Effects of Electrical Dynamic Response of Doubly Fed Induction Generator Type Wind Turbines on Their Mechanical Systems During Single and Multiple Faults

Abstract

In the early stages of wind turbine technology, the focus was on the separate development of mechanical and electrical systems and research was carried out only in these areas. Today's modern wind turbine designs, which have reached megawatt sizes, continue to be more cost-effective and dependable for countries to achieve their renewable energy targets. In this direction, wind turbine research and development processes have now started to focus on both mechanical and electrical systems and their subsystem interactions. In this thesis study, it is aimed to investigate the effects of the response of electrical control systems on towers components during grid faults. A doubly fed induction generator is used for power generation and power systems including converters and control systems are modelled in MATLAB/Simulink. Simulations were designed in Simulink to test the grid-connected wind turbine model and the Fault Ride Through condition that causes voltage drops in the grid connection lines; the response of the control system and electromagnetic torque output in the relevant case were sent to the mechanical system analysis tool Horizonal Axis Wind Turbine Simulation Code 2 to observe the effects on the mechanical system. In Horizonal Axis Wind Turbine Simulation Code 2, the interaction of the main bodies against forces and limits is analyzed and the results are reported graphically. The state of the system without fault and data with the faults are analyzed comparatively. It has been observed that the reactions of the electrical power systems during grid failure influence the mechanical systems.

Rüzgâr türbini teknolojisinin ilk dönemlerinde, mekanik ve elektrik sistemlerin ayrı ayrı geliştirilme süreçlerine odaklanılmış ve sadece bu alanlarda araştırmalar yapılmıştır. Günümüzdeki megavat boyutlarına ulaşan modern rüzgâr türbin tasarımlarının ülkelerin yenilenebilir enerji hedeflerine ulaşması için daha uygun maliyetli ve güvenilir olması için çalışmaları sürmektedir. Bu doğrultuda, rüzgâr türbini araştırma ve geliştirme süreçleri artık hem mekanik hem de elektrik sistemlere ve bunların alt sistem etkileşimlerine de odaklanmaya başlamıştır. Şebeke bağlantılarının gereksinimleri, şebeke kodları, sadece güç sistemleri ve bileşenleri için değil, mekanik sistem ve bileşenleri için de sorumluluklar getirmektedir. Bu çalışmada, şebeke de meydana gelen arızalar sırasında, elektrik kontrol sistemlerinin tepkisinin, kule ve kanatlardaki etkilerinin incelenmesi amaçlanmıştır. Güç üretimi için Çift Beslemeli Endüksiyon Jeneratörü kullanılmış; AC/DC, DC/DC çevirici ve kontrol sistemlerini içeren güç sistemleri MATLAB/Simulink'te modellenmiştir. Şebekeye bağlı rüzgâr türbini modeli ile şebeke bağlantı hatlarında meydana gelen voltaj düşümüne neden olan hatalarının üstesinden gelebilme durumunu test etmek için Simulink'te simülasyonlar tasarlanmış; ilgili durumda kontrol sisteminin tepkisi ve elektromanyetik tork çıkışı, mekanik sistem üzerindeki etkileri gözlemlemek için mekanik sistemi analiz aracı Horizontal Axis Wind Turbine Simulation Code 2 (HAWC2) programına gönderilmiştir. HAWC2'de ana gövdelerin kuvvetlere ve limitlere karşı etkileşimi analiz edilerek; sonuçlar grafiksel olarak raporlanmıştır. Hata olmayan sistemin durumu ile hata geldiği anda elde edilen veriler karşılaştırılmalı olarak incelenmiştir. Hata anında elektrik güç sistemlerinin şebekeye bağlı kalmak için verdiği tepkilerin mekanik sistemler üzerinde etkisi olduğu gözlenmiştir.