Advanced control algorithms must be used to make wind power generation truly cost effective and reliable. In this study, we develop a new and simple control scheme that employs model predictive control (MPC), which is used in permanent magnet synchronous generators and grid-connected inverters. The proposed control law is based on two points, namely, MPC-based torque-current control loop is used for the generator-side converter to reach the maximum power point of the wind turbine, and MPC-based direct power control loop is used for the grid-side converter to satisfy the grid code and help improve system stability. Moreover, a simple prediction scheme is developed for the direct-drive wind energy conversion system (WECS) to reduce the computation burden for real-time applications. A small-scale WECS laboratory prototype is built and evaluated to verify the validity of the developed control methods. Acceptable results are obtained from the real-time implementation of the proposed MPC methods for WECS.
Journal of international Conference on Electrical Machines and Systems
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v.1
no.1
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pp.121-127
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2012
An electric power compensation system for a DC transmission system with an integrated wind turbine generator is proposed. The proposed compensation system consists of a synchronous generator and a duplex reactor. This apparatus is connected to the sending-end circuit of the DC transmission system. A set of steady-state equations of the system is first derived. Then, the effect of the duplex reactor, which can eliminate the sending-end grid current distortion due to commutation of the converter, is explored. The relationships among power at the sending-end circuit are also revealed. It is shown that fluctuations in the sending-end grid power due to changes in wind velocities are compensated with the proposed system. Finally, the effects of the sending-end grid conditions on the steady-state characteristics of the system are studied.
This paper proposes a wind energy conversion system connected to a grid using a self-excited induction generator (SEIG) based on the maximum power point tracking (MPPT) control scheme. The induction generator (IG) is controlled by the MPPT below the base speed and the maximum energy can be captured from the wind turbine. Therefore, the stator currents of the IG are optimally controlled using the indirect field orientation control (IFOC) according to the generator speed in order to maximize the generated power from the wind turbine. The SEIG feeds a (CRPWM) converter which regulates the DC-link voltage at a constant value where the speed of the IG is varied. Based on the IG d-q axes dynamic model in the synchronous reference frame at field orientation, high-performance synchronous current controllers with satisfactory performance are designed and analyzed. Utilizing these current controllers and IFOC, a fast dynamic response and low current harmonic distortion are attained. The regulated DC-link voltage feeds a grid connected CRPWM inverter. By using the virtual flux orientation control and the synchronous frame current regulators for the grid connected CRPWM inverter, a fast current response, low harmonic distortion and unity power factor are achieved. The complete system has been simulated with different wind velocities. The simulation results are presented to illustrate the effectiveness of the proposed MPPT control scheme for a wind energy system. In the simulation results, the d-q axes current controllers and DC-link voltage controller give prominent dynamic response in command tracking and load regulation characteristics.
To increase the efficiency of a wind energy conversion system (WECS), the maximum power point tracking (MPPT) algorithm is usually employed. This paper proposes an optimal MPPT algorithm which tracks a sudden wind speed change condition fast. The proposed method can be implemented without the prior information on the wind turbine parameters, generator parameters, air density or wind speed. By investigating the directions of changes of the mechanical output power in wind turbine and rotor speed of the generator, the proposed MPPT algorithm is able to determine an optimal speed to achieve the maximum power point. Then, this optimal speed is set to the reference of the speed control loop. As a result, the proposed MPPT algorithm forces the system to operate at the maximum power point by using a three-phase converter. The simulation results based on the PSIM are given to prove the effectiveness of the proposed method.
Howlader, Abdul Motin;Urasaki, Naomitsu;Yona, Atsushi;Senjyu, Tomonobu;Saber, Ahmed Yousuf
Journal of international Conference on Electrical Machines and Systems
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v.1
no.2
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pp.116-124
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2012
Wind is an abundant source of natural energy which can be utilized to generate power. Wind velocity does not remain constant, and as a result the output power of wind turbine generators (WTGs) fluctuates. To reduce the fluctuation, different approaches are already being proposed, such as energy storage devices, electric double layer capacitors, flywheels, and so on. These methods are effective but require a significant extra cost to installation and maintenance. This paper proposes to reduce output power fluctuation by controlling kinetic energy of a WTG system. A MW-class pitch-regulated permanent magnet synchronous generator (PMSG) is introduced to apply a power fluctuation reducing method. The major advantage of this proposed method is that, an additional energy storage system is not required to control the power fluctuation. Additionally, the proposed method can mitigate shaft stress of a WTG system. Which is reflected in an enhanced reliability of the wind turbine. Moreover, the proposed method can be changed to the maximum power point tracking (MPPT) control method by adjusting an averaging time. The proposed power smoothing control is compared with the MPPT control method and verified by using the MATLAB SIMULINK environment.
The parameter K which decides how much to convert wind energy to electric energy in MPPT(maximum power point tracking) control of wind turbine system using torque controller is changed because blade shape and air density change. If the parameter K is not optimal value, power lose occur. The changed parameter K is important issue in wind turbine system. In this paper, to solve this problem, considering wind turbine system using back-to-back converter control and torque control, we propose the adaptive MPPT algorithm which performs fast control by using initial K, estimates mechanical power using Kalman filter method, uses the estimated mechanical power as input for MPPT algorithm again, and consequently performs optimal MPPT control.
The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers P
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v.63
no.4
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pp.254-259
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2014
In this paper, we describe construction of a wind stabilization demo-site and effects of output power control of wind turbines for suppression of ramp rate using ESS (Energy Storage System). It is difficult to control the output power of distributed generator such as wind turbine which of variation is very large. If the large capacity wind farm be interconnected into power system may cause blackout due to Power Quality. For these reasons, the international standards such as Grid-Code is limited to less than 10 [%/min] of renewable energy ramp rate. The case of Korea, government actively conducts propagating large-scale renewable energy for green growth policy, to interconnecting more renewable energy into power system is necessary for stabilization technology. For these reasons, the POSCO consortium has constructed a wind stabilization demo-site that is configured as 500 [kWh] battery energy storage systems can output up to 3 [C-Rate] and two wind turbines rated 750 [kW]. In POSCO consortium, which implements various methods stabilizing output power of wind turbine such as smoothing, section firming and ramp control, we derive the results of long-term demonstration that can be controlled to satisfy to the international standard about ramp rate [%/kW] of wind turbine output power.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.23
no.8
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pp.681-689
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2013
The commercial tools to simulate the non-linear dynamic characteristics of wind turbine system are various but, the tool take much time to simulate the control algorithm and require many input variables. In this paper, the procedures to derive the simplified 4-degree-of-freedom mathematical model of a 2-MW wind turbine which could be used at the initial design stage of the controller are proposed based on RISO's suggested method. In this model, the 1st tower fore-after bending motion and 1st blade flapping motion are also considered in addition to the rotor-generator rotation motion in the 2-DOF model. The effectiveness of the 4-DOF model is examined comparing with the 2-DOF model and verification of the simplified model is accomplished through modal analysis for whole wind turbine system.
In a power system with a high wind power penetration level, the output power of a wind power plant (WPP) might give negative impacts on the frequency control of a power system. This paper proposes a power smoothing scheme of a wind turbine generator (WTG) to reduce the frequency deviation. To do this, an additional control loop is used, the output of which depends on the frequency deviation. The gain of the additional loop is determined depending on the kinetic energy (KE) of a WTG; in the under frequency condition, the gain is set to be proportional to the releasable KE of a WTG; otherwise, it is set to the maximum value. The performance of the proposed scheme is investigated for 100-MW doubly-fed induction generator based WPP using an EMTP-RV simulator under various wind conditions. The results show that the proposed scheme successfully reduces the frequency deviation.
This paper describes a low-voltage ride-through method for the permanent magnet synchronous generator (PMSG) wind turbine system at a grid fault. The generator side converter regulates the DC link voltage instead of the grid side converter by storing the surplus active power in the rotor inertia during grid fault by the sliding mode controller. The grid side converter controls the grid active power keeping a maximum power point tracking. Simulation results for small scale PMSG wind turbine verify the efficiency of the control method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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