Small-Signal Modelling and Analysis of Doubly-Fed Induction Generators in Wind Power Applications

The worldwide demand for more diverse and greener energy supply has had a significant impact on the development of wind energy in the last decades. From 2 GW in 1990, the global installed capacity has now reached about 100 GW and is estimated to grow to 1000 GW by 2025. As wind power penetration increases, it is important to investigate its effect on the power system. Among the various technologies available for wind energy conversion, the doubly-fed induction generator (DFIG) is one of the preferred solutions because it offers the advantages of reduced mechanical stress and optimised power capture thanks to variable speed operation. This work presents the small-signal modelling and analysis of the DFIG for power system stability studies. This thesis starts by reviewing the mathematical models of wind turbines with DFIG convenient for power system studies. Different approaches proposed in the literature for the modelling of the turbine, drive-train, generator, rotor converter and external power system are discussed. It is shown that the flexibility of the drive train should be represented by a two-mass model in the presence of a gearbox. In the analysis part, the steady-state behaviour of the DFIG is examined. Comparison is made with the conventional synchronous generators (SG) and squirrel-cage induction generators to highlight the differences between the machines. The initialisation of the DFIG dynamic variables and other operating quantities is then discussed. Various methods are briefly reviewed and a step-by-step procedure is suggested to avoid the iterative computations in initial condition mentioned in the literature. The dynamical behaviour of the DFIG is studied with eigenvalue analysis. Modal analysis is performed for both open-loop and closed-loop situations. The effect of parameters and operating point variations on small signal stability is observed. For the open-loop DFIG, conditions on machine parameters are obtained to ensure stability of the system. For the closed-loop DFIG, it is shown that the generator electrical transients may be neglected once the converter controls are properly tuned. A tuning procedure is proposed and conditions on proportional gains are obtained for stable electrical dynamics. Finally, small-signal analysis of a multi-machine system with both SG and DFIG is performed. It is shown that there is no common mode to the two types of generators. The result confirms that the DFIG does not introduce negative damping to the system, however it is also shown that the overall effect of the DFIG on the power system stability depends on several structural factors and a general statement as to whether it improves or detriorates the oscillatory stability of a system can not be made

Dsp Implementation Of Dc Voltage Regulation Using Adaptive Control For 200 Kw 62000 Rpm Induction Generator

The thesis discusses the development of closed loop system to control the DC voltage for 200 kW induction generator rated at a speed of 62000 RPM under different load conditions. The voltage regulation has been implemented using PI controller. A gain scheduling control algorithm has been developed to select the appropriate controller gains with respect to the generator load. Further, a relationship between the generator loads and the controller gains has been established. This relationship has been modeled using adaptive control technique to vary the gains automatically at any load condition. The adaptive control technique has been successfully generalized for real time DSP implementation to regulate the DC voltage for high speed induction generators rated from 5 kW to 200 kW

Doubly-fed induction generator used in wind energy

Wound-rotor induction generator has numerous advantages in wind power generation over other generators. One scheme for wound-rotor induction generator is realized when a converter cascade is used between the slip-ring terminals and the utility grid to control the rotor power. This configuration is called the doubly-fed induction generator (DFIG). In this work, a novel induction machine model is developed. This model includes the saturation in the main and leakage flux paths. It shows that the model which considers the saturation effects gives more realistic results. A new technique, which was developed for synchronous machines, was applied to experimentally measure the stator and rotor leakage inductance saturation characteristics on the induction machine. A vector control scheme is developed to control the rotor side voltage-source converter. Vector control allows decoupled or independent control of both active and reactive power of DFIG. These techniques are based on the theory of controlling the B- and q- axes components of voltage or current in different reference frames. In this work, the stator flux oriented rotor current control, with decoupled control of active and reactive power, is adopted. This scheme allows the independent control of the generated active and reactive power as well as the rotor speed to track the maximum wind power point. Conventionally, the controller type used in vector controllers is of the PI type with a fixed proportional and integral gain. In this work, different intelligent schemes by which the controller can change its behavior are proposed. The first scheme is an adaptive gain scheduler which utilizes different characteristics to generate the variation in the proportional and the integral gains. The second scheme is a fuzzy logic gain scheduler and the third is a neuro-fuzzy controller. The transient responses using the above mentioned schemes are compared analytically and experimentally. It has been found that although the fuzzy logic and neuro-fuzzy schemes are more complicated and have many parameters; this complication provides a higher degree of freedom in tuning the controller which is evident in giving much better system performance. Finally, the simulation results were experimentally verified by building the experimental setup and implementing the developed control schemes

Design of Power System Stabilizer

A power system stabilizer (PSS) installed in the excitation system of the synchronous generator improves the small-signal power system stability by damping out low frequency oscillations in the power system. It does that by providing supplementary perturbation signals in a feedback path to the alternator excitation system. In our project we review different conventional PSS design (CPSS) techniques along with modern adaptive neuro-fuzzy design techniques. We adapt a linearized single-machine infinite bus model for design and simulation of the CPSS and the voltage regulator (AVR). We use 3 different input signals in the feedback (PSS) path namely, speed variation(w), Electrical Power (Pe), and integral of accelerating power (Pe*w), and review the results in each case. For simulations, we use three different linear design techniques, namely, root-locus design, frequency-response design, and pole placement design; and the preferred non-linear design technique is the adaptive neuro-fuzzy based controller design. The MATLAB package with Control System Toolbox and SIMULINK is used for the design and simulations

Wind turbine synchronous reset pitch control

Reset controllers are commonly used to smooth the transient response of systems. We use this technique to improve a standard baseline pitch controller for offshore wind turbines (WTs). The introduction of this strategy enhances the overall performance of the WT. In particular, the fore-aft and side-to-side accelerations of the WT tower are significantly reduced, whilst a steadier power output is obtained, in comparison to the standard baseline pitch controller. Furthermore, our designed pitch control’s main advantage, with respect to the baseline, is its ease of implementation and reduced complexity as it does not require a gain-scheduling technique, nor pitch position measurement (thus, it is insensitive to pitch sensor faults). The proposed approach has been simulated on the NREL 5-MW prototype offshore turbine model, mounted on a jacket support. The simulations are carried out using the aero-hydro-servo-elastic simulator FAST, and key observations are thoroughly discussed.Peer ReviewedPostprint (published version

Chaotic-based particle swarm optimization algorithm for optimal PID tuning in automatic voltage regulator systems

Introduction. In an electrical power system, the output of the synchronous generators varies due to disturbances or sudden load changes. These variations in output severely affect power system stability and power quality. The synchronous generator is equipped with an automatic voltage regulator to maintain its terminal voltage at rated voltage. Several control techniques utilized to improve the response of the automatic voltage regulator system, however, proportional integral derivative (PID) controller is the most frequently used controller but its parameters require optimization. Novelty. In this paper, the chaotic sequence based on the logistic map is hybridized with particle swarm optimization to find the optimal parameters of the PID for the automatic voltage regulator system. The logistic map chaotic sequence-based initialization and global best selection enable the algorithm to escape from local minima stagnation and improve its convergence rate resulting in best optimal parameters. Purpose. The main objective of the proposed approach is to improve the transient response of the automatic voltage regulator system by minimizing the maximum overshoot, settling time, rise time, and peak time values of the terminal voltage, and eliminating the steady-state error. Methods. In the process of parameter tuning, the Chaotic particle swarm optimization technique was run several times through the proposed hybrid objective function, which accommodates the advantages of the two most commonly used objective functions with a minimum number of iterations, and an optimal PID gain value was found. The proposed algorithm is compared with current metaheuristic algorithms including conventional particle swarm optimization, improved kidney algorithm, and others. Results. For performance evaluation, the characteristics of the integral of time multiplied squared error and Zwe-Lee Gaing objective functions are combined. Furthermore, the time-domain analysis, frequency-domain analysis, and robustness analysis are carried out to show the better performance of the proposed algorithm. The result shows that automatic voltage regulator tuned with the chaotic particle swarm optimization based PID yield improvement in overshoot, settling time, and function value of 14.41 %, 37.91 %, 1.73 % over recently proposed IKA, and 43.55 %, 44.5 %, 16.67 % over conventional particle swarm optimization algorithms. The improvement in transient response further improves the automatic voltage regulator system stability for electrical power systems.Вступ. В електроенергетичній системі потужність синхронних генераторів змінюється внаслідок збурень або різких змін навантаження. Ці зміни в потужності серйозно впливають на стабільність енергетичної системи та якість електроенергії. Синхронний генератор оснащений автоматичним регулятором напруги для підтримання напруги на його клемах на рівні номінальної напруги. Декілька методів управління використовуються для поліпшення реакції системи автоматичного регулятора напруги, однак пропорційний інтегральний похідний контролер (PID-контролер) є найбільш часто використовуваним контролером, але його параметри вимагають оптимізації. Новизна. У цій роботі хаотична послідовність, заснована на логістичній схемі, гібридизується за допомогою оптимізації рою частинок, щоб знайти оптимальні параметри PID для системи автоматичного регулятора напруги. Ініціалізація на основі хаотичної послідовності логістичної схеми та найкращий глобальний вибір дозволяють алгоритму вийти із локальної мінімальної стагнації та покращити швидкість збіжності, що дає найкращі оптимальні параметри. Мета. Основною метою запропонованого підходу є поліпшення перехідної реакції системи автоматичного регулятора напруги шляхом мінімізації максимального перевищення, часу встановлення, часу наростання та пікових значень напруги на клемах і усунення помилки у стаціонарного стані. Методи. У процесі настройки параметрів техніку оптимізації рою хаотичних частинок кілька разів пропускали через запропоновану гібридну цільову функцію, яка враховує переваги двох найбільш часто використовуваних цільових функцій з мінімальною кількістю ітерацій,і знайдено оптимальне значення коефіцієнту підсилення PID. Запропонований алгоритм порівнюється з сучасними метаевристичними алгоритмами, включаючи звичайну оптимізацію рою частинок, вдосконалений алгоритм нирок та інші. Результати. Для оцінки ефективності об'єднуються характеристики інтеграла у часі, помноженого на похибки у квадраті, та цільових функцій Цве-Лі Гейнга. Крім того, проводяться аналіз у часовій області, аналіз у частотної області та аналіз стійкості, щоб показати кращу ефективність запропонованого алгоритму. Результат показує, що автоматичний регулятор напруги, налаштований на хаотичну оптимізацію рою частинок, заснований на поліпшенні виходу PID в перевищеннях,часі налаштування та значенні функції перевищує на 14,41 %, 37,91 %, 1,73 % нещодавно запропонований нирковий алгоритм та на 43,55 %, 44,5 %, 16,67 % перевищує звичайні алгоритми оптимізації рою частинок. Поліпшення перехідної реакції ще більше покращує стабільність автоматичного регулятора напруги для систем електроенергетики

Chaotic-based particle swarm optimization algorithm for optimal PID tuning in automatic voltage regulator systems

Introduction. In an electrical power system, the output of the synchronous generators varies due to disturbances or sudden load changes. These variations in output severely affect power system stability and power quality. The synchronous generator is equipped with an automatic voltage regulator to maintain its terminal voltage at rated voltage. Several control techniques utilized to improve the response of the automatic voltage regulator system, however, proportional integral derivative (PID) controller is the most frequently used controller but its parameters require optimization. Novelty. In this paper, the chaotic sequence based on the logistic map is hybridized with particle swarm optimization to find the optimal parameters of the PID for the automatic voltage regulator system. The logistic map chaotic sequence-based initialization and global best selection enable the algorithm to escape from local minima stagnation and improve its convergence rate resulting in best optimal parameters. Purpose. The main objective of the proposed approach is to improve the transient response of the automatic voltage regulator system by minimizing the maximum overshoot, settling time, rise time, and peak time values of the terminal voltage, and eliminating the steady-state error. Methods. In the process of parameter tuning, the Chaotic particle swarm optimization technique was run several times through the proposed hybrid objective function, which accommodates the advantages of the two most commonly used objective functions with a minimum number of iterations, and an optimal PID gain value was found. The proposed algorithm is compared with current metaheuristic algorithms including conventional particle swarm optimization, improved kidney algorithm, and others. Results. For performance evaluation, the characteristics of the integral of time multiplied squared error and Zwe-Lee Gaing objective functions are combined. Furthermore, the time-domain analysis, frequency-domain analysis, and robustness analysis are carried out to show the better performance of the proposed algorithm. The result shows that automatic voltage regulator tuned with the chaotic particle swarm optimization based PID yield improvement in overshoot, settling time, and function value of 14.41 %, 37.91 %, 1.73 % over recently proposed IKA, and 43.55 %, 44.5 %, 16.67 % over conventional particle swarm optimization algorithms. The improvement in transient response further improves the automatic voltage regulator system stability for electrical power systems.Вступ. В електроенергетичній системі потужність синхронних генераторів змінюється внаслідок збурень або різких змін навантаження. Ці зміни в потужності серйозно впливають на стабільність енергетичної системи та якість електроенергії. Синхронний генератор оснащений автоматичним регулятором напруги для підтримання напруги на його клемах на рівні номінальної напруги. Декілька методів управління використовуються для поліпшення реакції системи автоматичного регулятора напруги, однак пропорційний інтегральний похідний контролер (PID-контролер) є найбільш часто використовуваним контролером, але його параметри вимагають оптимізації. Новизна. У цій роботі хаотична послідовність, заснована на логістичній схемі, гібридизується за допомогою оптимізації рою частинок, щоб знайти оптимальні параметри PID для системи автоматичного регулятора напруги. Ініціалізація на основі хаотичної послідовності логістичної схеми та найкращий глобальний вибір дозволяють алгоритму вийти із локальної мінімальної стагнації та покращити швидкість збіжності, що дає найкращі оптимальні параметри. Мета. Основною метою запропонованого підходу є поліпшення перехідної реакції системи автоматичного регулятора напруги шляхом мінімізації максимального перевищення, часу встановлення, часу наростання та пікових значень напруги на клемах і усунення помилки у стаціонарного стані. Методи. У процесі настройки параметрів техніку оптимізації рою хаотичних частинок кілька разів пропускали через запропоновану гібридну цільову функцію, яка враховує переваги двох найбільш часто використовуваних цільових функцій з мінімальною кількістю ітерацій,і знайдено оптимальне значення коефіцієнту підсилення PID. Запропонований алгоритм порівнюється з сучасними метаевристичними алгоритмами, включаючи звичайну оптимізацію рою частинок, вдосконалений алгоритм нирок та інші. Результати. Для оцінки ефективності об'єднуються характеристики інтеграла у часі, помноженого на похибки у квадраті, та цільових функцій Цве-Лі Гейнга. Крім того, проводяться аналіз у часовій області, аналіз у частотної області та аналіз стійкості, щоб показати кращу ефективність запропонованого алгоритму. Результат показує, що автоматичний регулятор напруги, налаштований на хаотичну оптимізацію рою частинок, заснований на поліпшенні виходу PID в перевищеннях,часі налаштування та значенні функції перевищує на 14,41 %, 37,91 %, 1,73 % нещодавно запропонований нирковий алгоритм та на 43,55 %, 44,5 %, 16,67 % перевищує звичайні алгоритми оптимізації рою частинок. Поліпшення перехідної реакції ще більше покращує стабільність автоматичного регулятора напруги для систем електроенергетики