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Controladores auxiliares de frequência para o restabelecimento de microrredes ilhadas com alto nível de inserção de geração eólica

The diffusion of distributed generation and microgrids, as well as the growing expansion of renewable energy, like wind power, bring challenges and opportunities related to the operation and control of electrical power systems. In systems exposed to islanded operation, the black start capability is...

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Autor principal:	Bordignon, Andrei
Formato:	Dissertação
Idioma:	Português
Publicado em:	Universidade Tecnológica Federal do Paraná 2017
Assuntos:	Energia eólica Geração distribuída de energia elétrica Energia - Fontes alternativas Wind power Distributed generation of electric power Renewable energy sources CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA Engenharia Elétrica
Acesso em linha:	http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/2339
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id	riut-1-2339
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spelling	riut-1-23392017-08-24T21:41:18Z Controladores auxiliares de frequência para o restabelecimento de microrredes ilhadas com alto nível de inserção de geração eólica Auxiliary frequency controllers for the black start of islanded microgrids with high wind energy penetration Bordignon, Andrei Oliveira, Ricardo Vasques de http://lattes.cnpq.br/7510520963824716 Oliveira, Ricardo Vasques de Ramos, Rodrigo Andrade Costa, Jean Patric da Pillco, Edwin Choque Energia eólica Geração distribuída de energia elétrica Energia - Fontes alternativas Wind power Distributed generation of electric power Renewable energy sources CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA Engenharia Elétrica The diffusion of distributed generation and microgrids, as well as the growing expansion of renewable energy, like wind power, bring challenges and opportunities related to the operation and control of electrical power systems. In systems exposed to islanded operation, the black start capability is fundamental to restore the energy supply after the occurrence of a blackout. The black start is usually a difficult operational event, since significant power unbalances may occur in the system. The present work proposes operational and control strategies that make possible the black start of wind-diesel microgrids with high penetration level of wind generation, without the adoption of energy storage systems. The proposed control approach is based on two supplementary control loops for a fully rated converter wind turbine, which enable the wind unit to contribute to the frequency regulation during the black start of a stand-alone system. Both the proposed controllers employ the system frequency error as input signal and act only when the system loads are energized. One of the supplementary controllers seeks to extract kinetic energy from the wind turbine, by modifying the speed reference of the wind turbine in the typical control loop of the rotor-side converter. The second supplementary controller is designed to temporarily extract electrical energy from the DC-link capacitor, by acting in the reference of the DC-link voltage in the typical control loop of the grid-side converter. The energy extracted from the wind turbine and DC-link capacitor is injected into the grid to mitigate the power unbalance caused by the load energization. Thus, the proposed control strategies prevent excessive frequency drops during the load energization of low inertia stand-alone systems in restoration procedures. The design of the proposed controllers was performed by a genetic algorithm optimization technique. The performance of the system is compared in two different operation modes, diesel generator operating in Vf control mode and wind generation unit operating in Vf control mode. Results obtained by nonlinear time domain simulations demonstrate the effectiveness of the proposed control approach. CAPES A difusão da geração distribuída e das microrredes, bem como a crescente expansão do uso de energias renováveis, como a eólica, trazem desafios e oportunidades relacionados à operação e controle de sistemas elétricos. Em sistemas sujeitos à operação ilhada, a capacidade de restabelecimento é fundamental para que o suprimento de energia seja retomado após a ocorrência de um desligamento. Esta tarefa pode ser de difícil execução, uma vez que desbalanços de potência significativos podem ocorrer, decorrentes da energização da rede e de variações na disponibilidade de energia primária. Neste contexto, o presente trabalho propõe a adoção de estratégias operacionais e de controle que possibilitem a execução do processo de restabelecimento em microrredes híbridas eólico-diesel com alto nível de inserção de geração eólica, sem a adoção de sistemas de armazenamento de energia. A proposta é baseada em duas malhas de controle suplementares para uma unidade eólica de conversor pleno, que habilita a unidade eólica para contribuir com a regulação de frequência durante o restabelecimento da microrrede. Os dois controladores propostos são excitados pelo erro de frequência do sistema e atuam somente quando as cargas do sistema são energizadas. Um dos controladores suplementares tem o objetivo de extrair energia cinética da turbina eólica, através da atuação na referência de velocidade da turbina nas malhas de controle do conversor do lado do gerador. O segundo controlador suplementar é projetado para extrair temporariamente energia elétrica armazenada no barramento CC da unidade eólica, por meio de um deslocamento temporário da referência de tensão do barramento CC nas malhas de controle do conversor do lado da rede. A energia extraída da turbina eólica e do barramento CC é transmitida ao sistema para mitigar o desbalanço de potência causado por um incremento de carga. Assim, as estratégias de controle propostas previnem afundamentos excessivos de frequência durante o restabelecimento de sistemas com baixa inércia. Para o projeto dos controladores propostos, uma técnica de otimização baseada em algoritmos genéticos foi utilizada. O desempenho do sistema é comparado em dois diferentes modos de operação, gerador diesel operando em modo Vf e unidade eólica operando em modo Vf. Resultados obtidos por meio de simulações não lineares no domínio do tempo demostram a efetividade das estratégias propostas. 2017-08-24T21:41:18Z 2017-08-24T21:41:18Z 2017-06-02 masterThesis BORDIGNON, Andrei. Controladores auxiliares de frequência para o restabelecimento de microrredes ilhadas com alto nível de inserção de geração eólica. 2017. 200 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Pato Branco, 2017. http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/2339 por openAccess application/pdf Universidade Tecnológica Federal do Paraná Pato Branco Brasil Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica UTFPR
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description	The diffusion of distributed generation and microgrids, as well as the growing expansion of renewable energy, like wind power, bring challenges and opportunities related to the operation and control of electrical power systems. In systems exposed to islanded operation, the black start capability is fundamental to restore the energy supply after the occurrence of a blackout. The black start is usually a difficult operational event, since significant power unbalances may occur in the system. The present work proposes operational and control strategies that make possible the black start of wind-diesel microgrids with high penetration level of wind generation, without the adoption of energy storage systems. The proposed control approach is based on two supplementary control loops for a fully rated converter wind turbine, which enable the wind unit to contribute to the frequency regulation during the black start of a stand-alone system. Both the proposed controllers employ the system frequency error as input signal and act only when the system loads are energized. One of the supplementary controllers seeks to extract kinetic energy from the wind turbine, by modifying the speed reference of the wind turbine in the typical control loop of the rotor-side converter. The second supplementary controller is designed to temporarily extract electrical energy from the DC-link capacitor, by acting in the reference of the DC-link voltage in the typical control loop of the grid-side converter. The energy extracted from the wind turbine and DC-link capacitor is injected into the grid to mitigate the power unbalance caused by the load energization. Thus, the proposed control strategies prevent excessive frequency drops during the load energization of low inertia stand-alone systems in restoration procedures. The design of the proposed controllers was performed by a genetic algorithm optimization technique. The performance of the system is compared in two different operation modes, diesel generator operating in Vf control mode and wind generation unit operating in Vf control mode. Results obtained by nonlinear time domain simulations demonstrate the effectiveness of the proposed control approach.
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