In this thesis is studied the connection of an offshore Wind Farm (WF) with induction generators to a weak ac grid. This case presents several difficulties, as a result of the low short circuit ratio between the two interconnected ends and the fluctuating and unstable nature of the wind power. In order to constrain these difficulties and taking into account the long distance between the two interconnected ends (which necessitates the use of a dc cable), it was chosen to use the technology of the High Voltage Direct Current (HVDC) link based on Voltage Sourced Converters(VSCs) for the connection of the WF to the weak ac grid. This technology presents the advantages of dc transmission and due to the high switching capability of the VSCs’ valves, it can instantly regulate the reactive power and consequently the ac voltage, independently of the real power flow. So, the short circuit ratio between the two ends of the link does not have to be high. Furthermore, through this link, the dynamic reactive power compensation of the induction generations can be achieved.
However, despite the benefits which are obtained through the technology of the HVDC link based on VSCs, the control of the link is still a demanding procedure. The design of the control system demands a comprehensive knowledge of the system behavior and accurate tuning in order to achieve the desirable output. The presence of highly fluctuating and noisy input signals can make the selection of the control parameters which ensure proper behavior in any operating conditions very difficult.
Taking into account the above requirements, the control theory that was implemented to the control system of the above mentioned link is that of computational intelligence. Computational intelligence-based controllers do not require precise mathematical modeling of the system nor complex computations. They rely on the human ability to understand the system behavior and are based on qualitative control rules. In addition, they have inherent abilities to deal with imprecise or noisy data. The categories of computational intelligence that were used in the control system design are fuzzy systems and hybrid neuro-fuzzy systems. More precisely, three alternative versions of the control system of the link between the WF and the weak ac grid were designed:
1. a simple, manually tuned fuzzy control system ,
2. a hybrid neuro-fuzzy control System
3. an adaptive, on-line tuned fuzzy control system.
In order to test the performance of the control system and compare its three versions, the test of the system includes three parts. In the fist part was studied the performance of the system under a step increase of the wind speed. The step increase was chosen to be very steep, in order to test the system under extreme conditions. In the second part was studied the response of the system under a respective step decrease of the wind speed, in order to test the system performance under any operating condition. In the third part was examined the harmonic content of waveforms of the current and voltage at the point of common coupling, according to the limits of the international standard IEEE 519.
Through extended simulation results it was shown that the proposed control system quickly reacts to the step changes of the wind power and the HVDC link based on VSCs manages to feed the weak ac grid with the power from the wind under almost stable ac voltage. In addition, due to the ability of the control system to adjust the stator frequency of the induction generators in relation to the wind velocity, maximum power absorption of the WF is achieved, without monitoring the wind speed or the rotor speed.
Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκε η διασύνδεση ενός υπεράκτιου Αιολικού Πάρκου (ΑΠ) επαγωγικών μηχανών ονομαστικής ισχύος 90MW με ένα απομακρυσμένο ασθενές δίκτυο ΕΡ. Η περίπτωση αυτή παρουσιάζει σημαντικές δυσκολίες λόγω του χαμηλού λόγου ισχύων βραχυκύκλωσης ανάμεσα στις δύο πλευρές και των έντονων διακυμάνσεων της ισχύος που απομαστεύεται από τον άνεμο. Με σκοπό να περιορισθούν οι δυσκολίες αυτές και δεδομένου ότι τα διασυνδεδεμένα άκρα είναι απομακρυσμένα (άρα επιβάλλεται η μεταφορά με καλώδιο ΣΡ), επιλέχθηκε η εφαρμογή της διασύνδεσης του ΑΠ στο δίκτυο ΕΡ μέσω της τεχνολογίας Εναλλασσομένου Ρεύματος/ Συνεχούς Ρεύματος/ Εναλλασσομένου Ρεύματος (ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ) με Μετατροπείς Πηγής Τάσης (ΜΠΤ). Η τεχνολογία αυτή επιτρέπει τον ανεξάρτητο έλεγχο της πραγματικής από την άεργο ισχύ και έτσι καθιστά δυνατή τη διασύνδεση δικτύων με χαμηλό λόγο ισχύων βραχυκύκλωσης. Ένα επιπλέον πρόβλημα το οποίο επιλύεται μέσω της χρήσης της τεχνολογίας ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με ΜΠΤ είναι αυτό της δυναμικής αντιστάθμισης αέργου ισχύος των επαγωγικών γεννητριών.
Ωστόσο, παρόλα τα οφέλη που αποκομίζονται εφαρμόζοντας την τεχνολογία ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με ΜΠΤ, ο έλεγχος της διασύνδεσης παραμένει μια απαιτητική διαδικασία. Ο σχεδιασμός του συστήματος ελέγχου απαιτεί λεπτομερή γνώση της συμπεριφοράς του συστήματος και ακριβή ρύθμιση ώστε να αποκτηθεί η επιθυμητή έξοδος. Η παρουσία έντονα μεταβαλλόμενων και με θόρυβο εισόδων μπορούν να καταστήσουν πολύ δύσκολη την επιλογή των παραμέτρων ελέγχου οι οποίες παρέχουν σωστή συμπεριφορά σε οποιεσδήποτε συνθήκες λειτουργίας.
Σύμφωνα με τα παραπάνω κριτήρια ελέγχου, το σύστημα ελέγχου που επιλέχθηκε για την παραπάνω διασύνδεση σχεδιάστηκε σύμφωνα με την υπολογιστική νοημοσύνη, η οποία βασίζεται στην ποιοτική περιγραφή των ελεγχόμενων διαδικασιών και στη μίμηση του συλλογισμού ενός έμπειρου ανθρώπου-χειριστή της διαδικασίας. Οι κλάδοι της υπολογιστικής νοημοσύνης που εφαρμόσθηκαν είναι τα ασαφή συστήματα και τα υβριδικά νευρο-ασαφή συστήματα. Πιο συγκεκριμένα, για τον έλεγχο της διασύνδεσης του ΑΠ με το ασθενές δίκτυο ΕΡ, σχεδιάστηκαν και μελετήθηκαν τρεις διαφορετικές εκδοχές, οι οποίες περιελάμβαναν:
1. ένα ασαφές σύστημα ελέγχου,
2. ένα νευρο-ασαφές σύστημα ελέγχου,
3. ένα προσαρμοζόμενο ασαφές σύστημα ελέγχου, το οποίο ρυθμίζεται σε πραγματικό χρόνο.
Προκειμένου να ελεγχθεί η αποτελεσματικότητα του συστήματος ελέγχου, αλλά και να συγκριθούν οι τρεις εκδοχές του ως προς την αποτελεσματικότητά τους σε διαφορετικές διαταραχές, η αξιολόγηση του συστήματος περιέλαβε τρία μέρη. Στο πρώτο μέρος παρουσιάσθηκε η απόκριση του συστήματος σε μια βηματική αύξηση της μέσης τιμής της ταχύτητας του ανέμου. Η μεταβολή που επιλέχθηκε είναι ιδιαίτερα απότομη με σκοπό να ελεγχθεί η απόκριση του συστήματος υπό ακραίες συνθήκες. Στο δεύτερο μέρος παρουσιάσθηκε η απόκριση του συστήματος σε μια βηματική μείωση της μέσης τιμής της ταχύτητας του ανέμου, εξίσου απότομη με την προηγούμενη, ώστε να σχηματισθεί μια ολοκληρωμένη εικόνα για τη δυναμική συμπεριφορά του συστήματος κατά τη μετάβασή του στις διάφορες περιοχές λειτουργίας. Στο τρίτο μέρος έγινε μια αξιολόγηση της αρμονικής παραμόρφωσης, η οποία προκαλείται από τη διακοπτική λειτουργία του αντιστροφέα, στις κυματομορφές του ρεύματος και της τάσης στο ΣΚΣΔ, σύμφωνα με τα προτεινόμενα όρια του κανονισμού ΙΕΕΕ 519.
Μέσω εκτενών αποτελεσμάτων εξομοίωσης αποδείχθηκε ότι το προτεινόμενο σύστημα ελέγχου και στις τρεις περιπτώσεις αντιδρά γρήγορα στις μεταβολές ισχύος του ανέμου και η διασύνδεση ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ με ΜΠΤ τροφοδοτεί ομαλά το σύστημα ΕΡ με πραγματική ισχύ υπό σχεδόν σταθερή εναλλασσόμενη τάση. Επιπρόσθετα, λόγω του ελέγχου μεταβλητών στροφών, το ΑΠ οδηγείται σε μέγιστη αεροδυναμική απόδοση, χωρίς να απαιτείται μέτρηση της ταχύτητας του ανέμου ή του ρότορα των μηχανών.
