Sistema de conversão de energia eólica baseado no gerador de indução duplamente alimentado: análise e contribuição ao controle da máquina

The humanity reached a time of unprecedented technological development. Science has achieved and continues to achieve technologies that allowed increasingly to understand the universe and the laws which govern it, and also try to coexist without destroying the planet we live on. One of the main challenges of the XXI century is to seek and increase new sources of clean energy, renewable and able to sustain our growth and lifestyle. It is the duty of every researcher engage and contribute in this race of energy. In this context, wind power presents itself as one of the great promises for the future of electricity generation . Despite being a bit older than other sources of renewable energy, wind power still presents a wide field for improvement. The development of new techniques for control of the generator along with the development of research laboratories specializing in wind generation are one of the key points to improve the performance, efficiency and reliability of the system. Appropriate control of back-to-back converter scheme allows wind turbines based on the doubly-fed induction generator to operate in the variable-speed mode, whose benefits include maximum power extraction, reactive power injection and mechanical stress reduction. The generator-side converter provides control of active and reactive power injected into the grid, whereas the grid-side converter provides control of the DC link voltage and bi-directional power flow. The conventional control structure uses PI controllers with feed-forward compensation of cross-coupling dq terms. This control technique is sensitive to model uncertainties and the compensation of dynamic dq terms results on a competing control strategy. Therefore, to overcome these problems, it is proposed in this thesis a robust internal model based state-feedback control structure in order to eliminate the cross-coupling terms and thereby improve the generator drive as well as its dynamic behavior during sudden changes in wind speed. It is compared the conventional control approach with the proposed control technique for DFIG wind turbine control under both steady and gust wind conditions. Moreover, it is also proposed in this thesis an wind turbine emulator, which was developed to recreate in laboratory a realistic condition and to submit the generator to several wind speed conditions.

A humanidade encontra-se numa época de desenvolvimento tecnológico sem precedentes.A ciência alcançou e continua alcançando conquistas que permitem compreender cada vez mais o universo e as leis que o regem e, também, tentar coexistir sem destruir o planeta em que vivemos. Um dos principais desafios do século XXI é buscar e incrementar a gama de fontes de energias limpas, renováveis e capazes de sustentar nosso crescimento e estilo de vida. É dever de cada pesquisador dedicar-se e contribuir nesta corrida energética. Neste contexto, a energia eólica se apresenta como uma das grandes promessas para o futuro da geração elétrica. Apesar de ser um pouco mais antiga que outras fontes de energia renovável, a geração eólica ainda apresenta um vasto campo para melhoramento. O desenvolvimento de novas técnicas de controle do gerador juntamente com o desenvolvimento de laboratórios de pesquisa especializados em geração eólica formam um dos pontos chave para aumentar o rendimento, a eficiência e a confiabilidade do sistema. O controle apropriado do esquema de conversores back-to-back permite que as turbinas eólicas baseadas no gerador de indução duplamente alimentado (DFIG) operem no modo de velocidade variável, cujos benefícios incluem máxima extração de potência, injeção de potência reativa e redução de estresse mecânico. O conversor do lado do rotor fornece controle de potência ativa e reativa injetada na rede, enquanto que o conversor do lado da rede fornece o controle da tensão no link CC e fluxo de potência bi-direcional. A estrutura de controle convencional utiliza controladores PI com compensação feed-forward dos termos de acoplamento cruzado. Como desvantagens, esta técnica de controle apresenta sensibilidade a incertezas do modelo e, também, a compensação de termos dinâmicos acoplados resulta em uma estratégia de controle concorrente. Por isso, para superar estes problemas e eliminar os termos de acoplamento cruzado, é utilizado uma estrutura de controle robusta com realimentação de estados baseada no princípio do modelo interno,visando melhorar o acionamento do gerador bem como o seu comportamento dinâmico durante variações abruptas na velocidade do vento. O desempenho da técnica de controle proposta para o controle do gerador DFIG será comparado ao da abordagem de controle convencional sob condições de vento estáveis e rajadas. Um emulador de turbina eólica foi desenvolvido para recriar em laboratório uma condição realista e submeter o gerador a várias condições de velocidade do vento.