasing size of wind farms, wind power plays a significant part in the power production in some countries. However, fundamental differences exist between conventional thermal, hydro, and nuclear generation and wind power, such as different generation systems and the difficulty in controlling the primary movement of a wind turbine, due to the wind and its random fluctuations. These differences are reflected in the specific interaction of wind turbines with the power system. This book addresses a wide variety of issues regarding the integration of wind farms in power systems. The book contains 14 chapters divided into three parts. The first part outlines aspects related to the impact of the wind power generation on the electric system. In the second part, alternatives to mitigate problems of the wind farm integration are presented. Finally, the third part covers issues of modeling and simulation of wind power system

Linear Parameter Varying Power Regulation of Variable Speed Pitch Manipulated Wind Turbine in the Full Load Regime

In a wind energy conversion system (WECS), changing the pitch angle of the wind turbine blades is a typical practice to regulate the electrical power generation in the full-load regime. Due to the turbulent nature of the wind and the large variations of the mean wind speed during the day, the rotary elements of the WECS are subjected to significant mechanical stresses and fatigue, resulting in conceivably mechanical failures and higher maintenance costs. Consequently, it is imperative to design a control system capable of handling continuous wind changes. In this work, Linear Parameter Varying (LPV) H_inf controller is used to cope with wind variations and turbulent winds with a turbulence intensity greater than 10%. The proposed controller is designed to regulate the rotational rotor speed and generator torque, thus, regulating the output power via pitch angle manipulations. In addition, a PI-Fuzzy control system is designed to be compared with the proposed control system. The closed-loop simulations of both controllers established the robustness and stability of the suggested LPV controller under large wind velocity variations, with minute power fluctuations compared to the PI-Fuzzy controller. The results show that in the presence of turbulent wind speed variations, the proposed LPV controller achieves improved transient and steady-state performance along with reduced mechanical loads in the above-rated wind speed region.Comment: 12 pages, 10 figure

Modeling and Control of Wind Turbine to Damp the Power Oscillation

Damping inter-area oscillation by using a permanent magnet synchronous generator (PMSG) wind turbine is considered. The PMSG wind turbine is connected to the IEEE-30 bus power system at different buses. H-infinity design controller is proposed to modulate the power where the input of the H-infinity control is the variation of the local grid generator speed and the output is feedback to activate the PMSG speed control, blade pitch angle control and dc voltage control. MATLAB/SIMULINK is used in this study. The IEEE-30 bus system is reduced to 7 buses based on the number of generators to simplify the stability study. The method is applied to a seven-area power system that exhibits undamped oscillations. Results presented in this study demonstrate the effectiveness of the wind generator in increasing system damping considerably

Un modelo generalizado y control para almacenadores de energía por superconductor magnético y supercondesador

This paper presents a generalized linear model based on LMI state-feedback with integral action, applicable to the control of Electric Energy Storage Systems (EESS) such as Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) and Supercapacitor Energy Storage (SCES). A Voltage Source Converter (VSC) and a Pulse-Width modulated Current Source Converter (PWM-CSC) are respectively used to integrate the SCES and the SMES systems to the electrical distribution system. To represent the dynamics between the EESS and the power distribution system a reduced general linear model in the state-space representation is introduced. The proposed control scheme regulates independently the active and reactive power ow between the EESS and ac the grid. Three case scenarios comparing a conventional PI controller and the proposed technique are conducted considering grid voltage uctuations. Extensive time-domain simulations demonstrate the robustness and proper performance of the proposed controller to operate the EESS as power compensator, in order to improve the operative conditions of electrical distribution systems.En este articulo se presenta un control de retroalimentación a un modelo lineal generalizado basados en LMI con seguimiento de acción integral para sistemas de almacenamiento de energía eléctrica (SESS) tales como: a almacenamiento de energía magnética por superconducción (SMES) y almacenamiento de energía eléctrica por supercondensador (SCES). Un compacto de modelo lineal general en la representación del espacio de estado para representar el comportamiento dinámico entre el SESS y el sistema de distribución es presentado. Para integrar los sistemas SCES y SMES al sistema de distribución se utilizan un convertidor de fuente de tensión (VSC) y un convertidor de fuente de corriente modulada por ancho de pulso (PWM-CSC), respectivamente. La estrategia de control propuesta permite el control bidireccional de la potencia activa y reactiva entre el EESS y la red ac de manera independiente. Los resultados de las simulaciones demuestran el desempeño robusto y eciente del control propuesto para operar EESS como compensadores de potencia activa y reactiva, con el n de mejorar las condiciones operativas en el sistema de distribución. Además, todos los casos propuestos se compararon con el controlador PI convencional para vericar su validez