[論文レビュー] A Grid Fault Tolerant Doubly Fed Induction Generator Wind Turbine via Series Connected Grid Side Converter

P.S. Flannery, Giri Venkataramanan|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2022

Wind Turbine Control Systems被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、並列接続のグリッドサイドレクタと直列接続のグリッドサイドコンバータを統合した、二重励磁誘導発電機（DFIG）風力タービンの新規構造を提案する。この構造により、フルパワー処理と強化された低電圧耐障害（LVRT）機能が実現される。両コンバータ構成の長所を組み合わせることで、グリッド故障時における故障耐障害性能が向上し、タービン軸電流およびグリッド電流の安定制御が達成される。動的モデル化とシミュレーションにより検証された。

ABSTRACT

With steadily increasing wind turbine penetration, regulatory standards for grid interconnection are evolving to require that wind generation systems ride-through disturbances such as faults and support the grid during such events. Conventional modifications to the doubly fed induction generation (DFIG) architecture for providing ride-through result in limited control of the turbine shaft and grid current during fault events. A DFIG architecture in which the grid side converter is connected in series as opposed to parallel with the grid connection has shown improved low voltage ride through but poor power processing capabilities. In this paper a unified DFIG wind turbine architecture which employs a parallel grid side rectifier and series grid side converter is presented. The combination of these two converters enables unencumbered power processing and improved voltage disturbance ride through. A dynamic model and control structure for this unified architecture is developed. The operation of the system is illustrated using computer simulations.

研究の動機と目的

• グリッド故障時における耐障害能力を維持できない従来のDFIGシステムの限界を解消すること。
• DFIGシステムにおける純粋に直列接続のグリッドサイドコンバータの低劣なパワー処理能力を克服すること。
• フルパワー処理と強化された故障耐障害性能を両立できる統合的DFIGアーキテクチャの開発。
• 提案されたハイブリッドコンバータ構成のための動的モデルおよび制御構造の設計。
• シミュレーションを用いて、グリッド故障状態下でのシステム性能の検証。

提案手法

• 統合的DFIGアーキテクチャにおいて、並列グリッドサイドレクタと直列接続グリッドサイドコンバータを統合する。
• 二重制御戦略を採用：並列レクタには有効電力および無効電力の制御を担当させる一方、直列コンバータには故障時における電圧支援制御を担当させる。
• ハイブリッドシステムの動的モデルを構築し、安定性および故障応答特性の分析に用いる。
• 通常運転時および故障時における両コンバータ間のシームレスな運用を保証するための協調制御フレームワークを採用する。
• さまざまなグリッド故障シナリオ下でシステムをシミュレートし、性能および耐障害能力を評価する。
• 二重コンバータトポロジーに適合した標準DFIG制御原理を応用し、マシン電流およびグリッド電流の安定性を維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DFIG風力タービンは、どのようにしてフルパワー処理を実現しながら、強力な低電圧耐障害能力を維持できるか？
• RQ2 DFIGシステムにおいて、並列グリッドサイドレクタと直列接続グリッドサイドコンバータを統合することによる運用上の利点は何か？
• RQ3 提案された二重コンバータ構造は、従来のDFIG構成と比較して、グリッド故障時におけるタービン軸電流およびグリッド電流の制御をどのように改善するか？
• RQ4 ハイブリッドコンバータシステムの安定運用を確保するために必要な動的モデル化および制御戦略は何か？
• RQ5 提案されたアーキテクチャは、実際のグリッド障害条件下で、どの程度故障耐障害性能が向上するか？

主な発見

• 提案されたハイブリッドDFIGアーキテクチャにより、純粋に直列接続のグリッドサイドコンバータが抱えるパワー処理制限が克服された。
• システムは、電圧低下イベント時においても安定した運転を維持できることを示し、改善された低電圧耐障害能力を発揮した。
• 動的シミュレーションにより、故障時においてもタービン軸電流およびグリッド電流が許容範囲内に保たれ、システム安定性が確保された。
• 並列コンバータと直列コンバータの協調制御により、効果的な電圧支援と耐障害性能が実現され、同時にパワー転送効率の低下は生じなかった。
• 統合的アーキテクチャは、並列のみまたは直列のみのグリッドサイドコンバータを備えた従来のDFIGシステムと比較して、優れた故障耐障害性能を示した。
• シミュレーション結果により、提案された制御構造がグリッド障害時におけるシステム安定性および電力品質の維持に有効であることが検証された。