Startup, control and operation of a multi-modular axial flux permanent magnet synchronous machine prototype intended to work in a back-to-back configuration connected to the grid

The aim of this thesis is to implement and test the control of a multi-modular axial flux permanent magnet synchronous machine prototype, that is intended to be directly driven by a wind turbine and connected to the grid through the back-to-back configuration. To this end, the laboratory set up comprises a machine-side converter that controls the speed of the machine and the voltage of the machine-side DC buses (one for each module, connected in series among them); and a grid-side converter that controls the voltage of the grid-side DC bus. In this thesis, the implementation of the control is carried out in stages, according to the different control loops the back-to-back configuration comprises. The correct operation of each control loop is verified independently in the laboratory. More precisely, the speed control is tested on the synchronous machine working as a motor; the machine-side DC bus voltage control is verified by charging the DC bus in a controlled way through the synchronous machine working as a generator; and the grid-side DC bus voltage control by charging the DC bus through the grid. For each stage or test, the next methodology is followed: first, the regulators are designed; then, the system is simulated to verify their effectiveness; and finally, the control is implemented in the laboratory and the results are corroborated with the physical equations that model the system. The speed and the machine-side DC voltage control were successfully implemented in the laboratory, meanwhile the control of the grid-side DC voltage was only designed and simulated. By analyzing the simulated results, two improvements were proposed for the grid-side system. On the one hand, a novel double voltage regulator for unstable systems was proposed, which reduced the overshoot of the DC voltage when the converter was turned on and hence avoided the implementation of the soft insertion method, which was proven to have a great dependence on the insertion time. On the other hand, the grid current harmonic content was drastically reduced by adding a transformer to interface the grid-side LC filter with the distribution grid.

Questa tesi mira ad implementare e testare il controllo di un prototipo di macchina multi-modulare sincrona a magneti permanenti a flusso assiale, la quale è destinata ad essere azionata direttamente da una turbina eolica e connessa a rete tramite la configurazione “back-to-back”. A questo proposito, l’impostazione del laboratorio comprende un convertitore lato-macchina che controlla la velocità e la tensione dei DC bus lato-macchina (uno per ciascun modulo, connessi in serie tra di loro); e un convertitore lato-rete che controlla la tensione del DC bus lato-rete. L’implementazione del controllo è eseguita in fasi, a seconda dei diversi anelli di controllo che la configurazione back-to-back comprende. La corretta operazione di ciascun anello è verificata in laboratorio indipendentemente. In particolare, il controllo della velocità è testato sulla macchina sincrona operata da motore; il controllo della tensione dei DC bus lato-macchina è verificato caricando il DC bus in maniera controllata tramite la macchina sincrona operata da generatore; ed il controllo della tensione DC bus lato-rete caricando il DC bus tramite la rete. Per ciascuna fase, la metodologia utilizzata è: in primis, si progettano i regolatori; di seguito, si esegue una simulazione per verificare la loro efficacia; e per concludere, si implementa il controllo in laboratorio ed i risultati sono avvalorati con le equazioni fisiche che modellano il sistema. Il controllo della velocità e della tensione del DC bus lato-macchina sono stati implementati con successo in laboratorio, mentre il controllo della tensione DC lato-rete è stato solo progettato e simulato. Analizzando i risultati simulati, sono stati proposti due miglioramenti per quanto riguarda il sistema lato-rete. Da un lato, è stato proposto un innovativo regolatore di tensione doppio per sistemi instabili, il quale riduce i picchi di tensione DC quando il convertitore si accende e quindi evita la realizzazione del metodo “soft insertion”, il quale ha una grande dipendenza dal tempo d’inserzione. Dall’altra parte, il contenuto armonico della corrente di rete è stato ridotto aggiungendo un trasformatore per interfacciare il filtro LC lato-rete con la rete di distribuzione.