Back-to-Back Based Voltage Control of an Isolated Grid Supplied by a Hydro Turbine Driven Induction Generator

Abstract

Dagens samfunn er heilt avhengig av elektrisitetsforsyning. Samankopla transmisjonsnett er lett tilgjengelege over heile verda. Likevel, i rurale områder utan nokon form for eksisterande nettinfrastruktur, kan eit isolert nett vere ei moglegheit for elforsyning. Dette gjeld særleg i utviklingsland der eksisterande nettinfrastruktur gjerne er avgrensa. Utnytting av ei lokal fornybar energikjelde kan i seg sjølv vere ein annan motivasjon for å bygge eit isolert nett.

Utfordringa som denne masteroppgåva tar tak i er å designe eit kontrollsystem for eit isolert nett som er drive av ein induksjonsmaskin med kortslutningsrotor. Vasskraft er primærkjelda til dette systemet. Induksjonsmaskinen er svært mykje brukt som elektrisk motordrift til ulike føremål over heile verda. Den er lett tilgjengeleg i alle effektytingar. Maskinen sin enkle, men likevel robuste konstruksjon, gjer den billig samanlikna med alternativ slik som synkronmaskinen ved same effektyting.

Maksimal last for systemet er sett til å vere 1.5 kW i denne analysen. Det er forsøkt å finne den løysinga med ein induksjonsgenerator som gir best spenningskvalitet på lastsida, framfor å finne den mest kostnadseffektive metoden. Dermed er ein back-to-back omformar topologi brukt til å kople det mekaniske generatorturtalet og -frekvensen frå den elektriske frekvensen på lastsida. Mellom lasta og omformaren er det brukt eit passivt LCL-filter til å filtrere ut høgare ordens harmoniske komponentar.

Hensikten med systemet som inneheld induksjonsgeneratoren, back-to-back omformaren og det passive LCL-filteret er å vere i stand til å levere god spenningskvalitet. Den resulterande lastspenninga skal tilfredsstille dei norske krava til spenningskvalitet i lågspente nett gjeve i Forskrift om leveringskvalitet i kraftsystemet. Krava er 230 V +/- 3.0 % i RMS verdi og < 5.0 % total harmonisk forvrenging (THD) ved 50 Hz. Sjølv om desse krava er veldig strenge er dei valde som eit samanlikningsgrunnlag for spenningskvalitet.

Drifta av induksjonsgeneratoren er regulert til å halde straumen og effekten innanfor dei nominelle grensene. Dei kontrollmetodane for induksjonsmaskin (med kortslutta rotor) som er undersøkte her er V/f-kontroll (skalarmetoden) og indirekte vektorkontroll (IVC). Desse kontrollordningane har vorte bygde opp frå botn av og testa i Simulink. I tillegg inneheld Simulinkmodellen reguleringsystem for vassturbinen og lastside omformaren.

Ein einingsmodell (per unit) av ein induksjonsmaskin er laga, basert på eit sett av laboratoriemålingar på ein reell 1.5 kW induksjonsmaskin. Denne modellen er skalert til fem ulike effektytingar mellom 1.5 kW og 11 kW. Den nominelle straumen aukar med effektytinga på maskina. Dermed kan maskinen produsere større elektromagnetisk moment til å handtere plutselege laststeg. Innverknaden av totalt tregleiksmoment på akslingen er også undersøkt. Verknaden av å kople på eit svinghjul for å auke den tillate storleiken på laststega er også undersøkt. Basert på simuleringane er det anbefalt å bruke ein generator med nominell yting på 2.2 kW eller 3.0 kW, helst med eit ekstra svinghjul.

Resultata frå fem ulike simuleringstestar har vist fleire eigenskapar ved systemet og reguleringa av det. Hovudkonklusjonane er: Større tregleiksmoment vil tillate større laststeg i systemet, og dermed er betre stabilitet oppnådd. Ved å tilpasse LCL-filterdesignet til nominell lasteffekt og holde likestraumspenninga i omformaren konstant på referenasen sin, viser simuleringane at ei veldig god spenningskvalitet ved lasten er oppnådd. THD er rundt 1% og fase-nøytral RMS-spenninga er målt til 230 V ( +/- 0.15% spenningsavvik). Dermed, ved ei drift av systemet som oppretteheld likestraumspenninga, er systemet i stand til å levere ei høg spenningskvalitet til lasta.

Today’s society is totally dependent on supply of electric power. Interconnected transmission grids are widely available all over the world. However, in rural areas without any existing grid infrastructure, an isolated system can be an option for power supply. This is especially relevant for developing countries, where the availability of grid infrastructure is more limited. Utilization of a local renewable energy resource, can by itself be another motivation for applying an isolated power system.

The topic of this Master’s Thesis has been to utilize common available products and design a proper control system for an isolated hydro power system. The squirrel cage induction machines are the most commonly used electric machine for drives applications worldwide and is thus easily available in all power ranges. Their simple construction makes them cheap compared to alternatives such as the synchronous machine at the same power rating. Maximum load demand of the system is set to be 1.5 kW in this analysis. The investigation strives to find the best solution with respect to load voltage quality in the case of using a squirrel cage induction machine rather than the most cost-effective solution. Thus, a back-to-back topology is used to decouple the mechanical speed from the load frequency. At the load side of the converter, a tuned passive LCL-filter is used to filter out higher order harmonic components.

The system containing the induction machine, back-to-back converter and the passive LCL-filter, should be able to deliver a good voltage quality. The resulting load voltage should satisfy the Norwegian quality requirements for low voltage grids, given in Forskrift om leveringskvalitet i kraftsystemet. The requirements are 230 V +/- 3.0% in RMS-value and < 5.0% total harmonic distortion (THD) at 50 Hz. Even though these requirements are very strict, they are chosen as a basis for comparing the voltage quality.

The operation of the induction generator is controlled to keep the current and power within the rated limits. The investigated control methods for a squirrel cage induction machine are V/f-control (scalar method) and indirect vector control (IVC). These schemes have been build from scratch, and their performance is tested in Simulink. In addition, the Simulink model contains the control systems of the hydro turbine governor and the load voltage controller.

A per unit model of a squirrel cage induction machine is build, based on a set of lab-measurements. This model is scaled to fit five different power ratings between 1.5 kW and 11 kW. The nominal current is increasing with the power rating, and hence the machine can produce a larger electromagnetic torque to handle sudden load steps. The influence of total moment of inertia at the shaft is also investigated. The effect of adding a flywheel to increase the size of allowed load steps (disturbances) while keeping stable system operation, is also investigated. It is recommended to use a generator with a rated power of 2.2 kW or 3.0 kW, preferably with an additional flywheel.

Results from five different simulation tests have highlighted several characteristics of the system and its control. The main conclusions are: Larger moment of inertia allows application of larger load steps (i.e. the increased moment of inertia achieves better stability). With a proper LCL-filter design and assuming the DC-link voltage in the converter is maintained at its reference, the simulations produced a very good load voltage quality. The THD is in the range of 1%and phase-to-neutral RMS voltage is 230 V (+/- 0.15% voltage deviation). Thus, operating the system in a way that maintains the DC-link voltage, makes the system able to achieve a very good voltage quality at the load side.