Carrier signal control of sinusoidal PWM for higher quality waveforms for MM AFPMSG in WECSs

The thesis proposes a complete improved wind energy conversion system using group of two level converters instead of MLI. The machine understudy is a multimodular axial flux PMSG which is directly driven by the wind turbine. Each module of the machine is connected to a two-level converter with sinusoidal PWM. All the machine-side converters are connected either in series or parallel depending on the dc voltage level (i.e. parallel configuration for on-shore and series configuration for off-shore applications). Based on a detailed derivation, a phase shift is applied between the carrier signals of the neighbouring converters in order to cancel out targeted harmonics in the dc current, voltage and electromagnetic torque. This technique is called Sequential Command. Different aspects are analysed in this system: namely the control aspects of the converter both in case of parallel and series configurations. Moreover, a comparison between the proposed system and the Neutral point clamped (NPC) multi level converters is introduced. The proposed conversion scheme offers high redundancy, reliability and lower harmonic content compared to the multi-level converters NPC. The grid-side converters are a mirror image to the machine-side converters with the sequential command sinusoidal PWM. A proposed design for a multi-winding transformer is developed. The transformer design and modelling aspects are considered, and its performances are estimated, considering inverter command parameters, current waveforms, copper and core losses, accounting for the effects due to harmonics. Finally, torsional vibration problems are investigated for the machine-wind turbine drive train. Torsional mitigation technique based on the control of the carrier phase angle in the sinusoidalPWMis presented. Another method suited for existing ill-designed systems to avoid torsional vibrations excitation is also explained.

La tesi propone di utilizzare un sistema di conversione dell'energia eolica completamente migliorato gruppo di convertitori a due livelli anziché MLI. La macchina è un multimodulare flusso assiale PMSG azionato direttamente dalla turbina eolica. Ogni modulo della macchina è collegato a un convertitore a due livelli con PWM sinusoidale. Tutti i i convertitori lato macchina sono collegati in serie o in parallelo a seconda del livello di tensione continua (ovvero configurazione parallela per configurazione on-shore e in serie per applicazioni offshore). Sulla base di una derivazione dettagliata, viene applicato uno sfasamento tra i segnali portanti dei convertitori vicini per annullare armoniche mirate in corrente continua, tensione e coppia elettromagnetica. Questa tecnica si chiama Comando sequenziale. Diversi aspetti sono analizzati in questo sistema: vale a dire gli aspetti di controllo di convertitore sia in caso di configurazioni parallele che in serie. Inoltre, un confronto tra il sistema proposto e il multi livello a punto neutro bloccato (NPC) viene introdotto il convertitore. Lo schema di conversione proposto offre un'elevata ridondanza, affidabilità e contenuto armonico inferiore rispetto al convertitore NPC multi-livello. I convertitori lato griglia sono un'immagine speculare dei convertitori lato macchina con il comando sequenziale PWM sinusoidale. Un design proposto per un avvolgimento multiplo il trasformatore è sviluppato. Vengono considerati gli aspetti di progettazione e modellazione del trasformatore, e le sue prestazioni sono stimate, considerando i parametri di comando dell'inverter, forme d'onda attuali, perdite di rame e di nucleo, tenendo conto degli effetti dovuti a armoniche. Infine, vengono studiati i problemi di vibrazione torsionale per la turbina eolica guidare il treno. Tecnica di mitigazione torsionale basata sul controllo del portatore presentato l'angolo di fase nella PWM sinusoidale. Un altro metodo adatto per esistenti sono anche spiegati sistemi mal progettati per evitare le vibrazioni torsionali.