Contribution of full converter wind turbines to power system during low voltage ride through
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Danilo Iglesias Brandão
Maria Helena Murta Vale
Heverton Augusto Pereira
Tiago de Sá Ferreira
Maria Helena Murta Vale
Heverton Augusto Pereira
Tiago de Sá Ferreira
Resumo
In recent years, the integration of renewable energy sources into the global energy matrix has
been driven by both economic and environmental factors, highlighting wind and solar
photovoltaic technologies. These technologies rely on power electronics for their integration
with the electrical grid, distinguishing them from conventional systems, particularly regarding
performance during momentary voltage sags, commonly known as Low Voltage Ride
Through (LVRT) events. Compared to synchronous generators, electronic converters have
limitations due to the characteristics of semiconductor devices, but they offer greater
flexibility in current synthesis. This study focuses on wind turbine technology with full power
converters due to their greater robustness against disturbances. To improve the operational
performance of this technology during voltage sags, the objective of this work is to propose
an active power saturation algorithm that prioritizes the following tasks: firstly, to meet grid
code requirements; secondly, to limit the converter current to its nominal value; thirdly, to
produce active power; and whenever possible, to compensate for instantaneous power
oscillations during asymmetric faults. The impact of instantaneous power oscillations on
electronic converters and the effects of mitigating these oscillations through the injection of
negative sequence currents on voltage support and power system operation during transients
were investigated. The propositions presented in this study were evaluated through case
studies using computational simulations of real systems. Initially, the implementation of the
proposed algorithm in a 2.1 MVA generation system was examined, and subsequently in a
73.5 MVA wind farm integrated into the standard WSCC 9-bus system. The models and
results showed that canceling instantaneous active power oscillations not only benefits the
electronic converter by reducing stress on semiconductor devices and capacitors but also
helps reduce voltage imbalance during asymmetric faults.
Abstract
Nos últimos anos, a integração de fontes de energia renovável na matriz energética global tem
sido impulsionada tanto por questões econômicas quanto ambientais, destacando-se as
tecnologias eólica e solar fotovoltaica. Essas tecnologias dependem da eletrônica de potência
para sua integração com a rede elétrica, diferenciando-as dos sistemas convencionais,
principalmente quanto ao desempenho durante afundamentos momentâneos de tensão,
comumente conhecidos como eventos de "Low Voltage Ride Through" (LVRT). Em
comparação com os geradores síncronos, os conversores eletrônicos possuem limitações
devido às características dos dispositivos semicondutores, mas apresentam maior flexibilidade
na síntese de corrente. Este estudo foca na tecnologia de turbinas eólicas com conversores de
potência plena, devido a maior robustez frente a distúrbios. Para melhorar o desempenho
operacional dessa tecnologia durante afundamentos de tensão, o objetivo deste trabalho é
propor um algoritmo de saturação de potência ativa que priorize as seguintes tarefas:
primeiro, atender aos requisitos do código de rede; segundo, limitar a corrente do conversor
ao seu valor nominal; terceiro, produzir potência ativa; e, sempre que possível, compensar
oscilações de potência instantâneas durante faltas assimétricas. Investigou-se o impacto das
oscilações instantâneas de potência nos conversores eletrônicos e os efeitos da mitigação
dessas oscilações, através da injeção de correntes de sequência negativa, no suporte de tensão
e na operação do sistema elétrico de potência durante transitórios. As proposições
apresentadas neste estudo foram avaliadas por meio de estudos de caso utilizando simulações
computacionais de sistemas reais. Inicialmente, examinou-se a implementação do algoritmo
proposto em um sistema de geração de 2,1[MVA], e posteriormente em uma fazenda eólica
de 73,5[MVA] integrada ao sistema padrão de 9 barras WSCC. Os modelos e resultados
mostraram que anular oscilações instantâneas de potência ativa não só beneficia o conversor
eletrônico, reduzindo o estresse nos dispositivos semicondutores e capacitores, como também
permite reduzir o desequilíbrio entre as tensões durante faltas assimétricas.
Assunto
Engenharia elétrica, Energia elétrica - Qualidade - Monitoração, Eletrônica de potência, Energia eólica
Palavras-chave
Grid-connected converters, Power quality, Reactive current injection, Voltage sag, Voltage support, Voltage ride through, Wind energy