Modeling and control of an autonomous wind energy generator based on a saturated squirrel cage induction machine

Facing the exhaustion of fossil energy resources and environmental problems caused by the exploitation of these resources, other alternative energy resources have been and should be developed. One alternative is to use renewable energy resources, which however show natural fluctuations of the main source. The production of electricity from wind energy knows a great soaring. Apart from of the central mass production, the small autonomous operating units are becoming increasingly popular in the case of the power-insulated site. Different electrical machines can be used to play the role of the electric generator. Regardless of the machine used, the functioning as an independent generator is characterized by constraints and specificities which differ from those encountered in the case of large wind farms. Indeed, the main concern of this operation is to maintain the amplitude and frequency of the voltage generated at constant values. Regardless of the rotational speed of the turbine and the power required. This requires the usage of other power sources or energy storage and particularly the development of a suitable control scheme. The autonomous generators and the fed loads are not always linear, so that the pure application of linear and the conventional control systems theory may not yield good and robust results. It would be appropriate to consider alternative control strategies, nonlinear, which would be more robust for the nonlinear model of the machine or nonlinear loads. The proposed thesis work concerns the study and control of a chain of wind energy conversion to arrive to an electrical energy autonomous system with a storage system in order to improve the power quality.

Di fronte all'esaurimento delle risorse energetiche fossili e ai problemi ambientali causati dallo sfruttamento di queste risorse, è indispensabile sviluppare altre risorse energetiche diverse. Un'alternativa in uso da parecchi anni è utilizzare le risorse energetiche rinnovabili, che tuttavia mostrano fluttuazioni naturali della sorgente principale. La produzione di energia elettrica da energia eolica ricade in questa categoria. Da anni vede un notevole aumento. Oltre alla produzione di energia in grandi centrali, piccole unità operative autonome di tipo eolico stanno diventando sempre più diffuse, specialmente nel caso utenze elettriche isolate. Diverse macchine elettriche possono essere utilizzate come generatore elettrico. Indipendentemente dal tipo di macchina utilizzata, il funzionamento come generatore indipendente è caratterizzato da vincoli e specificità che differiscono da quello di grandi parchi eolici connessi in rete. In effetti, l'obiettivo principale della funzionalità in isola è di mantenere l'ampiezza e la frequenza della tensione generata a valori il più possibile costanti, indipendentemente dalla velocità di rotazione della turbina e dalla potenza richiesta. Ciò richiede l'utilizzo di altre fonti di energia o di accumulo di energia e in particolare, lo sviluppo di un adeguato schema di controllo. Inoltre, i generatori autonomi e i carichi alimentati non hanno sempre un comportamento lineare, quindi la pura applicazione della teoria dei sistemi di controllo lineare e convenzionale potrebbe non risultare adeguata nelle svariate condizioni operative. Il lavoro di tesi proposto riguarda la modellazione, lo studio e il controllo di una catena di conversione dell'energia eolica per arrivare a un sistema autonomo di energia elettrica con la miglior qualità dell'energia e le migliori prestazioni del sistema. Vengono adottate svariate tecniche di controllo, incluse tecniche di controllo predittivo e tecniche fuzzy, oltre che analizzato l'accoppiamento meccanico ed elettrico con un sistema di accumulo energetico.