Contribution to the power control of a doubly fed induction generator by model based predictive controllers

Orientador: Edson BimTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: As fontes renováveis são uma alternativa aos combustíveis fósseis e, dentre as fontes alternativas, a energia eólica é aquela que apresenta a maior participação na matriz energética global, devido, principalmente, ao seu baixo custo e disponibilidade. Nos aproveitamentos eólicos, o gerador duplamente alimentado (DFIG) tem sido a tecnologia predominante, pois permite com que o conversor de potência seja dimensionado para uma fração da potência nominal do gerador, reduzindo, desta forma, os custos de sua implantação. Técnicas avançadas de controle aliadas aos modernos conversores de potência têm possibilitado efetuar o controle preciso e eficiente das potências ativa e reativa do DFIG, sendo que os MPC's destacam-se pela sua simplicidade e alto desempenho dinâmico. No entanto, a alta carga computacional dos algoritmos MPC's, o elevado conteúdo harmônico e sua sensitividade às variações paramétricas do processo são as principais desvantagens que limitam a aplicação dos MPC's no controle das potências do DFIG. Além disso, os operadores de rede impõe condições rígidas de operação dos sistemas de conversão de energia eólica conectados à rede elétrica, tais como, qualidade da energia e operação com afundamentos de tensão, o que aumenta os desafios para o uso dos MPC's nos sistemas de conversão de energia eólica. Buscando mitigar os problemas dos MPC's e atender os requisitos dos operadores de rede, no que diz respeito à qualidade de energia e operação do sistema diante de afundamentos de tensão, este trabalho propõe duas abordagens não lineares de controladores preditivos baseados em modelo com foco no controle das potências de estator do DFIG, sendo que uma baseia-se na abordagem conhecida por controle preditivo com conjunto de controle finito (FCS-MPC) e a outra, na abordagem de controle preditivo com conjunto de controle contínuo (CCS-MPC). No que diz respeito ao controlador FCS-MPC, este trabalho propõe uma estratégia de mitigação dos harmônicos de corrente a fim de melhorar a qualidade da energia elétrica gerada pelo DFIG. Com relação ao CCS-MPC, este trabalho propõe uma variante não linear e multivariável (CCS-NMPC) que não utiliza a estrutura em cascata, sendo o processo de otimização executado offline. Como resultado, o projeto do controlador é simplificado e a complexidade computacional é reduzida. Tratando-se da regulação da tensão do elo CC do conversor back-to-back, este trabalho propõe uma estrutura de controle que combina um controlador por modos deslizantes de ganho variável com um FCS-MPC. Dessa forma, espera-se respostas transientes rápidas e baixa distorção harmônica de corrente. O comportamento do sistema é analisado em ambiente computacional e inúmeros testes experimentais são realizado em condições normais de operação e na presença de distúrbios externos com o objetivo de validar as propostas desse trabalhoAbstract: Renewable sources are an alternative to fossil fuels and, among alternative sources, wind energy has the largest share in the global energy matrix, mainly due to its low cost and availability. In wind farms, the doubly fed induction generator (DFIG) has been the predominant technology, as it allows to scale the power converter to a fraction of the generator's nominal power, thus reducing the costs of its implementation. Advanced control techniques combined with modern power converters have made possible the precise and efficient control of DFIG's active and reactive powers, and the MPCs stand out for their simplicity and high dynamic performance. However, the high computational load of the MPC algorithms, the high harmonic content and their sensitivity to the parametric variations of the process are the main disadvantages that limit the application of MPCs in the control of the DFIG powers. In addition, network operators impose strict operating conditions for wind energy conversion systems connected to the power grid, such as power quality and operation with voltage drops, which increases the challenges for the use of MPCs in wind energy conversion systems. In order to mitigate the problems of MPC's and meet the requirements of network operators, with regard to power quality and system operation in the face of voltage dips, this work proposes two non-linear approaches of predictive controllers based on a model focused on control the DFIG stator powers, one based on the approach known as predictive control with finite control set (FCS-MPC) and the other on the predictive control approach with continuous control set (CCS-MPC). With regard to the FCS-MPC controller, this work proposes a strategy to mitigate current harmonics in order to improve the quality of the electrical energy generated by DFIG. About the CCS-MPC, this work proposes a non-linear and multivariable approach (CCS-NMPC) that does not use the cascade structure, simplifying its design and the tuning of the gains. Another advantage of CCS-NMPC is that the optimization process is performed offline, thus reducing its computational load. Regarding the voltage regulation of the DC link of the "back-to-back" converter, this work proposes a control structure that combines a variable gain sliding mode controller with an FCS-MPC. Thus, rapid transient responses and low current harmonic distortion are expected. The system's behavior is analyzed in a computational environment and numerous experimental tests are performed under normal operating conditions and in the presence of external disturbances to validate the proposals of this workDoutoradoEnergia EletricaDoutor em Engenharia Elétrica2017/14068-7FAPES