Torque control methods of wind turbine are mainly classified into two methods: torque-mode and speed-mode methods. The traditional torque-mode method, in which generator torque proportional to square of generator speed is determined, has been chosen in many wind turbines but its response is slower as they are larger in multi-MW size. Torque control methods based on both speed-mode and torque-mode can be used to make response of wind turbine faster. In this paper, two torque control methods based on the traditional torque-mode method are applied to a 2.75 MW wind turbine. It is shown through some simulation results for real turbulence wind speeds that torque control method based on torque-mode has the merit of reducing fluctuations of generated power than PI controller based on speed-mode.
풍력터빈의 토크제어는 정격풍속 이하에서 매우 중요하다. 토크제어의 주된 목적은 바람이 가진 공기역학적 파워로부터 최대의 파워를 얻도록 하는 것이다. 풍력터빈의 토크제어 방법은 토크모드 제어와 속도모드 제어로 크게 두 경우로 구분된다. 토크모드 제어는 풍력터빈에서 잘 알려지고 전통적으로 사용되는 방법으로 발전기 회전속도의 제곱에 비례하도록 발전기의 토크크기를 발생시킨다. 속도모드 제어에서는 발전기의 토크크기를 발생하기 위하여 PI 제어기를 사용한다. 본 논문에서는 실제 풍속이 난류인 점을 고려하여 2.75 MW 풍력터빈을 대상으로 두 토크제어 방법을 적용한 수치실험 결과를 제시하고 응답특성을 비교한다.
We propose a torque and pitch control scheme for variable speed wind turbines with permanent magnet synchronous generator (PMSG). A torque controller is designed to maximize the power below the rated wind speed and a pitch controller is designed to regulate the output power above the rated wind speed. The controllers exploit the sliding mode control scheme considering the variation of wind speed. Since the aerodynamic torque and rotor acceleration are difficult to measure in practice, a finite time convergent observer is designed which estimates them. In order to verify the proposed control strategy, we present stability analysis as well as simulation results.
This paper presents a wide-range speed control scheme of brushless DC (BLDC) motors based on a hall sensor with separated low- and normal-speed controllers. However, the use of the hall sensor signal is insufficient to detect motor speed in the low-speed region because of low sensor resolution and time delay. In the proposed method, a micro-stepping current control method according to the torque angle variation is presented. In this mode, the motor current frequency and rotating angle are determined by the reference speed without the actual speed fed by the hall sensor. The detected torque angle is used to adjust the current value in a limited band to control the current value in accordance with the load. The torque angle is detected exactly at the changing point of the hall sensor signal. The rotor can follow the rotating flux with the variable torque angle. In a normal speed range, the conventional vector control scheme is used to control the motor current with a PI speed controller using the hall sensor. The torque characteristics are analyzed on the basis of the back EMF and current shape. To adopt the vector control scheme, the continuous rotor position is estimated by the measured speed and hall sensor position. At the mode changing point between low and normal speed range, the proper initial current command and reference rotor position are calculated. The calculated current command can reduce the torque ripple during transient mode. The proposed method is simple but effective in extending the speed control range of a conventional BLDC motor with hall sensor without the need for a high-resolution encoder. The effectiveness of the proposed method is verified by various experiments on a practical BLDC motor.
This paper proposes a new speed sensorless direct torque and flux controlled interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM) drive. Closed-loop control of both the torque and stator flux linkage are achieved by using two proportional-integral (PI) controllers. The reference voltage vectors are generated by a SVM unit. The drive uses an adaptive sliding mode observer for joint stator flux and rotor speed estimation. Global asymptotic stability of the observer is achieved via Lyapunov analysis. At low speeds, the observer is combined with the high frequency signal injection technique for stable operation down to standstill. Hence, the sensorless drive is capable of exhibiting high dynamic and steady-state performances over a wide speed range. The operating range of the direct torque and flux controlled (DTFC) drive is extended into the high speed region by incorporating field weakening. Experimental results confirm the effectiveness of the proposed method.
This paper presents a sensorless direct torque control (DTC) combined with sliding mode approach (SM) and space vector modulation (SVM) to achieve mainly a high performance and reduce torque and flux ripples of a parallel-connected two five-phase permanent magnet synchronous machine (PMSM) drive system. In order to increase the proposed drive robustness and decrease its complexity and cost, the rotor speeds, rotor positions, fluxes as well as torques are estimated by using a sliding mode observer (SMO) scheme. The effectiveness of the proposed sliding mode observer in conjunction with the sliding mode control based DTC is confirmed through the application of different load torques for wide speed range operation. Comparison between sliding mode control and proportional integral (PI) control based DTC of the proposed two-motor drive is provided. The obtained speeds, torques and fluxes responses follow their references; even in low and reverse speed operations, load torques changes, and machines parameters variations. Simulation results confirm also that, the ripples of the torques and fluxes are reduced more than 3.33% and 16.66 %, respectively, and the speed overshoots and speed drops are reduced about 99.85% and 92.24%, respectively.
Aerodynamic torque of wind turbine has nonlinear properties. Nonlinearity of aerodynamic torque is very important in wind turbine in the aspect of control. The traditional torque control method using optimal mode gain has been applied in many wind turbines but its response is slower as wind turbine size is larger. In this paper, a torque control method using a nonlinear parameter of rotor speed among nonlinear properties of aerodynamic torque. Simulink model is implemented to obtain the nonlinear parameter of rotor speed and numerical simulations for a 2MW wind turbine are carried out and simulation results for the traditional and proposed torque control methods are compared.
This paper presents a digitally speed sensorless control system for induction motor with direct torque control (DTC). The drive is based on Mode1 Reference Adaptive System (MRAS) using state observer as a reference model fat flux estimation. The system are closed loop stator flux and torque observer for wide speed range that inputs are currents and voltages sensing of motor terminal, model reference adaptive control (MRAS) with rotor flux linkages for the speed turning aignal at low speed range, two hysteresis controllers. The Proposed system is verified through simulation.
This paper presents a torque ripple reduction algorithm for the switched reluctance motor drives using the fuzzy logic and the sliding mode control. A turn-on angle controller based on the fuzzy logic determines the optimal turn-on angle. In addition, a sliding mode torque control (SMTC) methods reduces torque ripples instantaneously in the commutation region. The proposed algorithm does not require complex system models considering nonlinear magnetizing or demagnetizing periods of the phase current. According to the rotor speed and torque, the proposed controller changes the turn-on angle and reference torque instantaneously until the torque ripples are minimized. The simulation and experimental results verify the validity of minimizing the torque ripple performance.
Electric drive vehicles (EDV) have received much attention recently because of their environmental and energy benefits. In an EDV, the motor drive system directly influences the performance of the propulsion system. However, the available DC voltage is limited, which limits the maximum speed of the motors. At high speeds, the inverter voltage increases if the square wave (SW) voltage (six-step operation) is used. Although conventional direct torque control (DTC) has several advantages, it cannot work in the six-step mode required in high-speed applications. In this paper, a single-mode seamless DTC for AC motors is proposed. In this scheme, the trajectory of the reference flux changes continuously between circular and hexagonal paths. Therefore, the armature voltage changes smoothly from a high-frequency switching pattern to a square wave pattern without torque discontinuity. In addition, because multi-mode controllers are not used, implementation is more straightforward. Simulation results show the voltage pattern changes smoothly when the motor speed changes, and consequently, torque control without torque discontinuity is possible in the field weakening area even with a six-step voltage pattern.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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