Advanced wind turbine electro-mechanical modelling including asymmetries for power system dynamic analysis

Abstract

This thesis focuses in a detailed electromechanical model, as a DAE (Differential-Algebraic Equations) mathematical structure, in state variables. The model integrates, the 123 characteristics of the mechanical subsystem with large pre-bent blades, and the phases abc characteristics of the electric subsystem, including meaningful electromagnetic phenomena in large (MW) squirrel cage induction generators. These both side effects are applied to the wind turbine shaft system. The deterministic wind speed component is calculated using a feedback computational scheme, where gravitational, inertial and aerodynamic mechanical loads at each blade interact with the wind shear and tower transference. Wind shear includes atmospheric stability and tower transference parameters are computed considering the blade-tower geometry for an operative condition. This deterministic wind speed feeds the mechanical subsystem, as represented by a modified two-mass drive-train model, where the moment of inertia of the wind turbine rotor instead of a constant input is computed as blade length, mass-density and mechanical loading dependent. The induction generator, as represented in phase abc coordinates, involves also non-linear abc models for main path magnetic saturation, stator/rotor iron losses and deep-bar effect. If all these effects are partially or totally neglected, this thesis model reproduces the results of approximate models, as used in industrial tools. This detailed electromechanical modelling is intended to be useful to test industrial based power electronics models, control strategies and protection schemes. Research contributions are made for both subsystems.

Esta tesis se concentra en un modelo electro-mecánico detallado como una estructura matemática DAE (Differential-Algebraic Equations, por sus siglas en inglés), en variables de estado. El modelo integra, las características 123 del subsistema mecánico con palas largas y pre-curveadas, con las características de fases ABC del subsistema eléctrico, incluyendo fenómenos electromagnéticos significativos in generadores de inducción grandes (MW). Estos efectos desde ambos subsistemas, se aplican al sistema de ejes de la turbina eólica. Para la componente determinística de la velocidad del viento, las cargas gravitacional, inercial y aerodinámica sobre cada pala, interactúan con los efectos debidos a la altura y la transferencia de la torre. El efecto de la altura incluye la estabilidad atmosférica y los parámetros para el efecto de transferencia de la torre se calculan considerando la geometría pala-torre, para una condición operativa. Esta velocidad del viento alimenta el subsistema mecánico, representado por un modelo de dos-masas modificado, donde el momento de inercia del rotor de la turbine eólica en lugar de ser una entrada constante, se calcula como una función de la longitud de la pala, su densidad de masa y su cargabilidad mecánica. El generador de inducción se representa en coordenadas de fase ABC, e incluye modelos no-lineales para la saturación magnética de la ruta principal, perdidas en el hierro en estator y rotor, y el efecto de barra profunda. Si estos efectos se desprecian parcial o totalmente, el modelo produce los resultados de modelos aproximados de herramientas industriales. El modelamiento electromecánico detallado aquí propuesto, se concibe útil para la prueba de modelos que involucren equipos con base en electrónica de potencia, estrategias de control y esquemas de protección. Las contribuciones de esta investigación son hechas para ambos subsistemas mecánico y eléctrico.