PhD report
Topic : Electrical engineering

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17 Juin 2010
June 17th, 2010

ECOLE CENTRALE DE LILLE
France


Ling PENG

Research on Graphical Modeling and
Low Voltage Ride-Through Control Strategies of Doubly Fed Induction Wind Generator System


Reconfiguration du dispositif de commande
d’une éolienne en cas de creux de tension



Président :
Jianyun CHAI, Professeur, Tsinghua University

Rapporteurs :
Maurice FADEL, Professeur à l’ENSEEIHT / INP Toulouse, LAPLACE
Dianguo XU, Professeur, Harbin Institute of Technology

Examinateurs :

George BARAKAT, Professeur, Université du Havre, GREAH
Jianyun CHAI, Professeur, Tsinghua University
Lipei HUANG, Professeur, Tsinghua University

Invité :
Jean DOREY, Directeur de l'Ecole Centrale de Pékin

Directeurs de thèse :
Bruno FRANCOIS, Maître de Conférences (HDR) Ecole Centrale de Lille, L2EP
Yongdong LI, Professeur, Tsinghua University


Questions au candidat



le jury et le nouveau docteur

Abstract:
With the massive development of wind energy, the technical requirements for connecting this technology will require the improvement of the fault ride-through capability of grid-connected wind turbines. The task for the grid system operator is to use all generators to ensure the stability of the electrical system.
From a dynamic model of a Doubly Fed Induction Generator (DFIG) based wind generator, an improved vector control has been proposed by taking into account the dynamics of the magnetic flux, which are generated by the voltage dip. The higher performances have been established by comparison with the conventional control method. The operation domain was also determined.
During serious voltage dips, a hysteresis control scheme of the active Crowbar is proposed to protect the system within a demagnetization method of the DFIG. Moreover, additional reactive power can be produced both by the MADA and the grid-side converter in order to support the electric network during the grid fault.
A space vector hysteresis current control strategy of both three-level converters is proposed to improve the dynamic response of the system and to reduce the parameter variation effects on the control performance
Depending on the grid fault duration, different control objectives have to be achieved with priority to restrain the rotor over-current or to supply reactive power. Then the reconfiguration scheme of the control strategies of high power DFIG wind turbine system is proposed to enhance the fault ride-through capability of the DFIG system. With this specific methodology, the DFIG can stay connected and can supply maximal reactive current during voltage dips to help voltage recovery.

Keywords:
Doubly fed induction generator, Graphical modeling, Vector control, Low voltage ride-through, Grid support capability, Control reconfiguration, Wind generator, Voltage dip

Résumé:
Avec le développement massif de l’éolien, les prescriptions techniques de raccordement de cette technologie obligeront le maintient de sa connexion lors d’incidents sur la tension du réseau électrique. L’enjeu pour le gestionnaire du réseau est de pouvoir utiliser tous les générateurs pour garantir la stabilité du système électrique.
A partir d’un modèle dynamique d’une éolienne à base de Machine Asynchrone à Double Alimentation (MADA), une commande vectorielle améliorée a été proposée en prenant en compte la dynamique du flux statorique engendrée par la chute de tension. Les performances supérieures en terme de maintient de la production ont été établies par comparaison avec la méthode de commande classique. Son domaine d’utilisation a été également déterminé.
Pendant les creux de tension importants, une protection matérielle (crowbar) est implémentée avec un contrôle de la démagnétisation de la MADA. En outre, de la puissance réactive peut être produite à la fois par la MADA et par le convertisseur connecté au réseau électrique au cours de la défaillance du réseau.
Un contrôle vectoriel à hystérésis des courants pour les deux convertisseurs électroniques multiniveaux est proposé et évalué pour améliorer la réponse dynamique de ces convertisseurs et pour réduire les effets des variations des paramètres sur les performances de la commande.
Selon la durée du défaut, des objectifs différents de contrôle doivent être réalisés en priorité pour empêcher des surintensités rotoriques et pour fournir de la puissance réactive. Une reconfiguration complète du dispositif de commande de cette éolienne est détaillée pour renforcer le maintient de la production éolienne lors de défaillances.

Mots-clés:
Machine Asynchrone à Double Alimentation, Modélisation graphique, Commande vectorielle, Insensibilité aux creux de tension, Contrôle vectoriel à hystérésis de courant, Reconfiguration de la commande, Eolienne, Creux de tension


la machine utilisée

Contents :

Introduction

Chapter I Modelling and control of DFIG based wind generator
Modélisation et contrôle d’une MADA utilisée pour la production éolienne

Chapter II Modified Vectrol control strategy of the DFIG agianst grid voltage dips
Stratégie de contrôle vectoriel modifié de la MADA en cas de creux de tension

Chapter III Performances during voltage dips with an active crowbar
Performances pendant un creux de tension avec circuit actif de limitation de tension

Chapter IV Reconfiguration of the control strategy for a DFIG fed with a multilevel converter
Reconfiguration de la stratégie de commande pour une MADA Alimentée par convertisseur multiniveau

Conclusion

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Photo souvenir: Ling et Bruno



Publications

International conferences

[C1] L. PENG, B. FRANCOIS, Y. LI,"Improved Crowbar Control Strategy for DFIG Based Wind Turbines to Ride-through Grid Faults", 12th International Conference on Electrical Machines, Drives and Power Systems : APEC 2009, March 2009, Washington, USA, CD-ROM

[C2] L. PENG, F. COLAS, B. FRANCOIS, Y. D. LI, "A Modified Vector Control Strategy for DFIG Based Wind Turbines to Ride-Through Voltage Dips", 13th European Conference on Power Electronics and Applications: EPE’2009, Barcelona, Spain, september 2009, CD-ROM

[C3] L. PENG, Y. LI, B. FRANCOIS, "Reconfiguration of control strategies for high power DFIG wind turbine system to meet grid code requirements", The Eighth International Conference on Power Electronics and Drive Systems : PEDS 2009 November 2-5, 2009, Taipei, Taiwan, R.O.C

[C4] L. PENG, B. FRANCOIS, Y LI, "Low voltage ride-through of high power DFIG wind turbine using three-level NPC converters", 35th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society: IECON 2009, Porto, Portugal, 03-05 November 2009, CD-ROM

[C5] L. PENG, Y LI, B. FRANCOIS, "Dynamic behavior of doubly fed induction generator wind turbines under three-phase voltage dips", IEEE 6th International on Power Electronics and Motion Control Conference 2009: IPEMC '09, 17-20 May 2009, pp. 620 - 626, Wuhan, China

[C6] L. PENG, Y.D. LI, B. FRANCOIS "Modeling and Control of Doubly Fed Induction Generator Wind Turbines by Using Causal Ordering Graph during Voltage Dips", International Conference on Electrical Machines and Systems : ICEMS’ 08, Wuhan, China , 17th -20 th October 2008, CD-ROM


Bruno and Maurice are visiting the lab at Tsinghua with Yongdong