Analysis of the control of a double-star PMS wind generator using series connected converters

With the aim of reducing costs and power losses in offshore Wind Energy Conversion Systems (WECSs), in this thesis is presented a novel hybrid converter topology. More specifically, a combined structure of a Voltage-Source Converter (VSC) connected in series with a six-pulse Diode Rectifier (DR) is linked with a double-star permanent magnet synchronous generator (2S-PMSG). In this way, the VSC is downsized compared to a typical fully active rectifier stage. Furthermore, the current harmonics introduced by the DR are not mitigated with large AC filters but adopting an appropriate control structure. In addition, other potential benefits comprise lower nacelle weight and smaller footprints. After a quick overview about multi-phase electrical machines, an accurate analysis of the system is presented. Then, the Model Based Design (MBD) approach is illustrated. In particular, two steps are performed: Model-in-the-loop (MIL) and Processor-in-the-loop (PIL) simulations. The effectiveness of the proposed control has been proven by means of the first one choosing Simulink as System Environment (SE). The second one, instead, is carried out by the use of the Texas Instrument LAUNCHXL-F28069M evaluation and development board. Finally, a possible configuration setup environment for a scale model has been proposed and validated. In conclusion, the proposed system configuration and its control model offer a very promising solution.

In questa tesi viene presentata una configurazione ibrida di convertitori di potenza, allo scopo di ridurre sia i costi sia le perdite nei parchi eolici (WECS) offshore. Più nel dettaglio, la soluzione prevede la combinazione di un convertitore VSC connesso in serie con un ponte a diodi (DR) a 6 impulsi connesso a un generatore sincrono a magneti permanenti a doppia stella. In questo modo, il dimensionamento in potenza richiesto al convertitore VSC risulta inferiore rispetto al caso più comune a convertitore unico. Inoltre, invece del classico utilizzo di grossi filtri AC, le armoniche di corrente causate dal funzionamento del DR sono mitigate adottando una appropriata strategia di controllo. Oltre a ciò, si ottiene una riduzione di ingombro e peso della strumentazione all’interno della navicella. Dopo una breve panoramica sulle macchine multifase viene presentata una accurata analisi del modello. In seguito, viene illustrato l’approccio denominato Model Based Design (MBD) e, in particolare, vengono applicate due sue fasi: le simulazioni Model-in-the-loop (MIL) e Processor-in-the-loop (PIL). Viene dunque verificata l’efficacia del controllo proposto: nel MIL attraverso Simulink mentre nel PIL tramite la scheda di sviluppo LAUNCHXL-F28069M progettata dalla Texas Instruments. In ultima analisi, viene proposto e validato un possibile setup per il modello in scala. In conclusione, la configurazione e il relativo controllo proposti risultano soluzioni promettenti.