Değişken hızlı rüzgar türbinlerinde kullanıma yönelik dayanıklı çift beslemeli asenkron generatör kontrol yöntemi tasarımı ve uygulaması
Design and application of a robust doubly fed induction generator controller for variable speed wind turbines
Yazar: EŞREF EMRE ÖZSOY
Danışman: PROF. DR. METİN GÖKAŞAN ; PROF. DR. ASIF SABANOVIC
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Asenkron makineler = Induction machinery ; Gözlemleyici = Observer ; Rüzgar enerjisi = Wind energy

Özet:
Dünyada ve ülkemizde en hızlı büyüyen yenilenebilir enerji kaynağı olarak gösterilen rüzgar enerjisi, özellikle artan enerji ihtiyacının karşılanması için iyi bir alternatif olarak görülmektedir. Rüzgar enerjisi dönüşüm sistemleri (REDS) sabit ve değişken hızlı olmak üzere iki ana grupta incelenebilir. Değişken hızlı REDS enerjinin maksimizasyonu ve moment salınımlarının minimize edilebilmesi gibi nedenlerle hızla yaygınlaşmaktadır. 
Çift beslemeli asenkron generatör (DFIG), statorun doğrudan şebekeye bağlanması ve nominal stator gücünün yaklaşık %25'i oranında seçilebilen rotor devresindeki güç elektroniği devresi nedeniyle, değişken hızlı REDS'de kullanılan  diğer generatör topolojilerine göre yüksek verim ve düşük kurulum maliyetine sahiptir. Ayrıca, DFIG'in stator aktif (Ps) ve reaktif (Qs) gücü, rotor devresi üzerinden  dört bölgede kontrol edilebilir. DFIG  bu sebeple REDS'de en çok kullanılan generatör tipi olarak öne çıkmaktadır. 
Geleneksel yaklaşımda, DFIG kontrolüne yönelik çalışmalar arka arkaya bağlanmış iki evirici devresinin problemlerini ayrı ayrı inceleyen iki  ana grupta toplanmıştır. Rotor taraf eviricisi (RSC) ve şebeke taraf eviricisi (GSC) olarak adlandırılabilecek temelde birbirine benzer iki kontrol sistemi birlikte çalışarak DFIG'in sınırlı kayma aralığında dört bölge Ps ve Qs'i kontrol eder. RSC'de rotor devresi üzerinde DFIG'in stator güç akışı kontrol edilirken, GSC'de ise DFIG rotor devresinde kayma aralığına göre değişen enerji akış yönünden bağımsız olarak DC bara kontrolü gerçeklenir. 
RSC'ye yönelik en yaygın çalışmalar doğrudan vektör kontrol (DVK) tabanlı yöntemler olup rotor akımlarının dq eksen takımına ayrıştırılması temellidir. Ayrıştırılmış rotor akımları,  oransal-integral (PI) kontrolör ile kontrol edilerek Ps ve Qs'i ayrı ayrı değiştirirler. Bu yaklaşım DFIG kontrolü için en yaygın yöntemdir. DFIG, yüksek dereceden doğrusal olmayan dinamiklerinin yanında elektriksel parametreleri zamanla değişen bir yapıya sahip olup, bu değişim kontrol sistemi tasarımını güçleştirmektedir. Ayrıca, stator akı hesabındaki ilave band geçiren filtre tasarımı gereksinimleri ve şebeke problemlerine karşı dayanıksızlık, özellikle son yıllarda enerji üretim oranındaki payını arttıran değişken hızlı REDS'de DVK tabanlı yöntemlerin pratik kullanımını güçleştirmektedir. RSC'nin kontrolüne yönelik daha dayanıklı yapılar sunan doğrudan güç kontrolü (DGK) ve kayma kipli kontrol (KKK) yöntemleri ise karmaşıklık ve pratik kullanım güçlükleri nedeniyle günümüz REDS teknolojilerinde yaygınlaşmamışlardır.
GSC'ye yönelik çalışmalarda da DVK yapıları yaygın olarak kullanılmaktadır. Şebeke gerilimi senkron hızlı döner düzlemde uygun bir eksene sabitlenerek şebeke akımları DC barayı kontrol eden aktif bileşen ile reaktif güç bileşenlerine ayrıştırılır. GSC'ye yönelik DVK tabanlı bu yöntem ile dayanıklı bir kontrol yapısının gerçeklenebilmesi için RSC'de olduğu gibi şebeke parametrelerinin bilinmesi gerekmektedir. 
Şebeke geriliminin açı bilgisinin en doğru şekilde belirlenmesi RSC ve GSC'de oluşturulan kontrol yapılarının dayanıklılık ve güvenilirliği açısından oldukça önemlidir. Gerilim açısını belirlemede en çok kullanılan yöntem olan phase lock loop (PLL) yöntemi, sıfır geçiş izleme ve arctanjant fonksiyonu gibi diğer yöntemlere göre şebeke problemlerine karşı daha dayanıklı bir yapıya sahiptir. 
Bu çalışmanın temel katkısı, REDS'de kullanılan DFIG'in kontrolüne yönelik RSC ve GSC'de elektriksel belirsizlikleri hesaba katan dayanıklı yeni bir gözlemleyici algoritması geliştirmektir. RSC ve GSC'ye yönelik kontrol sistemleri birlikte düşünüldüğünde her iki sistem de fiziksel parametre değişimlerine ve şebekede yaşanabilecek problemlere karşı duyarlıdır. Bu çalışmada, sorunun çözümü için DVK tabanlı bir kontrol yaklaşımı ile RSC ve GSC'ye yönelik aynı temel yaklaşımda parametre değişimlerine karşı dayanıklı bir kontrol yapısı önerilmiştir. 
Bu amaçla RSC'ye yönelik DFIG eşdeğer devresi ile birlikte, GSC'ye yönelik de şebeke eşdeğer devreleri oluşturularak dinamik denklemler yazılmıştır. Bu eşdeğer devrelerde fiziksel değişimlerden etkilenen bozucu terimler ile ölçülebilen terimler ayrıştırılarak, bozucu bileşenler birinci dereceden alçak geçiren filtre tabanlı bozucu gözlemleyicisi yardımıyla kestirilmiştir. Kestirilen bozucu terimler ileri yol (feedforward) terimi olarak kullanılmış ve bu terimle birlikte ayrıştırılmış rotor akımları hata işaretini gidermek için oransal kontrolörün yeterli olduğu gösterilmiştir. 
Oluşturulan kontrol sistemlerinde stator direncinin değişiminden etkilenen stator akısı açı hesabı yerine, stator gerilimi açı bilgisinden yararlanılarak stator geriliminden oryantasyonlu bir yapı oluşturulmuştur. Böylece,  stator akısı açı hesabında yaşanan pratik güçlüklerin önüne geçilmiştir.
Yapılan simülasyon çalışmalarında Milli Rüzgar Enerjisi Sistemleri (MİLRES) projesinde tasarlanan DFIG parametreleri kullanılarak kontrol sistemi oluşturulmuştur. Simülasyon ortamında, oluşturulan birinci dereceden alçak geçiren filtre tabanlı bozucu gözlemleyicisinin, DFIG dinamik denklemleri yardımıyla oluşturulan ve fiziksel değişimlerden etkilenen bozucu terimleri doğru bir şekilde kestirdiği gösterilmiştir. Ayrıca simülasyon ortamında kritik bir bilgi olan gerilim açı bilgisine yönelik temel PLL algoritması oluşturulmuştur.
Bu çalışmanın en önemli katkısı, oluşturulan kontrol sisteminin fiziksel değişimlere karşı dayanıklılığının gösterilmesinin yanında, yöntemin basit ve gerçek sistemlere uygulanabilirliğinin gösterilmesi olmuştur. Laboratuar ortamında oluşturulan deney setinde rüzgarı temsil eden sincap kafesli asenkron makina (SKAM) ticari bir sürücü ile tahrik edilerek DFIG'i istenen hızda çevirmiştir. Oluşturulan ölçüm ve güç devreleri yardımıyla RSC ve GSC'ye yönelik algoritmalar dSPACE ds1103 kontrolör ortamında gerçeklenmiştir. Yapılan deneylerde gerilim açı bilgisi ölçülen gerilimlerden yararlanılarak geleneksel PLL yapısı ile elde edilmiştir. Deney çalışmaları RSC ve GSC olarak iki ana grupta incelenebilir: 
RSC'ye yönelik çalışmalarda Ps ve Qs ayrıştırılmış rotor akım kontrolörleri ile geniş çalışma aralığında ayrı ayrı başarı ile kontrol edilmiştir. Bunun yanında, literatürde bir çok çalışmadaki kontrol sistemlerinde DFIG'in şebekeye yumuşak bağlantısı dikkate alınmamıştır. DFIG şebekeye bağlanmadan önce stator ve şebeke gerilimlerinin büyüklük ve faz olarak eşit olması yumuşak bağlantı için oldukça önemlidir. Bu çalışmanın diğer bir katkısı da oluşturulan senkronizasyon algoritması ile DFIG'in şebekeye yumuşak bağlantısının gerçekleştirilmesidir.
GSC'ye yönelik çalışmalarda DC bara kontrolü gerçekleştirilmiş ve yüksek güçlü Ps adım testlerinde başarılı sonuçlar alınmıştır. DFIG senkron üzeri hıza çıkarılarak GSC'den de şebekeye enerji aktarımı gerçekleştirilmiştir.
Bu tez çalışması aşağıdaki gibi düzenlenmiştir: 
Birinci bölümde literatür özetinden sonra, ikinci bölümde REDS'de kullanılan kontrol sistemleri kısaca özetlenmiştir. Üçüncü bölümde senkron hızlı döner düzleme geçiş için gerekli dönüşüm matrisleri ile birlikte, DFIG'in eşdeğer devresinden hareketle dinamik denklemleri verilmiştir. Dördüncü bölümde RSC ve GSC'ye yönelik bugüne kadar yapılmış önemli kontrol yapıları detaylandırılmıştır. Beşinci bölümde RSC ve GSC'ye yönelik birinci dereceden alçak geçiren filtre tabanlı bozucu gözlemleyicisi yardımıyla oluşturulan kontrol sistemi geliştirilmiştir. Altıncı bölümde ise geliştirilen kontrol sistemi simülasyon ve deney ortamında gerçeklenerek sonuçlar verilmiştir. Yedinci bölümde de sonuçlar ve gelecek yönlendirmeler sıralanmıştır.

Abstract:
Wind energy which is shown to be the fastest growing renewable energy source in the world and in our country is considered as an acceptable alternative to provide highly increasing energy demand. Wind energy conversion systems (WECS) are examined in two groups, namely fixed and variable speed turbines. Variable speed WECS are growing fast due to their energy maximization and torque ripple minimization capabilities.
Doubly fed induction generators (DFIG) have high efficiency compared to other generator topologies used in variable speed WECS due to direct connection of stator circuit to the grid, and 25% of nominal stator power ratings of rotor side power electronic circuit. Additionally, stator active (Ps) and reactive (Qs) power can be controlled in four-quadrant operation from the rotor circuit. These properties make DFIG the most commonly used generator type in variable speed WECS.
In the conventional approach, studies for controlling DFIG are subdivided into two categories which seperately investigate the problems of  back-to-back inverter structure. These two very similar structures are named as rotor side control (RSC) and grid side control (GSC). They operate together and  achieve four quadrant operation of stator active and reactive power in a limited slip range. While stator power flow is managed by RSC, GSC achieves DC link voltage control regardless of the direction of rotor power flow which varies according to generator slip direction. 
The most common studies for RSC are direct vector control (DVC) strategies which decouple the rotor currents into dq coordinates. Decoupled rotor currents are controlled by proportional-integral (PI) controllers by separately controlling stator active and reactive powers. This techniqe is the most common way of DFIG control. In addition to high order nonlinear dynamics, DFIG has a parameter varying structure which complicates the control system design. Besides, the necassity of additional band-pass filter design for stator flux culculation and weakness against grid voltage problems complicates the usage of DVC in electrical networks recent years. 
Direct power control (DPC)  technique which has a vey fast dynamic response and robustness against parameter variations suffers from varying switching frequency, unavoidable high frequency torque oscillations, and complexity for real time applications. Sliding mode control (SMC) which is very popular for nonlinear applications could not be widely used due to chattering phenomena, complexity and practical constraints.
DVC techniques are also very popularly used in GSC strategies. Grid voltage is fixed in one of a synchronously rotating frame axis, and grid currents are decoupled into active power control component which controls the DC link voltage and reactive power components. Grid parameters must also be known in order to design a robust DVC based control structure for GSC, as mentioned in RSC. PI-R controllers are also very popular for GSC that it reduces the current oscilations in the grid. However, this methodology suffers from the weakness against parameter variations.
Determination of voltage angle information is very crucial for the robustness of the control structures designed in both RSC and GSC. Different techniques are encountered for the voltage angle detection. Thus, phase lock loop (PLL) techniques which is the most popular technique to define voltage angle is found to be more robust against voltage problems compared to other voltage angle detection techniques, such as zero crossing detection, and arctangent function. 
The main contribution of this study is to design a novel robust observer design for DFIG used in variable speed WECS, which considers the electrical parameter uncertainites for both RSC and GSC. If control systems for both GSC and RSC are considered together, both systems are fragile to physical parameter variations and grid voltage problems. In this study, a DVC based  robust controller against parameter variations for RSC and GSC is proposed which uses the same basic structure. 
For the determination of the problem, DFIG and grid equivalent circuits are constructed and dynamic equations are established for RSC and GSC, respectively. Disturbance terms which are affected by physical variations and measurable terms are decoupled and estimated by a first order low pass filter disturbance observer. These estimated disturbance terms are used as feedforward control signal, and it is shown that a proportional controller is sufficient to remove decoupled rotor current error.
A stator voltage oriented DVC structure is established in the proposed controllers, instead of stator flux angle calculation which is affected by stator resistance variations, by using measured stator voltage angle information. Therefore, practical complications experienced in stator flux angle calculation are avoided.
Simulation of proposed control system is constructed in Matlab/simulink platform by using the parameters of DFIG designed in National Wind Energy Systems (MILRES) project. Speed and torque step response tests are applied in one single simulation at different time instants. It is obviously shown in simulations that constructed first order low pass filter disturbance observer accurately estimates  disturbance terms which is obtained by DFIG dynamic equations, while succesfully following the reference speed and torque. Additionally, a basic PLL algorithm is constructed in the simulation platform in order to obtain voltage angle information which is very critical for the performance of the controllers
The most important contribution of this study is not only demonstrating the robustness of the proposed control system against parameter variations,  but also showing that the proposed control methodology is simple and applicable to real applications. Thus, DFIG is driven by a squirrel cage induction machine (SCIM) representing the wind in the constructed labaratory setup. The speed of the overall system is changed by the commercial inverter which is connected to SCIM. Proposed control algorithms regarding GSC and RSC are realized in dSPACE ds1103 controller platform with the help of constructed measurement and power circuits. The conventional PLL structure is established in the experiments to accurately detect measured voltage angle. 
Experimental studies could be invesigated as RSC and GSC in two groups; 
It is shown that decoupled rotor current controllers change the Ps and Qs respectively, in RSC experiments. Therefore, Ps and Qs are seperately controlled succesfully in a wide operating range by decoupled rotor currents in RSC experiments.  In addition, majority of the contribuitons in the literature focus on the operation that DFIG is already connected to the grid. Stator and grid voltages must be collinear before DFIG is connected to the grid, which means equal in phase and amplitude to avoid unwanted inrush currents. Another important contribution of this scheme is the realization of smooth connection synchronization algortihm in the experiments.
DC voltage control is achieved in GSC experiments, and successful results are obtained by appliying high power Ps step response tests. Speed of DFIG is changed from subsynchronous to supersynchronous speed, and four quadrant operation of GSC is demonstrated, while also achieving DC link voltage control. 
This study is organized as follows;
After the literature summary in the first chapter, control systems in variable speed WECS is briefly introduced in chapter 2. In chapter 3, transformation matrices for synchronously rotating frames, and DFIG dynamic equations in dq coordinates is given. In chapter 4, important reported control schemes regarding RSC and GSC are detailed. In chapter 5, proposed first order low pass filter disturbance observer design is developed for RSC and GSC. In chapter 6, proposed control methodology is demonstrated in simulation and experimental platform. Finally, conclusions and future directions are given in chapter 7.