Power converter optimal control for wind energy conversion systems
Authors:   , Trilla Romero Lluís 
Published: July 2023

L'energia eòlica ha incrementat la seva presència a molts països i s'espera que tingui encara un pes més gran en la generació elèctrica amb la implantació de la tecnologia eòlica marina. En aquest context el desenvolupament de models dels Sistemes de Generació per Turbina de Vent (SGTV) precisos és important pels operadors de xarxa per tal d'avaluar-ne el comportament. Els codis de xarxa ofereixen un seguit de normes per validar models amb dades obtingudes de proves de camp. A la primera part d'aquesta tesi un model de SGTV amb màquina d'inducció doblement alimentada (DFIG) és validat d'acord amb les normatives espanyola i alemanya. Avui dia molts parc eòlics utilitzen DFIG i, en conseqüència, les dades de camp disponibles son per aquesta tecnologia. Per a la indústria eòlica marina un avanç prometedor son els SGTV amb generadors síncrons d'imants permanents (PMSG). Per aquesta raó la segona part d'aquesta tesi es centra en SGTV basats en PMSG amb convertidor back-to-back de plena potència. Aquest convertidor es pot dividir en dues parts: el costat de xarxa (GSC) que interactua amb la xarxa elèctrica i el costat de màquina (MSC) que controla el generador.
En general, el sistema de control del convertidor recau en els tradicionals controladors PI i, en ocasions, incorpora desacoblaments per reduir les influencies creuades entre les variables. Aquest controlador pot ser sintonitzat i implementat fàcilment donat que la seva estructura és simple, però, no presenta una resposta ideal donat que no aprofita tots els graus de llibertat disponibles en el sistema. És important desenvolupar controladors fiables que puguin oferir una resposta previsible del sistema i proveir robustesa i estabilitat. En especial per zones on la presència eòlica és gran i per parcs eòlics connectats a xarxes dèbils.
En aquest treball es proposa un sistema de control pel convertidor basat en teoria de control H-infinit i en controladors Lineals amb Paràmetres Variants (LPV). La teoria de control òptim proveeix un marc de treball on més opcions es poden tenir en consideració a l'hora de dissenyar el controlador. En concret la teoria de control H-inifinit permet crear controladors multivariables per tal d'obtenir una òptima resposta del sistema, proveir certa robustesa i assegurar l'estabilitat. Amb aquesta tècnica durant la síntesi del controlador el pitjor cas de senyals de pertorbació és contemplat, d'aquesta manera el controlador resultant robustifica l'operació del sistema. Es proposa aquest control per al GSC posant especial èmfasi en obtenir un control de baixa complexitat que mantingui els beneficis d'aplicar la teoria de control òptim i faciliti la seva implementació en computadors industrials. Pel MSC es proposa una estratègia diferent basada en control LPV donat que el punt d'operació del generador canvia constantment. El sistema de control basat en LPV és capaç d'adaptar-se dinàmicament al punt d'operació del sistema, així s'obté en tot moment la resposta definida durant el procés de disseny. Amb aquesta tècnica l'estabilitat del sistema sobre tot el rang d'operació queda garantida i, a més, s'obté una resposta predictible i uniforme. El controlador està dissenyat per tenir una estructura simple, com a resultat s'obté un control que no és computacionalment exigent i es proveeix una solució que pot ser utilitzada amb equips industrials.
S'utilitza una bancada de proves que inclou el PMSG i el convertidor back-to-back per tal d'avaluar experimentalment l'estratègia de control dissenyada al llarg d'aquest treball. L'enfoc orientat a la implementació dels controls proposats facilita el seu ús amb el processador de senyals digitals inclòs a la placa de control de la bancada. Els experiments realitzats verifiquen en un ambient realista els beneficis teòrics i els resultats de simulació obtinguts prèviament. Aquestes proves han ajudat a valorar el funcionament dels controls en un sistema discret i la seva tolerància al soroll de senyals i mesures
Wind energy has increased its presence in many countries and it is expected to have even a higher weight in the electrical generation share with the implantation of offshore wind farms. Consequently, the wind energy industry has to take greater responsibility towards the integration and stability of the power grid. In this sense, there are proposed in the present work control systems that aim to improve the response and robustness of the wind energy conversion systems without increasing their complexity in order to facilitate their applicability. In the grid-side converter it is proposed to implement an optimal controller with its design based on H-infinity control theory in order to ensure the stability, obtain an optimal response of the system and also provide robustness. In the machine-side converter the use of a Linear Parameter-Varying controller is selected, this choice provides a controller that dynamically adapts itself to the operating point of the system, in this way the response obtained is always the desired one, the one defined during the design process. Preliminary analysis of the controllers are performed using models validated with field test data obtained from operational wind turbines, the validation process followed the set of rules included in the official regulations of the electric sector or grid codes. In the last stage an experimental test bench has been developed in order to test and evaluate the proposed controllers and verify its correct performance.