Stability analysis of doubly-fed induction generator based wind turbine in grid-connected mode

The growing integration of wind power with conventional power system necessitates studying of the new dynamics that arising from wind penetration. Wind energy conversion system based on doubly-fed induction generator (DFIG) has become one of the most used technology. However, its effects on power system stability are still not fully explored. In this thesis, it has implemented a state space model for DFIG based wind turbine that is proved to be valid for both small-disturbance analysis and transient analysis. The model can be deemed a generic example that can be easily modified to consider a different mechanical system or type of control. The DFIG model was built in two forms: a reduced version in the form of Ordinary Differential Equations (ODE) model coded in MATLAB to perform modal analysis, and a full version realized Simulink/SimPowerSystems to carry out time-domain simulations. Small-disturbance stability is studied considering the ODE model, which is implemented for a distribution network by selecting the relevant dynamics and state variables for DFIGs, lines and loads. The model is validated with its dynamic response computed through the integration of differential equations. After its validation, the ODE model is linearized and the state matrix for the eigenvalues analysis is obtained. The evaluation of the oscillation frequency, the damping ratio and the participation factors of the correlated state variables allows a full description of the system modes. The results are confirmed by use of time-domain simulations executed with the full model. Small disturbances simulated consist of changes in the network’s topology that cause electromechanical oscillations. A method called Prony analysis is used to study the oscillations and the relative eigenvalues. Time-domain simulations are then carried out considering large disturbances to demonstrate that the model is expendable also for studying transient stability. This is true on condition that an alternative control scheme during faults and a protection system are added to the original model. Chinese standard requirements for Low Voltage Ride Through (LVRT) and crowbar system are considered. Limits to transient stability for single DFIG-infinite bus system are individuated alongside the critical factors.

Una produzione eolica sempre più in crescita rende necessario uno studio approfondito delle dinamiche dovute alla connessione delle centrali eoliche alla rete elettrica convenzionale. Ad oggi, nella conversione di energia eolica, una delle tipologie costruttive di aereogeneratore più diffuse è quella basata sul generatore asincrono a doppia alimentazione (DFIG). Tuttavia, gli effetti di questa turbina eolica sul sistema elettrico non sono ancora stati analizzati in modo esauriente. In questa tesi verrà implementato un modello in forma state-space di un aereogeneratore DFIG, dimostrato essere valido sia nell’analisi della stabilità locale o statica (per piccole perturbazioni) sia nell'analisi della stabilità transitoria (per grandi perturbazioni). Il modello DFIG verrà costruito in due forme: una versione semplificata, rappresentata da un sistema di equazioni differenziali ordinarie (ODE) ed implementata in MATLAB per l'analisi modale; una versione completa realizzata in Simulink/SimPowerSystems al fine di eseguire simulazioni nel dominio del tempo. La stabilità locale verrà studiata per una rete di distribuzione considerando il sistema di ODE, il quale include le dinamiche fondamentali e le relative variabili di stato per gli aereogeneratori DFIG, le linee e i carichi. La risposta dinamica del sistema, calcolata attraverso l'integrazione delle equazioni differenziali, verrà utilizzata per verificare la correttezza del modello. Il sistema di ODE è poi linearizzato ottenendo la matrice di stato per l'analisi degli autovalori. La valutazione della frequenza di oscillazione, del coefficiente di smorzamento e dei fattori di partecipazione delle variabili correlate, consentirà una descrizione completa dei modi del sistema. I risultati verranno validati con simulazioni nel dominio del tempo eseguite con il modello completo. In tali simulazioni, le piccole perturbazioni consisteranno in variazioni nella topologia della rete, responsabili di oscillazioni elettromeccaniche. Nello studio degli autovalori connessi a tali oscillazioni verrà impiegato il metodo di Prony. La stabilità transitoria sarà analizzata tramite il modello Simulink. Esso verrà opportunamente modificato in modo tale da includere uno schema di controllo alternativo per le condizioni di guasto e un sistema di protezione. A riguardo, saranno presi in considerazione le funzionalità LVRT (Low Voltage Ride Through) richieste dallo standard cinese e la protezione con crowbar. Prendendo in esame il modello del singolo aereogeneratore DFIG collegato alla rete esterna, verranno individuati i limiti alla stabilità transitoria ed i fattori critici connessi.