Modeling and Control of an Electromechanical System with a Permanent Magnet Generator and a Voltage Source Converter

Abstract

На основі математичних моделей структурних елементів розроблено імітаційні моделі для аналізу характеристик і перехідних процесів електромеханічних систем побудованих на основі електричного генератора на постійних магнітах (ГПМ) змінної частоти обертання і напівпровідникового регулятора (НР) напруги, що виконаний за схемою трифазного автономного інвертора напруги. На підключене до кола постійного струму кероване резистивне навантаження покладено функцію стабілізації напруги в колі постійного струму системи для моделювання режиму генерації активної потужності в мережу через мережевий інвертор. Розглянуто два варіанти реалізації алгоритму відпрацювання оптимальної траєкторії руху в координатах аеродинамічна потужність – частота обертання приводної вітротурбіни ГПМ, які повинні забезпечувати максимізацію відбору потужності від турбіни. З використанням розроблених імітаційних моделей досліджено електромеханічні процеси в системі ГПМ-НР при змінній потужності приводної турбіни за векторного керування електромагнітним моментом генератора. За результатами чисельних досліджень проведено аналіз електромеханічних процесів в системі і порівняння ефективності застосування запропонованих алгоритмів.

In the paper simulation dynamic models for the analysis of characteristics and transients of electromechanical system using a permanent magnet electric generator (PMG) connected to a variable speed fixed pitch wind turbine (WT) and a voltage source converter (VSC) mathematical models are developed. The system supplies a direct current (dc) resistive load through a controlled switch. The objective of the controlled resistive load connected to the VSC dc circuit of the system is to perform the dc output voltage stabilization for simulating the mode of generating the active power into a grid via a grid invertor. Two algorithm structures of realization of tracking the optimal WT motion trajectory in the coordinates “WT aerodynamical power – rotary speed” have been considered. The tracking algorithms function is to provide the maximization of power extraction from wind flow by WT. Electromechanical processes in the PMG – VSC system for both tracking algorithms have been investigated using developed dynamic simulation models and vector control technique of electromagnetic torque of the generator at variable WT mechanical power. The results of numerical investigations of the electromagnetic processes in the system have been analized. The efficiencies of the proposed control algorithms applied to the VSC in the considered electromechanical system have been compared and discussed.