Doubly-fed induction generator wind turbine system

Abstract

The production of electrical energy resorting to fossil fuels contributes to the increase in the emissions of greenhouse gases, more specifically CO2, for the atmosphere. In the last decades, there have been increasing environmental concerns regarding the current status of the electrical energy production, which has increased the investment in the renewable energies, in hopes for a more sustainable energy, without the emission of greenhouse gases. One of these renewable energies, is wind energy, which has enormous potential in Portugal, and that has been getting a bigger active role in the world. The concept of wind energy production with a variable speed generator has gotten a lot of attention due to the fact that the control methods used need to be improved and more efficient. As such, this project is focused on the development of a control system for a doubly-fed induction generator (DFIG), so that it is possible to extract the maximum power possible. To make this possible, it is used a back-to-back converter composed of two converters, a AC-DC converter (Alternating Current – Direct Current), called rectifier, and a DC-AC converter (Direct Current – Alternating Current), called inverter, and a DC-link capacitor connected in between them. These converters are controlled by means of a control circuit, and are inserted in a wind turbine generator system (WTGS). The system is tested in computer simulation environment to prove the concept. To develop this project, it is necessary a study of each component of the WTGS, specially the DFIG and its mathematical model, to make possible the development of the control system as well as all of the interface circuits.

A produção de energia Elétrica com recurso a combustíveis fósseis contribui para o aumento das emissões dos gases de efeito de estufa, mais especificamente de CO2, para a atmosfera. Nas últimas décadas tem havido maiores preocupações ambientais no que diz respeito ao estado atual da produção de energia elétrica, o que tem aumentado o investimento nas energias renováveis, na esperança de se obter uma energia mais sustentável, sem a emissão dos gases de efeito de estufa. Uma dessas energias renováveis, é a energia eólica, que tem enorme potencial em Portugal, e que tem tomado cada vez mais um papel ativo maior no mundo. O conceito de produção de energia eólica com um gerador de velocidade variável tem recebido muita atenção devido ao facto de os métodos de controlo utilizados terem que ser melhorados e mais eficientes. Assim sendo, nesta dissertação é desenvolvido um sistema de controlo para um gerador indutivo duplamente alimentado (DFIG), por forma a extrair o máximo de potência possível. Para que tal seja possível, é utilizado um conversor back-to-back composto por dois conversores, um conversor AC-DC (Corrente Alternada – Corrente Contínua), denominado retificador, e um por um conversor DC-AC (Corrente Contínua – Corrente Alternada), denominado inversor, e por um condensador DC-link ligado entre ambos. Estes conversores são controlados através de um circuito de controlo, e inseridos num sistema gerador de turbina eólica (WTGS). O sistema é testado em contexto de simulação em computador para provar o conceito. Para realizar esta dissertação, é necessário um estudo teórico de cada componente do WTGS, em especial do gerador DFIG e do seu modelo matemático, para possibilitar o desenvolvimento do sinal de controlo e de todo o circuito de interface.