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Fault-Tolerant Predictive Control of PMSGs in Offshore Wind Turbines
| Summary: | As máquinas síncronas de ímanes permanentes (PMSMs) multifásicas são cada vez mais usadas na energia eólica offshore e em outras aplicações críticas, como aplicações aeroespaciais, aviação, e tração elétrica. A principal vantagem dessas máquinas é a possibilidade operá-las em condições pós-falha sem nenhum equipamento adicional. Esta tese tem como objetivo propor novas estratégias de controlo e novas estratégias de controlo tolerante a falhas para acionamentos elétricos baseados em geradores síncronos de ímanes permanentes (PMSGs) hexafásicos, tipicamente usados em turbinas eólicas offshore, para aumentar a disponibilidade do sistema. Devido à estrutura simples e excelente desempenho dinâmico, o controlo preditivo baseado em modelos de estados finitos (FCS-MPC) é adotado no sistema de controlo do acionamento elétrico considerado. Para simular o comportamento dinâmico do sistema em análise, foi desenvolvido um modelo matemático de uma PMSM hexafásica assimétrica, baseado na transformação de decomposição em espaço vetorial (VSD), para duas configurações dos enrolamentos estatóricos: dois pontos neutros isolados (2N) e um ponto neutro isolado (1N). Ao contrário de outras abordagens, este modelo inclui os harmónicos da força contraelectromotriz (back-EMF) para simular o comportamento do acionamento elétrico com maior exatidão. Devido à indisponibilidade comercial de máquinas multifásicas de baixa potência, este trabalho inclui o projeto eletromagnético de uma PMSM hexafásica de 4 kW. O processo analítico do projeto é apresentado juntamente com a discussão de algumas opções de projeto, como o arco dos ímanes permanentes e o passo das bobinas dos enrolamentos do estator. O desempenho do PMSM projetado é verificado através da análise de elementos finitos, e o impacto das diferentes opções de desenho é avaliado para operação em condições saudáveis e pós-falha. Relativamente ao controlo de acionamentos baseados em PMSMs hexafásicas, as estratégias FCS-MPC já disponíveis não minimizam os harmónicos das correntes da máquina. Assim, nesta tese são propostas duas novas estratégias FCS-MPC para acionamentos baseados em PMSMs hexafásicas que incluem os harmónicos dominantes da back-EMF no modelo de predição e minimizam as perdas no cobre da máquina. A primeira estratégia é denominada de controlo preditivo de corrente de duplo subespaço baseado em vetores virtuais, enquanto a segunda estratégia é denominada de controlo preditivo de corrente multiestágio baseado em vetores virtuais. Os resultados de simulação e experimentais obtidos com estas novas estratégias de controlo mostram um desempenho muito bom do acionamento elétrico com um baixo conteúdo harmónico da corrente. Apesar disso, a existência de erros inevitáveis nos parâmetros do modelo pode levar a erros de corrente em regime permanente. Embora as estratégias de FCS-MPC robustas existentes possam mitigar esses erros, estas não minimizam os harmónicos de corrente devido às dinâmicas não modeladas em acionamentos baseados em PMSMs hexafásicas, como os harmónicos da back-EMF e os efeitos do tempo morto nos semicondutores dos conversores de potência. Uma nova estratégia de controlo preditivo de corrente baseada num observador de perturbações é proposta neste trabalho para preencher esta lacuna na literatura. Os resultados obtidos com esta estratégia demonstram a sua eficácia na eliminação de erros de corrente em regime permanente e na minimização dos harmónicos da corrente, resolvendo assim problemas indesejados associados às estratégias FCS-MPC. Em relação ao diagnóstico de avarias no acionamento elétrico, as ligações de alta resistência (HRCs) são causadas por ligações danificadas ou mal apertadas nos terminais do estator da máquina e, se não detetadas num estágio inicial, podem resultar em avarias de fase aberta (OPFs). Nesse contexto, um novo método de diagnóstico para HRCs e OPFs, que não requer a instalação de sensores adicionais, é proposto para ser integrado em acionamentos elétricos controlados por estratégias de controlo preditivo de corrente. São apresentadas duas variantes do mesmo método de diagnóstico: a primeira é baseada nos erros de referência de corrente e a segunda é baseada nos erros de predição da corrente. Os resultados obtidos mostram a eficácia dos métodos propostos na deteção de HRCs e OPFs para diferentes condições de operação da PMSM. Embora já existam na literatura várias estratégias de controlo tolerante a falhas para acionamentos hexafásicos, estas requerem a alterações no modelo, sistema, função de custo, ou transformação VSD ao transitar de condições saudáveis para pós-falha. Nesta tese, são propostas duas novas estratégias de controlo preditivo de corrente tolerantes a falhas para operar o acionamento na configuração 2N ou 1N, exigindo uma reconfiguração mínima do controlo após a ocorrência da falha. Os resultados obtidos comprovam o bom funcionamento do acionamento em dois modos de operação pós-falha: perdas mínimas e binário máximo. |
|---|---|
| Main Authors: | Gonçalves, Pedro Filipe da Costa |
| Subject: | Controlo Preditivo Diagnóstico de falhas PMSGs Tolerância a Falhas Turbinas eólicas Fault diagnostic Fault tolerance PMSGs Predictive control Wind Turbine |
| Year: | 2022 |
| Country: | Portugal |
| Document type: | doctoral thesis |
| Access type: | embargoed access |
| Associated institution: | Universidade de Coimbra |
| Language: | English |
| Origin: | Estudo Geral - Universidade de Coimbra |
| Summary: | As máquinas síncronas de ímanes permanentes (PMSMs) multifásicas são cada vez mais usadas na energia eólica offshore e em outras aplicações críticas, como aplicações aeroespaciais, aviação, e tração elétrica. A principal vantagem dessas máquinas é a possibilidade operá-las em condições pós-falha sem nenhum equipamento adicional. Esta tese tem como objetivo propor novas estratégias de controlo e novas estratégias de controlo tolerante a falhas para acionamentos elétricos baseados em geradores síncronos de ímanes permanentes (PMSGs) hexafásicos, tipicamente usados em turbinas eólicas offshore, para aumentar a disponibilidade do sistema. Devido à estrutura simples e excelente desempenho dinâmico, o controlo preditivo baseado em modelos de estados finitos (FCS-MPC) é adotado no sistema de controlo do acionamento elétrico considerado. Para simular o comportamento dinâmico do sistema em análise, foi desenvolvido um modelo matemático de uma PMSM hexafásica assimétrica, baseado na transformação de decomposição em espaço vetorial (VSD), para duas configurações dos enrolamentos estatóricos: dois pontos neutros isolados (2N) e um ponto neutro isolado (1N). Ao contrário de outras abordagens, este modelo inclui os harmónicos da força contraelectromotriz (back-EMF) para simular o comportamento do acionamento elétrico com maior exatidão. Devido à indisponibilidade comercial de máquinas multifásicas de baixa potência, este trabalho inclui o projeto eletromagnético de uma PMSM hexafásica de 4 kW. O processo analítico do projeto é apresentado juntamente com a discussão de algumas opções de projeto, como o arco dos ímanes permanentes e o passo das bobinas dos enrolamentos do estator. O desempenho do PMSM projetado é verificado através da análise de elementos finitos, e o impacto das diferentes opções de desenho é avaliado para operação em condições saudáveis e pós-falha. Relativamente ao controlo de acionamentos baseados em PMSMs hexafásicas, as estratégias FCS-MPC já disponíveis não minimizam os harmónicos das correntes da máquina. Assim, nesta tese são propostas duas novas estratégias FCS-MPC para acionamentos baseados em PMSMs hexafásicas que incluem os harmónicos dominantes da back-EMF no modelo de predição e minimizam as perdas no cobre da máquina. A primeira estratégia é denominada de controlo preditivo de corrente de duplo subespaço baseado em vetores virtuais, enquanto a segunda estratégia é denominada de controlo preditivo de corrente multiestágio baseado em vetores virtuais. Os resultados de simulação e experimentais obtidos com estas novas estratégias de controlo mostram um desempenho muito bom do acionamento elétrico com um baixo conteúdo harmónico da corrente. Apesar disso, a existência de erros inevitáveis nos parâmetros do modelo pode levar a erros de corrente em regime permanente. Embora as estratégias de FCS-MPC robustas existentes possam mitigar esses erros, estas não minimizam os harmónicos de corrente devido às dinâmicas não modeladas em acionamentos baseados em PMSMs hexafásicas, como os harmónicos da back-EMF e os efeitos do tempo morto nos semicondutores dos conversores de potência. Uma nova estratégia de controlo preditivo de corrente baseada num observador de perturbações é proposta neste trabalho para preencher esta lacuna na literatura. Os resultados obtidos com esta estratégia demonstram a sua eficácia na eliminação de erros de corrente em regime permanente e na minimização dos harmónicos da corrente, resolvendo assim problemas indesejados associados às estratégias FCS-MPC. Em relação ao diagnóstico de avarias no acionamento elétrico, as ligações de alta resistência (HRCs) são causadas por ligações danificadas ou mal apertadas nos terminais do estator da máquina e, se não detetadas num estágio inicial, podem resultar em avarias de fase aberta (OPFs). Nesse contexto, um novo método de diagnóstico para HRCs e OPFs, que não requer a instalação de sensores adicionais, é proposto para ser integrado em acionamentos elétricos controlados por estratégias de controlo preditivo de corrente. São apresentadas duas variantes do mesmo método de diagnóstico: a primeira é baseada nos erros de referência de corrente e a segunda é baseada nos erros de predição da corrente. Os resultados obtidos mostram a eficácia dos métodos propostos na deteção de HRCs e OPFs para diferentes condições de operação da PMSM. Embora já existam na literatura várias estratégias de controlo tolerante a falhas para acionamentos hexafásicos, estas requerem a alterações no modelo, sistema, função de custo, ou transformação VSD ao transitar de condições saudáveis para pós-falha. Nesta tese, são propostas duas novas estratégias de controlo preditivo de corrente tolerantes a falhas para operar o acionamento na configuração 2N ou 1N, exigindo uma reconfiguração mínima do controlo após a ocorrência da falha. Os resultados obtidos comprovam o bom funcionamento do acionamento em dois modos de operação pós-falha: perdas mínimas e binário máximo. |
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