Effects of Voltage Unbalance and System Harmonics on the Performance of Doubly Fed Induction Wind GeneratorsMorgan Kiani, Member, IEEE, and Wei-Jen Lee, Fellow, IEEE Abstraksi : Perkembangan energi baru menjadi minat utama dalam pengganti dari meningkatnya permintaan untuk energi dan harga tinggi fosil bahan bakar, meskipun sumbe daya minyak berkurang dan alami gas bumi telah memberikan perhatian yang baru untuk topik. Energi angin, sejauh ini,energi angin bentuk yang paling dapat diakses dan efisien energi terbarukanmengingat keadaan eknologi dalam sumber daya terbarukan lainnya, yaitu surya,sel bahan bakar, dll Selama dekade terakhir, telah ada yang signifikan kemajuan dalam menangkap energi angin menggunakan induksi ganda makan generator (DFIGs). Fleksibilitas dari DFIG dalam menyediakan dikontrol aliran daya aktif dan reaktif terhadap sistem, seperti serta biaya yang melekat rendah dan minimum ukuran daya elektronik konverter, telah menjadi kekuatan pendorong dalam kecukupan unggul ini keluarga generator. Namun, seperti yang telah dicatat dalam literatur ketidakseimbangan tegangan dan harmonics sistem dapat memburuk kinerja DFIGs dengan memperkenalkan torsi yang tidak diinginkan harmonik dan ketidaktelitian dalam generasi memerintahkan aktif / daya reaktif. Makalah ini akan membahas fenomena ini dari analisis elektromagnetik dan sistem sudut pandang. Simulasi hasilnya diberikan untuk memvalidasi klaim.

1.IntroductionGenerator induksi ganda FED (DFIGs) yang menarik perhatian yang cukup besar dalam sistem pemanenan energi angin karena keuntungan yang unik mereka seperti mengurangi ukuran daya konverter, fleksibilitas dalam kontrol independen yang aktif dan reaktif kekuasaan, dan struktur yang relatif sederhana dan kasar. Ini keuntungan memiliki, untuk sebagian besar, mengatasi kritikus biasa pada pemeliharaan, kesulitan pengendalian, dll Namun, karena peternakan angin energi biasanya dibangun di daerah pedesaan dengan jaringan lokal yang lemah atau jalur transmisi yang relatif lama, adanya ketidakseimbangan tegangan telah berubah menjadi masalah dengan konsekuensi yang besar pada kinerja DFIG. Pada catatan terpisah, pengenalan turbin angin kecil di daerah pinggiran kota dan pusat kota selama beberapa tahun terakhir telah meningkatkan kemungkinan kehadiran harmonik sistem pada DF DFIGs menyediakan akses untuk injeksi dari fase tiga saat ini untuk gulungan rotor. Hal ini diwujudkan oleh satu set cincin slip. Berbeda tupai-kandang mesin induksi di mana arus rotor dihasilkan oleh kebajikan dari medan magnet berputar dari gulungan stator, DFIG menyediakan alternatif untuk independen aliran arus rotor yang diinginkan. Ini derajat kebebasan

ditambahkan secara efektif dapat digunakan untuk mengontrol daya aktif dan reaktif atas berbagai kecepatan. Yang terakhir adalah signifikansi penting untuk memanen energi angin di mana kecepatan angin dapat bervariasi selama cakupan luas. Gambar. 1 menunjukkan diagram rangkaian untuk suatu DFIG. Para stator persamaan dalam kerangka acuan sinkron untuk DFIG dapat dinyatakan sebagai berikut:

Dimana: LM, LLS, e, dan e mewakili induktansi magnetizing, kebocoran induktansi, kecepatan listrik, dan listrik

sudut kerangka acuan sinkron, masing-masing. Subskrip ds dan qs menunjukkan sumbu langsung dan quadrature dari sinkron kerangka acuan, sementara superskrip e merupakan kerangka acuan sinkron. Satu set persamaan yang sama dapat dirumuskan untuk tiga-fase gulungan rotor. Terutama, memutar bidang yang disebabkan oleh fase tiga yang seimbang arus rotor akan menginduksi tegangan tiga fasa seimbang dalam gulungan stator. Frekuensi tegangan ini tergantung pada arah relatif dari bidang rotor dan penggerak utama. Jika arah medan rotor menentang bahwa dari gerak mekanik, maka generasi dicapai. Untuk mempertahankan frekuensi konstan dalam output dari terminal DFIG, seseorang dapat mengubah frekuensi arus rotor sesuai dengan kecepatan poros. Untuk menyelesaikan tugas ini, ada kebutuhan untuk daya elektronik ac-dc-ac konverter,

seperti ditunjukkan pada Gambar. 2. Namun, ukuran konverter hanya sebagian kecil dari total dihasilkan listrik. Dengan kontrol akurat dari konverter daya, rangkaian rotor efektif dapat terlindungi dari ketidakseimbangan dan harmonisa yang mungkin ada di sisi kotak. dengan akurat kontrol frekuensi / gelombang dalam arus rotor, yang sinkronisme dari fase, besarnya, dan frekuensi yang terkait dengan interface grid dapat ditangani. Hal ini, pada gilirannya, diterjemahkan menjadi biaya yang lebih rendah dan ukuran yang lebih kecil konverter daya elektronik, maka efisiensi keseluruhan yang lebih baik.

di mana S, LS, LM, s, Ie QR, dan Ie dr menunjukkan stator frekuensi, diriinduktansi, induktansi magnetizing, yang besarnya keterkaitan fluks stator, dan quadrature-dan langsung sumbu rotor saat, masing-masing. Dalam seimbang kondisi (termasuk nol-urutan arus dari stator), torsi daya aktif, daya reaktif, dan elektromagnetik diberikan oleh persamaan berikut [1], [7]:

Seperti yang dapat dicatat, kehadiran harmonik kedua di torsi elektromagnetik dapat menghasilkan osilasi yang tidak diinginkan,sehingga seumur hidup berkurang dari bagian yang bergerak dan akustik kebisingan. Dalam makalah ini, kami akan melakukan studi mendalam dari pembangkit listrik dan lintasan waktu dalam kehadiran kondisi ketidakseimbangan. Topik menarik lainnya akan menjadi produksi dan distribusi kerusakan kerugian akibat tidak seimbang tegangan dan harmonisa. Makalah ini mencakup elektromagnetik suatu analisis DFIG serta untuk mengatasi efek dari ketidakseimbangan dan harmonisa. Gambar. 3 menunjukkan distribusi bidang yang ditargetkan DFIG bawah stator terbuka sirkuit pada satu kondisi yang sewenang-wenang waktu instan. Mesin ini memiliki fase tiga-empat-kutub konfigurasi pada rotor dan stator. Stator host tiga-slot-per fase per-tiang konfigurasi, sedangkan rotor terdiri dari 48 slot. Magnet paket dari Infolytica telah digunakan untuk penelitian ini. Paket ini memungkinkan untuk penugasan dari kecepatan mekanik rotor, serta transien eksitasi rotor / stator terminal. Ini harus mencatat bahwa parameter DFIG yang digunakan untuk mempelajari sistem

III.Analisis ElektromagnetikDalam rangka untuk melakukan analisis, model 2-D transien dari DFIG ditargetkan didirikan. Parameter mesin ini termasuk dalam Tabel I. DFIG digunakan untuk penelitian ini menyusun sebuah tiga-fasa empat-kutub pada stator yang berkelok-kelok dan rotor. Stator dan rotor berisi 36 dan 48 slot, masing-masing. angka-angka dan grafik ditunjukkan dalam studi ini adalah terkait dengan panjang tumpukan 3,5 masuk Untuk melakukan tes tanpa beban, gulunganstator disimpan terbuka, sedangkan fase tiga-(Wye-terhubung) windings dari gulungan rotor diberi makan dengan set berikut threephase seimbang arus:

Urutan fase arus rotor dipilih sedemikian rupa sehingga arah memutar bidang resultan menentang bahwa dari gerak mekanik. Kecepatan mekanik disimpan di 1890 r / min (sesuai dengan secarik dari 5%), yang sesuai dengan frekuensi dari 63 Hz. Akibatnya, satu set tegangan seimbang dengan frekuensi 60 Hz pada stator ditangkap (lihat Gambar. 4). Para tigafasa tegangan dan torsi akan ditampilkan dalam per-unit skala. Torsi elektromagnetik di bawah kondisi tanpa beban mewakili yang cogging efek antara stator dan rotor gigi frekuensi yang tergantung pada jumlah stator dan rotor slot dan memiliki rata-rata nol. Seperti yang diharapkan, tanpa beban tegangan mewakili sistem yang seimbang dalam urutan-urutan yang positif. Dalam selanjutnya langkah dan tanpa mengubah eksitasi rotor, threephase suatu beban resistif terhubung ke stator Wye-terhubung gulungan. Adanya arus beban pada stator akan memulai komponen sekunder dari medan elektromagnetik dalam yang airgap mesin yang di sinkron dengan rotor lapangan dan akan menerapkan torsi pengereman mencoba untuk menghentikan gerakan. Dalam simulasi kami, kecepatan penggerak utama telah disimpan konstan. Skenario ini merupakan operasi suatu pulau DFIG bawah kondisi beban seimbang. Harus dicatat bahwa magnetomotive kekuatan (MMF) dari rotor hampir akan cocok bahwa dari stator. Fakta ini akan mempengaruhi besarnya

tegangan stator sebagai besarnya perubahan beban resistif. Gambar. 5 menunjukkan bentuk gelombang tegangan dan arus dari fase A pada frekuensi 120 Hz. Seperti yang dapat dicatat, arus dan tegangan berada dalam fase (tanda negatif dari saat ini merupakan indikasi menghasilkan modus operasi), yang menunjukkan dominasi beban resistif pada stator. Nilai beban resistif per fase adalah 11 . Torsi elektromagnetik yang dikembangkan selama mode ini operasi ditunjukkan pada Gambar. 6. Seperti dapat diamati, rata-rata torsi elektromagnetik adalah negatif, yang merupakan indikasi operasi di modus menghasilkan

IV.Efek nonbalance dan Sisyem HarmonicDalam rangka untuk menyelidiki kondisi tidak seimbang, nilai-nilai dari stator tiga fase beban resistif telah berubah, yaitu, Ras = BPR = 11and rcs = 5. Perubahan ini telah menyebabkan berikut set tegangan stator (Gambar 8). Seperti yang dapat dicatat, besarnya fase C telah berkurang untuk menjaga arus pada fase yang sama bahwa dalam dua lainnya fase, dan karenanya, kekuatan magneto-motif seimbang (MMF) adalah dijamin. Seperti disebutkan sebelumnya, besarnya rotor arus adalah sama, dan dengan demikian, besarnya stator arus dalam modus pulau operasi harus hamper konstan. Karena beban resistif untuk fase C berkurang, besarnya tegangan masing-masing telah diubah untuk menjaga arus konstan. Karena medan magnet dipengaruhi oleh Distribusi arus di sirkuit stator dan rotor, tidak ada perubahan signifikan dalam respon torsi DFIG di bawah Pulau operasi tidak seimbang yang diharapkan. Pada langkah berikutnya, DFIG akan terhubung ke yang kuat jaringan eksternal (yakni, grid). Dalam hal ini, grid akan menentukan besarnya tegangan fase. Jika ada unbalances di tegangan grid (fase atau besarnya), situasi ketidakseimbangan akan dikenakan pada gulungan stator dari DFIG tersebut. Di bawah ini kondisi, bahkan jika beban resistif seimbang terhubung di terminal mesin, satu set arus tidak seimbang akan diambil, yang dapat mengakibatkan terjadinya negatif-, positif, dan nol-urutan (jika sambungan stator memungkinkan) medan magnet komponen dalam airgap dari DFIG tersebut. Untuk menyelidiki lebih lanjut pengoperasian DFIG bawah ini jenis kondisi tidak

seimbang, respon elektromagnetik torsi mesin (dalam frekuensi domain) di bawah kondisi operasi yang ditunjukkan dalam Gambar. 9. Seperti dapat dilihat, ada penurunan torsi rata-rata, sedangkan pulsasi torsi meningkat. Kenaikan torsi pulsasi merupakan kontribusi untuk medan elektromagnetik tidak seimbang disebabkan oleh arus stator. Bidang ini tidak seimbang sekali didekomposisi ke komponen simetris yang dapat memulai

positif-dan

bidang-urutan

negatif

berputar.

Sementara

positif-urutan

lapangan

akan

menghasilkan perilaku yang sama seperti yang di modus seimbang operasi, komponen urutan negative akan cenderung untuk melakukan tindakan otomotif, yang akan mengakibatkan peningkatan secara keseluruhan dalam pulsasi torsi, serta pengurangan di torsi rata-rata keseluruhan. Karena komponen negatif dari bidang stator berputar dalam arah yang sama seperti yang dari rotor lapangan, bidang yang dihasilkan (torsi) akan muncul dengan ganda stator (airgap) frekuensi. Perilaku kedua harmonik telah telah dilaporkan dalam literatur [7] dan merupakan fenomena yang dikenaldi DFIGs beroperasi di bawah kondisi yang tidak seimbang. Keberadaan urutan nol dalam arus stator fase akan menghasilkan tidak ada medan magnet efektif dalam airgap tersebut. Hal ini terutama disebabkan kenyataan bahwa medan elektromagnetik yang disebabkan oleh zerosequence yang arus akan stasioner dan bahwa yang besarnya dalam yang ideal (sinusoidal didistribusikan) berkelok-kelok adalah sama dengan nol. Gambar. 10 menunjukkan distribusi dari medan magnet di DFIG di bawah kondisi beban tidak seimbang. Seperti dapat diamati, variasi dari medan magnet pada instan ini sewenang-wenang dari pameran waktu tidak merata magnetik loading pada berbagai bagian stator dan rotor sirkuit yang dapat berkontribusi terhadap kehilangan abnormal dan tidak diinginkan perilaku termal. Hal ini juga dicatat bahwa tambahan getaran tangensial berkelanjutan akan mengakibatkan kerusakan pada turbin angin, gearbox, dan komponen lain untuk menghubungkan DFIG, sehingga mengurangi masa efektif dari peralatan. Oleh karena itu yang ideal untuk dapat mendeteksi dan mengkompensasi negatif-urutan lapangan yang disebabkan oleh ketidakseimbangan menggunakan arus modifikasi pada sisi rotor. Dalam

rangka untuk memahami perilaku DFIG di kehadiran sumber eksternal tegangan (grid), stator Gulungan tersebut disambungkan ke yang seimbang tegangan diberikan oleh

Besarnya, fase, dan frekuensi dari tegangan eksternal dipilih sedemikian rupa sehingga sinkronisasi mulus dengan sistem eksternal telah dicapai pertama, dan kemudian, ketidakseimbangan

Telah diperkenalkan dalam besarnya tegangan. Buah ara. 11 dan 12 menunjukkan arus stator tiga fasa dan elektromagnetik torsi dari DFIG setelah koneksi ke grid dengan kondisi ketidakseimbangan. Akhirnya, Gambar. 13 menunjukkan distribusi kerapatan fluks seluruh mesin yang terhubung ke jaringan tidak seimbang. Pemuatan magnetik mesin tidak seimbang dapat menyebabkan tak terduga magnetik saturasi dan pemanasan yang berlebihan, yang, dalam gilirannya, dapat mengurangi masa efektif DFIG tersebut. Harmonisa sistem juga dapat mengubah respon magnetik dari DFIG. Mengingat peningkatan harmonik sistem, yang disebabkan oleh beban elektronik, studi tentang efek harmonisa sistem pada kinerja DFIGs sangat penting. Seperti dalam kasus tegangan sistem tidak seimbang, harmonik sistem akan dibebankan pada tegangan stator dari DFIG tersebut. Hal ini, sebagai imbalannya, hasil dalam aliran arus dengan masing-masing harmonic ketertiban, ketika elektrik mungkin. Yang ketiga dan kelima harmonic adalah di antara sistem yang paling mengancam harmonik yang dapat

muncul dengan magnitude besar. Setelah menemukan mereka harmonic cara untuk arus stator, mereka akan memulai medan magnet di yang airgap yang memutar dengan kecepatan harmonik, dan ini akan berinteraksi dengan bidang rotor yang berputar dengan kecepatan sinkron. Satu dapat dicatat bahwa kehadiran dari ruang harmonik yang disebabkan oleh gulungan nonsinusoidal pada rotor dan stator lebih lanjut akan memperluas spektrum frekuensi dari medan magnet yang dihasilkan dalam airgap tersebut. Meskipun zerosequence arus (harmonik ketiga) tidak dapat memulai nontrivial komponen lapangan di berkelok-kelok yang ideal, keberadaan harmonisa ruang dapat mengakibatkan komponen torsi karena kehadiran harmonik ketiga. Secara umum, seseorang dapat mengekspresikan yang berputar dihasilkan medan magnet stator di airgap sebagai berikut:

mana s dan Ny mewakili perpindahan pada stator dan koefisien berliku sesuai dengan ruang j harmonik, masing-masing. Sebuah ekspresi yang sama dapat dikembangkan untuk bidang rotor. Dengan asumsi bahwa arus rotor tidak berisi konten harmonik signifikan, hanya harmonik ruang dari rotor harus dimasukkan. Sebagai salah satu dapat mengharapkan, hasil torsi dapat berisi otomotif dan komponen yang menghasilkan cenderung meningkatkan denyut torsi. Gambar. 14 menunjukkan sampel hasil untuk pengenalan harmonik ketiga diperkenalkan oleh jaringan dalam koneksi Wye ungrounded [Gambar. 14 (a)] dan koneksi Wye membumi [Gambar. 14 (b)]. Pendahuluan harmonik dari sistem di bawah kondisi yang tidak seimbang akan memperumit skenario ini oleh kebajikan dari simetris komponen yang dapat eksis pada berbagai frekuensi.

5.KesimpulanMakalah ini telah menyelidiki efek dari harmonisa sistem dan tegangan tidak seimbang dalam jaringan yang diterapkan pada operasi generator induksi ganda makan angin. Dasar-dasar\

operasi dalam keluarga ini generator telah dibahas pertama. Operasi Pulau DFIG di bawah beban tidak seimbang telah telah diperkenalkan dan dibahas dari sudut pandang magnetik. Secara umum, sistem-diinduksi unbalances dan hasil harmonic di berundulasi torsi yang tidak diinginkan dan pengurangan mungkin dalam output daya kemampuan.

6.Daftar pustaka[1] E. Muljadi, D. Yildirim, T. Batan, and C. P. Butterfield, Understanding the unbalancedvoltage problem in wind turbine generation, in Conf. Rec. IEEE IAS Annu. Meeting, 1999, vol. 2, pp. 13591365. [2] A. Miller, E. Muljadi, and D. S. Zinger, A variable speed wind turbine power control, IEEE Trans. Energy Convers., vol. 12, no. 2, pp. 181186, Jun. 1997. [3] K. Methaprayoon, W. J. Lee, C. Yingvivatanapong, and J. Liao, An integration of ANN wind power estimation into UC considering the forecasting uncertainty, in Proc. IEEE Ind. Commercial Power Syst. Tech. Conf., May 2005, pp. 116124. [4] S. Muller, M. Deicke, and R. W. De Doncker, Doubly fed induction generator systems for wind turbines, IEEE Ind. Appl. Mag., vol. 8, no. 3, pp. 2633, May/Jun. 2002. [5] T. K. A. Brekken and N. Mohan, Control of a doubly fed induction wind generator under unbalanced grid voltage conditions, IEEE Trans. Energy Convers., vol. 22, no. 1, pp. 129135, Mar. 2007. [6] S. D. Rubira andM. D.McCulloch, Control method comparison of doubly fed wind generators connected to the grid by asymmetric transmission lines, IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 36, no. 4, pp. 986991, Jul./Aug. 2000. [7] L. Xu and Y. Wang, Dynamic modeling and control of DFIGbased wind turbines under unbalanced network conditions, IEEE Trans. Power Syst., vol. 22, no. 1, pp. 314323, Feb. 2007.