Strategies and performance of wind turbine control with a view to improving the quality of electrical power

Abstract

Power quality is critical to the proper functioning of the electrical systems. Poor power quality can give rise to the energy losses, equipment of malfunctions, also for grid instability. Power quality can be affected by the harmonic distortions, voltage variations, and transient disturbances. A wide range of options have been implemented in order to tackle this matter. This work examines the incorporation of the wind power into the grid to improve its flexibility and provide more electricity when needed. However, this integration faces challenges such as voltage oscillations and harmonics. This thesis therefore presents a modified grid-side converter (GSC) control technique, enabling the GSC to function as a parallel active filter to attenuate grid current harmonics created by the nonlinear load, and to change the power from the grid into the rotor of a doubly-fed induction generator (DFIG) and the other way round. The shunt active power filter (SAPF), restrained by a predictive current controller and powered by a wind turbine via a DC bus capacitor, uses a PI controller to set the DC bus voltage at a constant value and compensate for system losses. However, these methods do not provide better results for more varied loads. In this thesis, the sine-cosine algorithm (SCA) is developed for improved tuning of the PI values. MATLAB Simulink simulations establish the use fullness of the control system in improving grid current waveforms, compensating reactive power, and ensuring continuous insertion of wind energy at the common point shared connection (CCP) to share load power with the grid. -------------------------------------------------------------- تُعدّ جودة الطاقة عاملاً حاسماً في الأداء السليم للنظام الكهربائي. إذ يُمكن أن تؤدي رداءة جودة الطاقة إلى فقد الطاقة، وتعطل المعدات، وعدم استقرار الشبكة. وتتأثر جودة الطاقة بالتشوهات التوافقية، وتقلبات الجهد، والاضطرابات العابرة. وقد طُبّقت استراتيجيات عديدة لمعالجة هذه المشكلة. تتناول هذه الدراسة دمج طاقة الرياح في الشبكة لتحسين مرونتها وتوفير المزيد من الكهرباء عند الحاجة. ومع ذلك، يواجه هذا الدمج تحديات مثل تذبذبات الجهد والتوافقيات. ولذلك، تُقدّم هذه الأطروحة تقنية مُعدّلة للتحكم في مُحوّل جانب الشبكة (GSC)، مما يُمكّن المُحوّل من العمل كمرشح نشط متوازي لتخفيف توافقيات تيار الشبكة الناتجة عن الحمل غير الخطي، ونقل الطاقة من الشبكة إلى دوّار مولد الحث ذي التغذية المزدوجة (DFIG) والعكس. يستخدم المرشح النشط المتوازي (SAPF)، الذي يتم التحكم فيه بواسطة مُتحكّم تيار تنبؤي ويُغذّى بواسطة توربين رياح عبر مُكثّف ناقل التيار المستمر، مُتحكّماً تناسبياً تكاملياً (PI) لتثبيت جهد ناقل التيار المستمر عند قيمة ثابتة وتعويض فقد الطاقة في النظام. مع ذلك، لا تُحقق هذه الطرق نتائج أفضل مع الأحمال المتنوعة. في هذه الأطروحة، طُوِّرت خوارزمية الجيب وجيب التمام (SCA) لتحسين ضبط قيم PI. تُظهر محاكاة MATLAB Simulink فعالية نظام التحكم في تحسين أشكال موجات تيار الشبكة، وتعويض القدرة التفاعلية، وضمان حقن مستمر لطاقة الرياح عند نقطة التوصيل المشتركة (CCP) لمشاركة طاقة الحمل مع الشبكة. ------------------------------------------------------------------ La qualité du réseau électrique est essentielle au bon fonctionnement du système électrique. Une qualité d'énergie médiocre peut entraîner des pertes d'énergie, des dysfonctionnements d'équipements et une instabilité du réseau. L’avantage de l'énergie dépend généralement aux distorsions harmoniques, des variations de tension ainsi que des perturbations transitoires. Diverses méthodes ont été améliorées afin de traiter ce problème. Cette étude analyse l’adaptation de l’énergie éolienne dans l'intention d’accroître sa flexibilité et d’augmenter l’apport d’électricité en cas de besoin. Toutefois, cette intégration fait face à des difficultés telles que les oscillations de tension et la présence d’harmoniques. Cette thèse propose ainsi une technique modifiée de commande du convertisseur côté réseau (GSC), permettant au GSC d’agir en tant que filtre actif parallèle dans l'intention de diminuer les harmoniques du courant du réseau causé par une charge non-linéaire, et d’acheminer la puissance depuis le réseau vers le rotor de la génératrice asynchrone avec une double alimentation (DFIG), et réciproquement. Le filtre actif parallèle (FAP), piloté par une commande prédictive de courant et alimenté par un système éolien via un condensateur du bus DC, emploie un régulateur PI pour maintenir la tension du bus DC à une valeur fixe et compenser les pertes du système. Néanmoins, ces techniques ne fournissent pas de performances satisfaisantes pour des charges plus variables. Dans cette thèse, l’algorithme sinus-cosinus (SCA) est mis en œuvre afin d’optimiser le réglage des paramètres PI. Les simulations réalisées sous MATLAB Simulink mettent en lumière la compétence de la stratégie de commande adoptée pour améliorer les structures d’onde du courant du réseau, corriger la puissance réactive et garantir une injection continue de l’énergie éolienne au point de raccordement commun (PCC) en vue d’assurer le partage de la puissance avec le réseau.