Variable speed wind turbines [Elektronische Ressource] : modelling, control, and impact on power systems / vorgelegt von Gabriele Michalke

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• Publié par: technischen_universitat_darmstadt
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 24
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 9 Mo

Extrait

Department for
Renewable Energies
Institute of Electrical
Power Systems

Wind Energy Department
Risø National Laboratory



PhD thesis
Gabriele Michalke

Variable Speed Wind Turbines -
Modelling, Control, and Impact on Power Systems























Variable Speed Wind Turbines -
Modelling, Control, and Impact on Power Systems



Vom Fachbereich 18
Elektrotechnik und Informationstechnik
der Technischen Universität Darmstadt
zur Erlangung des Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)
genehmigte Dissertation



vorgelegt von
Dipl.-Ing. Gabriele Michalke
geboren am 21.09.1978
in Dillenburg



Referent: Prof. Dr.-Ing. Thomas Hartkopf
Korreferent: Dr.-Ing. Anca Daniela Hansen
Tag der Einreichung: 04.01.2008
Tag der mündlichen Prüfung: 24.04.2008






D 17
Darmstadt 2008




Erklärung zur Dissertation




Ehrenwörtliche Erklärung zu meiner Dissertation mit dem Titel:
„Variable Speed Wind Turbines -Modelling, Control, and Impact on Power Systems”


Hiermit erkläre ich, dass ich die beigefügte Dissertation selbstständig verfasst und keine
anderen als die angegebenen Hilfsmittel genutzt habe. Alle wörtlich oder inhaltlich
übernommenen Stellen habe ich als solche gekennzeichnet.

Ich versichere außerdem, dass ich die beigefügte Dissertation nur in diesem und keinem
anderen Promotionsverfahren eingereicht habe und, dass diesem Promotionsverfahren
keine endgültig gescheiterten Promotionsverfahren vorausgegangen sind.




Gabriele Michalke









Darmstadt, 20.12.2007


Preface i
Preface

The present PhD thesis deals with the modelling, control, and the impact of variable
speed wind turbines on the power system. Due to increasing wind power penetration
the power system impact of wind power is a relevant aspect of research. Comprehen-
sive dynamic simulation models of wind turbines are required in order to simulate their
interaction with the power system. In the present report dedicated control strategies are
developed, which improve the wind turbines´ impact on the power system.
The PhD project was carried out in a co-operation between the Institute of
Electrical Power Systems - Department of Renewable Energies at Darmstadt Technical
University (Germany) and the research group Wind Energy Systems at the Wind En-
ergy Department of Risø National Laboratory/DTU (Denmark). The duration of the
project was from November 2003 to October 2007. The work was mainly funded by
the “Stiftung Energieforschung Baden-Württemberg”. Within the project four 3-
months research periods were carried out at Risø National Laboratory funded by the
scholarship “Herbert-Kind-Preis” of the ETG (German Power Engineering Society)
and the DAAD (German Academic Exchange Service).
ii Summary
Summary

Due to the increasing penetration of wind energy in the transmission system modern
wind turbines are required to take over the control tasks, which were traditionally
aligned to conventional power plants, and to contribute to power system stability. In
countries with high amount of wind power, as e.g. Germany and Denmark, such con-
trol requirements are specified in grid codes for wind turbines. Goal of the present PhD
work is thus the development of dedicated control strategies for variable speed wind
turbines, which enable the turbines to act as active components in the power system
and to comply with various grid code requirements.
The most promising wind turbine concepts for the future market are investi-
gated in the presented work, namely the doubly-fed induction generator wind turbine
(DFIG) and the direct driven wind turbine using a permanent magnet excited synchro-
nous generator (PMSG) connected via a full-scale converter. In a first step, compre-
hensive dynamic simulation models of both wind turbine concepts are developed. The
models represent the aerodynamical and mechanical behaviour of the turbine as well as
the entire electrical system including generator, converter and grid connection. The
models are implemented in the power system simulation software DIgSILENT Power
Factory
In a second step, based on the simulation models advanced control strategies
are designed for each considered wind turbine concept. The control is subdivided into
two stages: a control for normal operation and a superimposed control for grid faults.
The control for normal operation assures variable speed operation at maximum aero-
dynamic efficiency. However, on demand the turbine can provide active and reactive
power according to requests of the power system operator. In case of a grid fault the
superior control for grid codes is used. Protection equipment prevents damaging of the
turbine under grid faults and facilitates thus fault ride-through. Meanwhile a voltage
controller assures reactive power supply for faster voltage re-establishment in the
surge of a fault. The basic control principle is the same for both wind turbine concepts,
but differs internally due to the different system configuration.
The presented case studies verify the effectiveness of the control strategies. It is
shown, that both wind turbine concepts can contribute to power system stability when
equipped with such a control system. Comparing the PMSG and DFIG wind turbine it
turns out, that the PMSG wind turbine has a slightly better grid support capability,
which is due to the full-scale converter.
A promising result of the presented work is, that modern variable speed wind
turbines can even help nearby connected conventional stall wind turbines to ride-Summary iii
through a grid fault by means of the developed control strategies. A high loss of active
power production in the surge of a fault due to turbine tripping can thus be avoided.

iv Zusammenfassung
Zusammenfassung

Aufgrund der zunehmenden Penetration der Windenergie im Übertragungsnetz, wird
von modernen Windkraftanlagen gefordert, sich wie konventionelle Kraftwerke zu
verhalten und zur Unterstützung der Netzstabilität beizutragen. In Ländern mit hohem
Anteil an Windenergie, wie beispielsweise Deutschland oder Dänemark, haben Netz-
betreiber solche Forderungen in Netzanschlussregeln für Windkraftanlagen formuliert.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist daher die Entwicklung geeigneter Regelungsstrategien
für drehzahlvariable Windkraftanlagen, um diese zu befähigen, sich als aktive Teil-
nehmer beim Netzbetrieb verhalten zu können und die Anforderungen der Netzan-
schlussregeln erfüllen zu können.
In den vorliegenden Studien werden zwei zukunftsträchtige Windkraftanlagen-
konzepte untersucht: die Windkraftanlage mit doppelt gespeister Asynchronmaschine
(DFIG) sowie die direktangetriebene Windkraftanlage mit hochpoligem permanenter-
regtem Synchrongenerator und Vollumrichter (PMSG). In einem ersten Schritt werden
detaillierte Simulationsmodelle beider Anlagenkonzepte entwickelt. Die Modellbil-
dung umfasst das gesamte aerodynamische und mechanische Verhalten der Windkraft-
anlage sowie daran anschließend den elektrischen Teil des Systems mit Generator,
Umrichter und dem Anschluss ans Übertragungsnetz. Die Modelle werden in der
Netzberechnungssoftware DIgSILENT Power Factory implementiert.
Auf Basis dieser Modelle werden dann in einem zweiten Schritt geeignete Re-
gelungsstrategien für die jeweiligen Windkraftanlagen entwickelt. Die Regelung ist
unterteilt in eine Regelung für den Normalbetrieb und in eine übergeordnete Regelung
für den Fehlerfall. Die Regelung für den Normalbetrieb garantiert drehzahlvariablen
Betrieb und maximale Energieausbeute. Nach Bedarf kann die Anlage jedoch auch
ihre Wirk- und Blindleistungsbereitstellung nach Vorgaben des Netzbetreibers anpas-
sen. Im Falle eines Netzfehlers kommt die übergeordnete Regelung für den Fehlerfall
zum Einsatz. Schutzeinrichtungen sichern ab, dass die Anlage einen Fehlerfall unbe-
schadet durchfahren kann und eine Spannungsregelung ermöglicht, dass die Anlage
Blindleistung bereitstellt, um das Spannungsniveau wiederherzustellen. Das grundle-
gende Regelungsprinzip ist für beide Anlagentypen gleich. In der Umsetzung der Re-
gelungsstrategien ergeben sich jedoch aufgrund des unterschiedlichen Aufbaus beider
Konzepte starke Unterschiede.
Zahlreiche Fallstudien belegen die Wirksamkeit der Regelung. Es wird gezeigt,
dass beide Anlagenkonzepte, ausgestattet mit den entwickelten Regelungen, zur Unter-
stützung der Netzstabilität beitragen können. Aus technischer Sicht kann die PMSG
Windkraftanlage aufgrund des Vollumrichters im Vergleich zur DFIG Anlage einen
größeren Beitrag zur Netzstützung leisten.