Voltage and frequency control of a stand-alone induction generator using SVPWM converter in a small reservoir hydropower plant

• Autorzy: Borkowski D.

Identyfikatory

DOI

10.4467/2353737XCT.16.265.6064

Warianty tytułu

PL

Sterowanie częstotliwości i napięcia autonomicznego generatora indukcyjnego przez przekształtnik SVPWM w zbiornikowej elektrowni wodnej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Induction generators are widely used to generate electrical power in small hydraulic applications. The main disadvantage of standalone induction generators is the problem of regulating the voltage magnitude and voltage frequency under load variation. This paper investigates a three-phase self-excited induction generator (SEIG) operating under varying load, utilizing the water energy in a small reservoir hydropower plant. The generator excitation is provided by a three-phase capacitor bank and an inverter with Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM). Furthermore, the inverter with a battery controls the active power flow between the generator and the load in order to provide a constant frequency of voltage. The proposed control scheme consists of two PI controllers. The first controls the voltage magnitude by regulating the inverter reactive power, while the second one adjusts the guide vanes of the turbine according to the DC voltage of the battery. The proposed control system has been tested under load step changes. The simulation results of the system, obtained using the Matlab/Simulink software, have demonstrated good control performance.

PL

Generatory indukcyjne są szeroko stosowane do produkcji energii elektrycznej w elektrowniach wodnych małej mocy. Główną wadą samowzbudnych generatorów indukcyjnych są problemy z regulacją amplitudy i częstotliwości napięcia podczas zmian obciążenia. W artykule przedstawiono wyniki badań układu generacji autonomicznej z maszyną indukcyjną przetwarzającą energię mechaniczną turbiny w zbiornikowej małej elektrowni wodnej. Moc bierna niezbędna do wzbudzenia maszyny dostarczana jest zarówno przez baterię kondensatorów oraz falownik napięcia sterowany z zastosowaniem metody modulacji wektorowej (SVPWM). Ponadto, falownik wyposażony jest w bufor energii (baterię) przez co może sterować przepływem mocy czynnej, a w rezultacie sterować częstotliwością napięcia. Proponowany system sterowany jest za pomocą dwóch regulatorów PI. Pierwszy steruje wartością napięcia poprzez dostarczanie mocy biernej, podczas gdy drugi reguluje kierownicą turbiny wodnej na podstawie napięcia w obwodzie DC. Zaprezentowany system został przetestowany podczas skokowej zmiany obciążenia. Przedstawiono symulacje pochodzące z modelu stworzonego w aplikacji Matlab/Simulink, które prezentują właściwości systemu.

Słowa kluczowe

EN

self-excited induction generator; SVPWM inverter; small hydropower plant; control algorithm

PL

samowzbudny generator indukcyjny; falowniki SVPWM; mała elektrownia wodna; algorytmy sterowania

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej im. Tadeusza Kościuszki
• Czasopismo: Czasopismo Techniczne. Elektrotechnika
• Rocznik: 2016
• Tom: Y. 113, iss. 3-E
• Strony: 51--63
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., wz., wykr., il.

Twórcy

autor

Borkowski D.

• Institute of Electromechanical Energy Conversion, Faculty of Electrical and Computer Engineering, Cracow University of Technology

Bibliografia

• [1] Singh G.K., Self-excited induction generator research – a survey, Electric Power Systems Research, vol. 69, 2004, 107–114.
• [2] Bansal R., Three-phase self-excited induction generators an overview, IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 20(2), 2005, 292–299.
• [3] Alnasir Z., Kazerani M., Performance comparison of standalone SCIG and PMSG-based wind energy conversion systems, IEEE 27th Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering (CCECE), Toronto, 4–7 May 2014, 1–8.
• [4] Haque M.H., Voltage regulation of a stand-alone induction generator using thyristor-switched capacitors, IEEE International Conference on Sustainable Energy Technologies, Singapore, 24–27 Nov. 2008, 34–39.
• [5] Ahmed T., Noro O., Nakaoka M., Terminal voltage regulation characteristics by static var compensator for a three-phase self-excited induction generator, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 40(4), 2004, 978–988.
• [6] Suarez E., Bortolotto G., Voltage-frequency control of a self excited induction generator, IEEE Trans. on Energy Convers., vol. 14(3), 1999, 394–401.
• [7] Marra E., Pomilio J., Self-excited induction generator controlled by a VS-PWM bidirectional converter for rural applications, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 35(4), 1999, 877–883.
• [8] Marra E.G., Pomilio J.A., Induction-generator-based system providing regulated voltage with constant frequency, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 47(4), 2000, 908–914.
• [9] Chilipi R.R., Singh B., Murthy S., A new voltage and frequency controller for standalone parallel operated self excited induction generators, Int. J. Emerg. Elect. Power Syst., vol. 13(1), 2012, 1–17.
• [10] Chilipi R.R., Singh B., Murthy S.S., Performance of a Self-Excited Induction Generator With DSTATCOM-DTC Drive-Based Voltage and Frequency Controller, IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 29(3), 2014, 545–557.
• [11] Jakubowski B., Pieńkowski K., Analysis and synthesis of converter control system of autonomous induction generator with field oriented control, Archives of Electrical Engineering, vol. 62(2), 2013, 267–279.
• [12] Singh B., Kasal G.K., Voltage and Frequency Controller for a Three-phase Fourwire Autonomous Wind Energy Conversion System, IEEE Transaction on Energy Conversion, vol. 23(2), 2008, 509–518.
• [13] Barrado J., Grino R., Valderrama-Blavi H., Power-quality improvement of a stand-alone induction generator using a statcom with battery energy storage system, IEEE Trans. Power Del., vol. 25(4), 2010, 2734–2741.
• [14] Borkowski D., Performance analysis of the Single-Phase Grid-Connected Inverter of a photovoltaic system in water and wind applications, E3S Web of Conferences, SEED, vol. 10, 2016, no. 00004.
• [15] Zoby M.R.G., Yanagihara J.I., Analysis of the primary control system of a hydropower plant in isolated model, Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, vol. 31, 2009, 5–11.
• [16] Boldea I., The Electric Generators Handbook, Volume II: Variable speed generators. CRS Press, Boca Raton USA 2006.
• [17] Mohan N., Undeland T.M., Robbins W.P., Power Electronics: Converters, Applications and Design, Wiley, New York 1996.
• [18] IEEE Standard 519-1992: IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems, New York, USA, 1993.
• [19] De Brabandere K., Bolsens B., Van den Keybus J., Woyte A., Driesen J. and Belmans R., A Voltage and Frequency Droop Control Method for Parallel Inverters, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 22(4), 2007, 1107–1115.

Uwagi

The presented results of the research, which was carried out under the theme No. E-2/580/2016/DS, were funded by the subsidies on science granted by Polish Ministry of Science and Higher Education.