In this paper two modes of operating a wound rotor induction machine as a generator at sub-and super-synchronous speeds in wind energy conversion systems are investigated. In the first mode, known as double fed induction generator (DFIG), the rotor circuit is fed from the ac mains via a controlled rectifier and a forced commutated inverter. Adjusting the applied rotor voltage magnitude and phase leads to machine operation as a generator at sub-synchronous speeds. In the second mode, the machine is operated in a slip recovery scheme where the slip energy is fed back to the ac mains via a rectifier and line commutated inverter. This mode is described as double output induction generator (DOIG) leading to increase the efficiency of the wind-to electrical energy conversion system. Simulated results of both modes are presented. Experimental verification of the simulated results are presented for the DOIG mode of operation, showing larger amount of power captured and better power factor when compared to conventional induction generators.
In modern power systems, distributed generators (DGs) result in high stress on system frequency stability. Apart from the intermittent nature of DGs, most DGs do not contribute inertia or damping to systems. As a result, a new control method referred to as a virtual synchronous machine (VSM) has been proposed, which brought new characteristics to inverters such as synchronous machines (SM). DGs employing an energy storage system (ESS) provide inertia and damping through VSM control. Meanwhile, energy storage presents some physical constraints in the VSM implementation level. In this paper, a VSM mathematical model is built and analyzed. The dynamic responses of the output active power are presented when a step change in the frequency occurs. The influences of the inertia constant, damping factor and operating point on the ESS volume margins are investigated. In addition, physical constraints are proposed based on these analyses. The proposed physical constraints are simulated using PSCAD/EMTDC software and tested through RTDS experiment. Both simulation and RTDS test results verify the analysis.
A brush-less type synchronous generator driven by an internal-combustion engine is used for emergency electric source. These types of generators have to maintain a certain range of output voltage even under the sudden load change conditions such as full load application and removal. This paper describes a method for suppressing the output voltage of a synchronous generator that operates excessively when the load fluctuates. The method used in this paper is a feedforward control method in which the main voltage control consists of a feedback loop using a typical PID controller and the load current is detected as a disturbance element and compensated directly. A feedforward system is constructed in which the load current is regarded as disturbance, and the appropriate feedforward controller configuration and parameters are found through simulation. Finally, it can be seen through the experiment that the feedforward control is performed properly. It can be seen that the generator terminal voltage is recovered to the steady state in a short period of time as compared with the existing PID control method even when the entire load of the generator is changed.
A 1MW class superconductng synchronous motor is designed considering several conditions such as superconducting wire length, machine efficiency and size. As the machine is larger and larger, the superconducting machine shows the advantages more and more over the conventional machines. Although the advantages at 1MW rating are not so great, the design approach to get an appropriate result would be very helpful for larger superconducting synchronous machine design. Major design concerns are focused on reducing expensive Bi-2223 HTS(High Temperature Superconducting) wire which is used for superconducting field coil carrying the rating current around 30K($-243^{\circ}C$) while the machine efficiency is higher than conventional motors or generators with the same rating. Furthermore, some iron cored structure is considered to reduce the HTS wire requirement without bad effect on machine performances such as sinusoidal armature voltage waveform, synchronous reactance and so on.
The electrically excited synchronous generator (EESG) is applied in wind turbine systems recently. In an EESG control system, electrical torque is affected by stator flux and rotor current. So the control system is more complicated than that of the permanent-magnet synchronous generator (PMSG). Thus, the higher demanding of the control system is required especially in case of wind turbine mechanical resonance. In this paper, the mechanism of rotor speed resonant phenomenon is introduced from the viewpoint of mechanics firstly, and the characteristics of an effective damping torque are illustrated through system eigenvalues analysis. Considering the variables are tightly coupled, the four-order small signal equation for torque is derived considering stator and rotor control systems with regulators, and the bode plot of the closed loop transfer function is analyzed. According to the four-order mathematical equation, the stator flux, stator current, and electrical torque responses are derived by torque reference step and ramp in MATLAB from a pure mathematical deduction, which is identical with the responses in PSCAD/EMTDC simulation results. At last, the simulation studies are carried out in PSCAD software package to verify the resonant damping control strategy used in the EESG wind turbine system.
근래에는 신재생에너지를 이용한 독립적인 발전기의 수요가 증가하고 있는 추세이며 그 중에서 소형 풍력발전기의 개발 또한 활발하게 이루어지고 있다. 이러한 소형 풍력발전기는 목적에 따라 단순화 및 소형화가 가능하도록 영구자석이 주로 쓰인다. 하지만 영구자석 동기기는 구조적인 원인으로 인하여 코깅토크를 수반하고 이는 소음과 진동의 원인이 된다. 코깅토크는 영구자석이나 코어의 형상에 의해 변하며 적절한 설계기법으로 코깅토크를 저감시킬 수 있다. 본 논문에서는 영구자석의 형상변화를 통해 소형 풍력발전기에 많이 사용되는 표면부착형 영구자석 동기전동기의 코깅토크를 저감시키는 설계기법을 제시하였다. 코깅토크를 줄일 수 있는 영구자석의 형상을 구하는 데에는 확률론적 최적화기법의 일종인 진화론적 최적화기법을 사용했다. 최적화 기법을 적용할 때에 설계변수로는 영구자석의 폭을 조절하는 각도와, 영구자석의 외경을 조절하는 반지름을 설정하였다. 제시된 설계기법을 사용해서 극/슬롯의 조합이 8극/18슬롯이고 출력이 300W급인 풍력발전기를 설계하고 코깅토크와 출력전압 등의 특성을 계산했다. 계산결과에 의하면 초기모델에 비해 최적화모델에서 코깅토크와 토크리플 모두가 감소해서, 본 연구에서 제시한 설계기법이 코깅토크를 줄이는 데에 효과가 있음을 확인하였다.
풍력발전시스템은 기존의 발전시스템과 매우 다르다. 그러므로 전력계통에 풍력시스템을 연계하기 위해서는 동적특성에 대한 연구가 필요하다. 풍력발전기의 안정도해석은 전력계통의 운영에 있어서 중요 쟁점이다. 기존의 동기발전기만으로 구성된 전력계통의 위상각 안정도는 풍력발전기가 포함되면 그 결과가 달라진다. 즉, 풍력터빈에 연계된 발전기는 대부분 비동기인 유도발전기이기 때문이다. 위상각의 동기화 여부로 판별하는 위상각 안정도는 임계고장제거시간(CCT)을 계산하여 평가한다. 계통해석용 풍력터빈의 모델은 다양하여 그 해석에 어려움이 있으나 지금은 크게 4가지 타입으로 표준화가 되어있다. 본 논문에서는 PSS/E-32에서 제공하는 풍력터빈의 3번째 표준모델인 DFIG(Doubly-Fed induction Generator)모델을 이용하여 풍력단지가 연계된 전력계통의 CCT를 풍력단지의 위치와 용량을 고려하여 분석한다.
Microgrid is a new electrical energy system that composed of various generators, renewable energy, batteries and loads located near the electrical customers. When Microgrid is interconnected with large power system, Microgrid don't need to control the frequency. But in case of the outage or faults of power system, Microgrid should control the frequency to prevent the shutdown of Microgrid. This paper presents the frequency control methods using the droop function, being used by synchronous generators and EMS(Energy Management System). Using droop function, two battery systems could share the load based on locally measured signals without any communications between batteries. Also, we suggest that EMS should control the controllable distributed generators as P/Q control modes except batteries to overcome the weakness of droop function. Finally we suggest the two batteries systems to prolong the battery's life time considering the economical view. The validation of proposed methods is tested using PSCAD/EMTDC simulations and field test sites at the same time.
Diesel engine generators are widely used in the world, especially in remote site power systems as distributed generators. A weak distribution feeder with a small diesel engine may suffer from voltage and power fluctuations due to misfiring of the engine cylinder. In this study, new generator model with example engine torque was developed for the electromagnetic transient analysis program for power systems named XTAP. The configuration and verification results of the developed model are presented in the paper. The model is considered to be useful for analyses of small power systems with those diesel engines.
Over the last decade, wind turbine industry has rapidly increased around world. These days many parts of the wind generators are induction generator. But it has some problems such as gearbox failure, rotor excitation and maintenance. Thus many manufacturers are considered permanent magnet synchronous generator named PMSG and direct drive. PMSG uses NdFeB magnet has many the advantage compare with induction generator. In this study, 3MW class outer rotor type PMSG for wind turbine is proposed. The generator features 2.6m stator outer radius, 1200mm stator length, 81 pole pairs, 14 rated rpm, 42kN/$m^2$ shear force density and 94.2% efficiency. Design and analysis generator using FEM program. Then calculate and derivate no load voltage, losses, conductor temperature. To reduce total harmonic distortion and cogging torque, the stator is applied the stator skewing. And to evaluate the designed generator, compare with other generators by active mass per rating torque and torque density.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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