Czasopismo | PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY | Rocznik 2024 - zeszyt 4

Enhancing Wind Energy Conversion Efficiency with Parallel Hybrid Excitation Synchronous Generators based on SecondOrder Sliding Mode Control

Zwiększanie efektywności konwersji energii wiatrowej za pomocą równoległych generatorów synchronicznych o wzbudzeniu hybrydowym opartych na sterowaniu trybem ślizgowym drugiego rzędu

10.15199/48.2024.04.08

nr katalogowy: 148108
10.15199/48.2024.04.08

Streszczenie

The increasing popularity of Hybrid Excitation Synchronous Generators (HESGs) has drawn significant attention from researchers and industrialists due to their simple and sturdy structure, as well as their high-speed operation. These generators find widespread utilization in various applications, with a particular focus on renewable energy, especially in the context of wind energy conversion systems (WECS). The research presents a novel variable structure control method for a WECS that incorporates two three-phase hybrid excitation synchronous generators connected to a diode bridge rectifier. The system can function as a DC generator for isolated loads in embedded applications. The traditional control techniques, such as integral-proportional (PI) controllers, have shown drawbacks in terms of power quality and performance in WECS. To address these issues, the study proposes a new strategy based on second-order sliding mode (SOSM) control. This technique is used for the purpose of improving control performance in WECS. The primary goal of the SOSM control is to maintain a steady DC bus voltage even when the DC load and rotor speed vary. The simulation and modeling of the entire system are carried out using MATLAB/ Simulink. The results demonstrate the efficacy of the proposed conversion method, proving its effectiveness in power generation applications.

Abstract

Rosnąca popularność synchronicznych generatorów hybrydowego wzbudzenia (HESG) przyciągnęła znaczną uwagę naukowców i przemysłowców ze względu na ich prostą i solidną konstrukcję, a także ich szybkie działanie. Generatory te znajdują szerokie zastosowanie w różnych zastosowaniach, ze szczególnym uwzględnieniem energii odnawialnej, zwłaszcza w kontekście systemów konwersji energii wiatrowej (WECS). Badania przedstawiają nowatorską metodę sterowania zmienną strukturą WECS, która obejmuje dwa trójfazowe hybrydowe generatory synchroniczne ze wzbudzeniem połączone z diodowym mostkiem prostowniczym. System może działać jako generator prądu stałego dla izolowanych obciążeń w aplikacjach wbudowanych. Tradycyjne techniki sterowania, takie jak regulatory całkowo-proporcjonalne (PI), wykazały wady pod względem jakości energii i wydajności w WECS. Aby rozwiązać te problemy, w badaniu zaproponowano nową strategię opartą na sterowaniu w trybie ślizgowym drugiego rzędu (SOSM). Ta technika jest używana w celu poprawy wydajności kontroli w WECS. Głównym celem sterowania SOSM jest utrzymanie stałego napięcia szyny DC, nawet gdy zmienia się obciążenie DC i prędkość wirnika. Symulacja i modelowanie całego systemu odbywa się za pomocą MATLAB/Simulink. Wyniki pokazują skuteczność proponowanej metody konwersji, udowadniając jej skuteczność w zastosowaniach związanych z wytwarzaniem energii.

Słowa kluczowe

Keywords

Bibliografia

[1] H. M. Yassin, R. R. Abdel-Wahab, and H. H. Hanafy, “Active and Reactive Power Control for Dual Excited Synchronous Generator in Wind Applications,” IEEE Access, vol. 10, no. 2169–3536, pp. 29172–29182, Jan. 2022, doi: https://doi.org/10.1109/access.2022.3158621.
[2] G. Gualtieri, “A comprehensive review on wind resource extrapolation models applied in wind energy,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 102, no. 1364-0321, pp. 215– 233, Mar. 2019, doi: https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.12.015.
[3] R. R. Abdel-Wahab, H. M. Yassin, and H. H. Hanafy, “Dual Excited Synchronous Generator a Suitable Alternative for Wind Applications,” in 2020 IEEE 14th International Conference on Compatibility, Power Electronics and Power Engineering (CPEPOWERENG), Jul. 2020. doi: https://doi.org/10.1109/cpepowereng48600.2020.9161384.
[4] E. Gaughan and B. Fitzgerald, “An assessment of the potential for Co-located offshore wind and wave farms in Ireland,” Energy, vol. 200, no. 0360-5442, p. 117526, Apr. 2020, doi: https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.117526.
[5] C. Jung and D. Schindler, “A review of recent studies on wind resource projections under climate change,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 165, no. 1364-0321, p. 112596, Sep. 2022, doi: https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112596.
[6] A. Azam, A. Ahmed, H. Wang, Y. Wang, and Z. Zhang, “Knowledge structure and research progress in wind power generation (WPG) from 2005 to 2020 using CiteSpace based scientometric analysis,” Journal of Cleaner Production, vol. 295, no. 0959-6526, p. 126496, May 2021, doi: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.126496.
[7] A. M. S. Yunus, A. Abu-Siada, M. A. S. Masoum, M. F. El-Naggar, and J. X. Jin, “Enhancement of DFIG LVRT Capability During Extreme Short-Wind Gust Events Using SMES Technology,” IEEE Access, vol. 8, no. 2169–3536, pp. 47264–47271, 2020, doi: https://doi.org/10.1109/access.2020.2978909.
[8] A. Hadi, H. H. Aly, and T. Little, “Harmonics Forecasting of Wind and Solar Hybrid Model Driven by DFIG and PMSG Using ANN and ANFIS,” IEEE Access, vol. 11, no. 2169–3536, pp. 55413–55424, Jan. 2023, doi: https://doi.org/10.1109/access.2023.3253047.
[9] A. Berrueta, J. Sacristan, J. Lopez, Jose Luis Rodriguez, P. Sanchis, and P. Sanchis, “Inclusion of a Supercapacitor Energy Storage System in DFIG and full-converter PMSG Wind Turbines for Inertia Emulation,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 59, no. 1939–9367, pp. 1–9, Jan. 2023, doi: https://doi.org/10.1109/tia.2023.3249145.
[10] F. Liu, K. Wang, and J. C. Li, “Terminal Voltage Oriented Control of Excitation Winding for New AC-Excited Hybrid Excitation Generator,” in International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), Oct. 2021. doi: https://doi.org/10.23919/icems52562.2021.9634218.
[11] S. Nuzzo, P. Bolognesi, G. Decuzzi, P. Giangrande, and M. Galea, “A Consequent-Pole Hybrid Exciter for Synchronous Generators,” IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 36, no. 1, pp. 368– 379, Mar. 2021, doi: https://doi.org/10.1109/tec.2020.3012198.
[12] Q. Wang, S. Niu, and L. Yang, “Design Optimization of a Novel Scale-Down Hybrid-Excited Dual Permanent Magnet Generator for Direct-Drive Wind Power Application,” IEEE Transactions on Magnetics, vol. 54, no. 3, pp. 1–4, Mar. 2018, doi: https://doi.org/10.1109/tmag.2017.2758021.
[13] A. Mseddi, S. Le Ballois, H. Aloui, and L. Vido, “Robust control of a wind conversion system based on a hybrid excitation synchronous generator: A comparison between H∞ and CRONE controllers,” Mathematics and Computers in Simulation, vol. 158, no. 0378- 4754, pp. 453–476, Apr. 2019, doi: https://doi.org/10.1016/j.matcom.2018.11.004.
[14] G. Yang, L. Pang, H. Shen, H. Qin, and Chaohui Lisa Zhao, “Influence of excitation current on electromagnetic vibration and noise of rotor magnetic shunt hybrid excitation synchronous motor,” Energy Reports, vol. 8, no. 2352 4847, pp. 476–485, Nov. 2022, doi: https://doi.org/10.1016/j.egyr.2022.05.227.
[15] S. Hlioui et al., “Hybrid Excited Synchronous Machines,” IEEE Transactions on Magnetics, vol. 58, no. 2, pp. 1–10, Feb. 2022, doi: https://doi.org/10.1109/tmag.2021.3079228.
[16] Z. Q. Zhu, N. Pothi, P. L. Xu, and Y. Ren, “Uncontrolled Generator Fault Protection of Novel Hybrid-Excited Doubly Salient Synchronous Machines With Field Excitation Current Control,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 55, no. 4, pp. 3598– 3606, Jul. 2019, doi: https://doi.org/10.1109/tia.2019.2909492.
[17] L. Ye, X. Song, and Z. Chen, “Design and Test of Slender Salient Pole Hybrid Excitation Generator for While Drilling,” Electrical Engineering & Technology , vol. 17, no. 3, pp. 1741–1749, Jan. 2022, doi: https://doi.org/10.1007/s42835-022-01001-w.
[18] M. Ostroverkhov, V. Chumack, Y. Monakhov, and V. Yu Bazhenov, “Control of a Hybrid Excited Synchronous Generator of an Autonomous Wind Turbine Unit,” in IEEE International Conference on Modern Electrical and Energy Systems (MEES), Sep. 2021. doi: https://doi.org/10.1109/mees52427.2021.9598715.
[19] H. Gallas, S. Le Ballois, H. Aloui, and L. Vido, “A hybrid excitation synchronous generator for a 1.5 MW grid-connected wind conversion system,” Electrical Engineering, vol. 104, no. 6, pp. 4031–4048, Jun. 2022, doi: https://doi.org/10.1007/s00202-022- 01585-6.
[20] A. Mseddi, S. Le Ballois, H. Aloui, and L. Vido, “Robust control of a HESG for a wind energy application,” Power Systems, vol. 168, no. 0378-7796, pp. 250–260, Mar. 2019, doi: https://doi.org/10.1016/j.epsr.2018.12.004.
[21] A. Mseddi, S. Le Ballois, H. Aloui, and L. Vido, “Load mitigation and wind power maximization of a HESG-based wind conversion system,” Renewable and Sustainable Energy, vol. 12, no. 5, pp. 053305–053305, Sep. 2020, doi: https://doi.org/10.1063/5.0009642.
[22] H. Gallas, “Contribution à la Commande d’un Générateur de type Synchrone à Double Excitation dans le cas d’une Application Éolienne et Comparaison avec d’autres Architectures,” 2021. Accessed: Jul. 12, 2023.
[Online]. Available: https://hal.science/tel03433652
[23] N. Patin, L. Vido, E. Monmasson, J.-P. . Louis, M. Gabsi, and M. Lecrivain, “Control of a Hybrid Excitation Synchronous Generator for Aircraft Applications,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 55, no. 10, pp. 3772–3783, Oct. 2008, doi: https://doi.org/10.1109/tie.2008.924030.
[24] C. Jiang et al., “Hybrid excitation control strategy of the synchronous condenser using differential geometry principle assisted with a PI controller,” in 2019 14th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications (ICIEA), Jun. 2019. doi: https://doi.org/10.1109/iciea.2019.8833793.
[25] W. M. KACEMI, E. BOUNADJA, and A. B. DJILALI, “DC Voltage Output Control of a Hybrid Synchronous Generator-based Wind Turbine,” International Journal of Advanced Natural Sciences and Engineering Researches, vol. 7, no. 4, pp. 169–174, May 2023, doi: https://doi.org/10.59287/ijanser.645.
[26] A. Mseddi, “Modélisation et commande d’un générateur éolien à double excitation isolé en vue de l’amélioration de son rendement et de la diminution de la fatigue mécanique,” 2019. Accessed: Jul. 12, 2023.
[Online]. Available: https://theses.hal.science/tel02888660
[27] B. J. Parvat and S. D. Ratnaparkhi, “A Second Order Sliding Mode Controller Applications in Industrial Process,” International Journal of Engineering Trends and Technology, vol. 19, no. 4, pp. 217–222, Jan. 2015, doi: https://doi.org/10.14445/22315381/ijett-v19p238.
[28] Ferhat Bodur and O. Kaplan, “Second-Order Sliding Mode Control Algorithms in DC/DC Buck Converter,” in 10th International Conference on Smart Grid (icSmartGrid), Jun. 2022. doi: https://doi.org/10.1109/icsmartgrid55722.2022.9848696.
[29] D. Castellanos-Cárdenas, F. Castrillón, R. E. Vásquez, N. L. Posada, and O. Camacho, “A new Sliding Mode Control tuning approach for second-order inverse-response plus variable dead time processes,” Journal of Process Control, vol. 115, pp. 77–88, Jul. 2022, doi: https://doi.org/10.1016/j.jprocont.2022.05.001.
[30] M. Vásquez, J. Yanascual, M. Herrera, A. Prado, and O. Camacho, “A hybrid sliding mode control based on a nonlinear PID surface for nonlinear chemical processes,” Engineering Science and Technology, an International Journal, vol. 40, pp. 101361–101361, Apr. 2023, doi: https://doi.org/10.1016/j.jestch.2023.101361.

Jeśli masz wykupiony/przyznany dostęp - zaloguj się. Skorzystaj z naszych propozycji zakupu!

Publikacja


PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY- e-publikacja (pdf) z zeszytu 2024-4 , nr katalogowy 148108 licencja: Osobista Produkt cyfrowy Nowość	10.00 zł

Zeszyt


PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY- e-zeszyt (pdf) 2024-4 licencja: Osobista Produkt cyfrowy Nowość	85.00 zł

Prenumerata

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - prenumerata cyfrowa
licencja: Osobista

Produkt cyfrowy
Nowość

762.00 zł

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - PAKIET prenumerata PLUS
licencja: Osobista

Szczegóły pakietu

Nazwa
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - PAKIET prenumerata PLUS (Prenumerata papierowa + dostęp do portalu sigma-not.pl + e-prenumerata)	1002.00 zł brutto 927.78 zł netto 74.22 zł VAT (stawka VAT 8%)

1002.00 zł

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - papierowa prenumerata roczna + wysyłka
licencja: Osobista

Szczegóły pakietu

Nazwa
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - papierowa prenumerata roczna	960.00 zł brutto 888.89 zł netto 71.11 zł VAT (stawka VAT 8%)
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - pakowanie i wysyłka	42.00 zł brutto 34.15 zł netto 7.85 zł VAT (stawka VAT 23%)

1002.00 zł

Zeszyt

2024-4

Twój Koszyk

Publikacja

Zeszyt

Prenumerata

Zeszyt

Czasopisma