Scholars' MineMasters Theses Studen

Scholars' Mine
Masters Theses Student Research & Creative Works
Spring 2012
Enabling frequency and voltage regulation in
microgrids using wind power plants
Anshuman Shrikant Vaidya
Follow this and additional works at: http://scholarsmine.mst.edu/masters_theses
Department:
This Thesis - Open Access is brought to you for free and open access by the Student Research & Creative Works at Scholars' Mine. It has been accepted
for inclusion in Masters Theses by an authorized administrator of Scholars' Mine. For more information, please contact [e-mail].
Recommended Citation
Vaidya, Anshuman Shrikant, "Enabling frequency and voltage regulation in microgrids using wind power plants" (2012).Masters
Theses. Paper 5145.





ENABLING FREQUENCY AND VOLTAGE REGULATION IN MICROGRIDS
USING WIND POWER PLANTS



by


ANSHUMAN SHRIKANT VAIDYA


A THESIS


Presented to the Faculty of the Graduate School of the

MISSOURI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

In Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree


MASTER OF SCIENCE IN ELECTRICAL ENGINEERING



2012

Approved by

Badrul H. Chowdhury, Advisor
Mehdi Ferdowsi,
Mariesa L. Crow




























 2012
Anshuman Shrikant Vaidya
All Rights Reserved

iii
ABSTRACT
Renewable energy sources, like wind can be used to augment the grid-friendly
services in the form of additional active and reactive power for control of frequency and
voltage regulation. Currently, wind power systems are operated in simple energy supply
mode and are not utilized to participate in ancillary power services. With the increase in
the installed wind power capacity, limited conventional generation and increasing interest
in microgrids, the necessity to implement regulation support from wind energy becomes
critical.
This thesis focuses on the effect of enabling frequency and voltage regulation
capability in wind power plants in a microgrid environment. This thesis investigates the
active and reactive power capability of a wind power plant and a model of the wind
turbine with the ability to control the output power is developed in Simulink. A microgrid
control model is also developed for distributing the load variations in the system between
the conventional and wind power generators according to their rated capacity. The aim of
this control strategy is to maintain the system frequency and voltages at critical buses
within safe operating limits when the microgrid is operating in islanded mode. The aim of
this strategy is also to command the required active and reactive power from wind power
plants when operating in parallel with the grid. A comparison of system voltage and
frequency is done to show the effectiveness of allowing the participation of wind power
plants in regulation mode when compared with the present operating mode where wind
power plants must operate at maximum active power. Lastly, a study on determining a
suitable generation mix for the microgrid is carried out with the load and wind variation
data from two different locations in Texas and California. This study helps to determine
the amount of wind power that can be delivered into the system under the new regulating
mode without compromising on the reliability and integrity of the system.

iv
ACKNOWLEDGMENTS
I sincerely extend my thanks to my advisor Dr. Badrul Chowdhury for his support
and invaluable guidance. This thesis would not have been possible without his patience
and firm belief in me. I am also grateful to the Intelligent System Center (ISC) for
providing me with a research assistantship during the course of my graduate studies.
I would also like to thank Dr. Mehdi Ferdowsi and Dr. Mariesa Crow for serving
on my graduate committee. I am grateful to all my friends and research associates who
have made my stay in Rolla a pleasant one.
Finally, I would like to dedicate this thesis to my loving parents Mr Shrikant
Anant Vaidya and Mrs Sujata Vaidya; my late grandmother Meera Vaidya, and my
sisters Devayani and Swati, who have always been a great source of inspiration and
encouragement for my higher education.

v
TABLE OF CONTENTS
Page
ABSTRACT ....................................................................................................................... iii
ACKNOWLEDGMENTS ................................................................................................ iv
LIST OF ILLUSTRATIONS.......................................................................................... viii
LIST OF TABLES .............................................................................................................. x
NOMENCLATURE .......................................................................................................... xi
SECTION
1. INTRODUCTION ...................................................................................................... 1
1.1. INTRODUCTION .............................................................................................. 1
1.2. OBJECTIVE ....................................................................................................... 2
1.3. LITERATURE REVIEW ................................................................................... 4
1.4. THESIS OUTLINE ............................................................................................. 7
2. WIND POWER GENERATION IN POWER SYSTEM .......................................... 9
2.1. INTRODUCTION .............................................................................................. 9
2.2. DFIG WIND POWER ...................................................................................... 10
2.2.1. DFIG Control ......................................................................................... 12
2.2.2. Generator Side Converter Control .......................................................... 13
2.2.3. Grid Side Converter Control .................................................................. 14
2.2.4. Capability of Doubly Fed Induction Generator ...................................... 14
2.2.4.1 DFIG two port model ..................................................................15
2.2.4.2 Rotor current limitation...............................................................16
2.2.4.3 Rotor voltage limitation ..............................................................18
2.2.4.4 Stator current limitation ..............................................................19
3. MICROGRID ........................................................................................................... 22
3.1. INTRODUCTION ............................................................................................ 22
3.1.1. Synchronous Generator Modelling ........................................................ 24
3.1.2. Wind Power Plant Modelling ................................................................. 24
3.1.2.1 Wind turbine modelling ..............................................................25
3.1.2.2 DFIG modelling ..........................................................................26

vi
3.1.2.3 Grid side converter modelling ....................................................26
3.1.2.4 Rotor side converter modelling ...................................................28
3.1.2.5 Pitch angle control ......................................................................29
4. FREQUENCY AND VOLTAGE CONTROL IN MICROGRID ........................... 31
4.1. OBJECTIVES IN MICROGRID CONTROL .................................................. 31
4.2. FREQUENCY CONTROL ............................................................................... 31
4.2.1. Introduction ............................................................................................ 31
4.2.2. Droop Control ......................................................................................... 33
4.2.3. Hysteresis Control for Wind Generation ................................................ 34
4.3. VOLTAGE CONTROL .................................................................................... 37
4.3.1. Introduction ............................................................................................ 37
4.3.2. Excitation System ................................................................................... 37
4.3.3. Voltage Control in Wind Power Plant .................................................... 37
5. MICROGRID TEST SYSTEM ................................................................................ 39
5.1. INTRODUCTION ............................................................................................ 39
5.2. TEST SYSTEM - ONE LINE DIAGRAM ...................................................... 39
5.2.1. The Test System ..................................................................................... 41
5.2.2. Controller Testing on Microgrid Model ................................................. 42
5.3. MICROGRID STUDY ..................................................................................... 45
5.3.1. Wind and Load Variations from Texas .................................................. 45
5.3.2. Wind and Load Variations from California ........................................... 50
5.3.3. Study Methodology ................................................................................ 55
5.3.4. Study Results .......................................................................................... 55
5.3.5. Observations ........................................................................................... 61
5.3.5.1 Effect of wind participation on frequency. .................................61
5.3.5.2 Variation of frequency with configurations. ...............................68
5.3.5.3 Voltage prof

Kết quả (Việt) 1:

Học giả mỏThạc sĩ luận văn sinh viên nghiên cứu & công trình sáng tạoMùa xuân 2012Cho phép tần số và quy định điện áp trongSempra bằng cách sử dụng nhà máy điện gióAnshuman phong VaidyaThực hiện theo điều này và các công trình bổ sung tại: http://scholarsmine.mst.edu/masters_thesesBộ phận:Luận án này - truy cập mở mang đến cho bạn miễn phí và mở quyền truy cập của sinh viên nghiên cứu và các công trình sáng tạo tại học giả mỏ. Nó đã được chấp nhậnđể đưa vào đề tài Thạc sĩ bởi người quản trị được ủy quyền của học giả mỏ. Để biết thêm chi tiết, xin vui lòng liên hệ với [e-mail]ích dẫn được đề nghịVaidya, Anshuman phượng, "Cho phép quy định tần số và điện áp tại Sempra bằng cách sử dụng nhà máy điện gió" (2012). Thạc sĩĐề tài. Giấy 5145. CHO PHÉP TẦN SỐ VÀ ĐIỆN ÁP QUY ĐỊNH TRONG SEMPRA BẰNG CÁCH SỬ DỤNG NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ bởi ANSHUMAN PHONG VAIDYA MỘT LUẬN ÁN Giới thiệu cho các giảng viên của trường đại học các ĐẠI HỌC MISSOURI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Trong một phần thực hiện các yêu cầu cho mức độ THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN 2012 Sự chấp thuận của Badrul H. Chowdhury, cố vấn Mehdi Ferdowsi, Mariesa L. Crow  2012 Anshuman phong Vaidya Tất cả các quyền III TÓM TẮT Nguồn năng lượng tái tạo, như gió có thể được sử dụng để tăng cường mạng lưới thân thiện Dịch vụ trong các hình thức năng lượng hoạt động và phản ứng bổ sung để kiểm soát tần số và quy định điện áp. Hiện nay, Hệ thống điện gió đang hoạt động tại cung cấp năng lượng đơn giản chế độ và là không sử dụng để tham gia vào dịch vụ phụ trợ điện. Với sự gia tăng Gió đã cài đặt điện công suất, giới hạn thông thường hệ và quan tâm ngày càng tăng trong Sempra, sẽ trở thành sự cần thiết để thực hiện quy định hỗ trợ từ năng lượng gió quan trọng. Luận án này tập trung vào các hiệu ứng tạo điều kiện cho quy định tần số và điện áp khả năng ở nhà máy điện gió trong một môi trường microgrid. Luận án này điều tra các khả năng hoạt động và phản ứng của một nhà máy điện gió và một mô hình của Gió tua-bin với khả năng kiểm soát sức mạnh sản lượng được phát triển trong Simulink. Một microgrid Mô hình kiểm soát cũng được phát triển để phân phối các biến thể tải trong hệ thống giữa Các thông thường và gió máy phát điện theo khả năng đánh giá cao của họ. Mục đích của chiến lược kiểm soát này là để duy trì hệ thống tần số và điện áp lúc xe buýt quan trọng giới hạn an toàn hoạt động khi microgrid đang hoạt động trong chế độ islanded. Mục đích của chiến lược này là cũng chỉ huy yêu cầu hoạt động và phản ứng điện từ năng lượng gió nhà máy khi hoạt động song song với lưới điện. Một so sánh các hệ thống điện áp và tần số được thực hiện để hiển thị hiệu quả cho phép sự tham gia của năng lượng gió nhà máy ở chế độ quy định khi so sánh với chế độ hoạt động hiện tại nơi Gió nhà máy điện phải hoạt động ở công suất hoạt động tối đa. Cuối cùng, một nghiên cứu về xác định một kết hợp thế hệ thích hợp cho microgrid được thực hiện với các biến thể tải và Gió dữ liệu từ hai địa điểm khác nhau ở Texas và California. Nghiên cứu này sẽ giúp để xác định số lượng điện gió có thể được giao vào hệ thống theo quy định mới chế độ mà không ảnh hưởng đến độ tin cậy và tính toàn vẹn của hệ thống. IV ACKNOWLEDGMENTS Tôi chân thành mở rộng cảm ơn của tôi để cố vấn của tôi tiến sĩ Badrul Chowdhury cho hỗ trợ của mình và vô giá hướng dẫn. Luận án này sẽ không có được thể mà không có sự kiên nhẫn của ông và các niềm tin vững chắc trong tôi. Tôi cũng biết ơn đến các hệ thống thông minh Trung tâm (ISC) cho cung cấp cho tôi với một assistantship nghiên cứu trong quá trình nghiên cứu sau đại học của tôi. Tôi cũng muốn cảm ơn tiến sĩ Mehdi Ferdowsi và tiến sĩ Mariesa Crow đã phục vụ Ủy ban sau đại học của tôi. Tôi biết ơn đến tất cả các bạn bè của tôi và nghiên cứu kết hợp những người đã thực hiện khách sạn ở Rolla một dễ chịu. Cuối cùng, tôi muốn dành luận án này mẹ yêu thương ông phượng Anant Vaidya và bà Sujata Vaidya; Meera Vaidya, bà cuối của tôi và của tôi chị em Devayani và Swati, những người luôn luôn có là một nguồn cảm hứng và khuyến khích cho giáo dục của tôi. v BẢNG NỘI DUNG Trang ABSTRACT ....................................................................................................................... iii ACKNOWLEDGMENTS ................................................................................................ iv LIST OF ILLUSTRATIONS.......................................................................................... viii LIST OF TABLES .............................................................................................................. x NOMENCLATURE .......................................................................................................... xi PHẦN 1. INTRODUCTION ...................................................................................................... 1 1.1. INTRODUCTION .............................................................................................. 1 1.2. OBJECTIVE ....................................................................................................... 2 1.3. LITERATURE REVIEW ................................................................................... 4 1.4. THESIS OUTLINE ............................................................................................. 7 2. GIÓ PHÁT ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN... 9 2.1. INTRODUCTION .............................................................................................. 9 2.2. DFIG WIND POWER ...................................................................................... 10 2.2.1. DFIG Control ......................................................................................... 12 2.2.2. máy phát điện phụ chuyển đổi kiểm soát... 13 2.2.3. lưới bên chuyển đổi kiểm soát... 14 2.2.4. khả năng gấp đôi Fed cảm ứng máy phát điện... 14 2.2.4.1 DFIG hai cảng mô hình... 15 2.2.4.2 cánh quạt giới hạn hiện tại... 16 2.2.4.3 các giới hạn áp cánh quạt... 18 2.2.4.4 stator hiện tại giới hạn... 19 3. MICROGRID ........................................................................................................... 22 3.1. INTRODUCTION ............................................................................................ 22 3.1.1. đồng bộ máy phát điện mô hình... 24 3.1.2. gió mô hình nhà máy điện... 24 3.1.2.1 gió tuabin mô hình... 25 3.1.2.2 DFIG modelling .......................................................................... 26 vi 3.1.2.3 lưới bên chuyển đổi mô hình... 26 3.1.2.4 cánh quạt bên chuyển đổi mô hình... 28 3.1.2.5 các điều khiển góc sân... 29 4. TẦN SỐ VÀ ĐIỆN ÁP KIỂM SOÁT TRONG MICROGRID... 31 4.1. MỤC TIÊU KIỂM SOÁT MICROGRID... 31 4.2. FREQUENCY CONTROL ............................................................................... 31 4.2.1. Introduction ............................................................................................ 31 4.2.2. Droop Control ......................................................................................... 33 4.2.3. hysteresis các điều khiển cho gió thế hệ... 34 4.3. VOLTAGE CONTROL .................................................................................... 37 4.3.1. Introduction ............................................................................................ 37 4.3.2. Excitation System ................................................................................... 37 4.3.3. điện áp các điều khiển nhà máy điện gió... 37 5. MICROGRID TEST SYSTEM ................................................................................ 39 5.1. INTRODUCTION ............................................................................................ 39 5.2. THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG - MỘT DÒNG SƠ ĐỒ... 39 5.2.1. The Test System ..................................................................................... 41 5.2.2. thử nghiệm trên Microgrid mô hình điều khiển... 42 5.3. MICROGRID STUDY ..................................................................................... 45 5.3.1. gió và tải các biến thể từ Texas... 45 5.3.2. gió và tải các biến thể từ California... 50 5.3.3. Study Methodology ................................................................................ 55 5.3.4. Study Results .......................................................................................... 55 5.3.5. Observations ........................................................................................... 61 5.3.5.1 các ảnh hưởng của gió tham gia trên tần số. ................................. 61 5.3.5.2 các biến thể của tần số với cấu hình. ............................... 68 5.3.5.3 giáo sư điện áp

Kết quả (Việt) 2:

Mine học giả '
Masters Đề tài Nghiên cứu Sinh viên & Creative trình
Spring 2012
Cho phép tần số và điện áp quy định trong
microgrids sử dụng các nhà máy điện gió
Anshuman Shrikant Vaidya
theo này và thêm các công việc tại: http://scholarsmine.mst.edu/masters_theses
Bộ:
Luận văn này - mở Truy cập được mang đến cho bạn miễn phí và truy cập bởi các nghiên cứu & Sáng tạo trình Student tại Mine Scholars '. Nó đã được chấp nhận
để đưa vào Masters Luận cương bởi một quản trị viên có thẩm quyền của Mine Scholars '. Để biết thêm thông tin, xin vui lòng liên hệ với [e-mail].
Đề Citation
Vaidya, Anshuman Shrikant, "Cho phép tần số và điện áp quy định trong microgrids sử dụng các nhà máy điện gió" (2012) .Masters
Luận cương. Giấy 5145. Tạo khả TẦN VÀ ÁP QUY CHẾ TẠI MICROGRIDS SỬ DỤNG CÂY WIND ĐIỆN bởi ANSHUMAN Shrikant Vaidya A LUẬN ÁN Trình bày cho các khoa của trường đại học của Trường Đại học MISSOURI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Trong Fulfillment từng phần của các yêu cầu đối với Bằng Thạc sĩ Khoa học ĐIỆN ENGINEERING 2012 được phê duyệt bởi Badrul H. Chowdhury, Cố vấn Mehdi Ferdowsi, Mariesa L. Crow 2012  Anshuman Shrikant Vaidya All Rights Reserved iii TÓM TẮT nguồn năng lượng tái tạo, như gió có thể được sử dụng để tăng cường cho lưới điện thân thiện với dịch vụ theo hình thức bổ sung tích cực và công suất phản kháng để kiểm soát tần số và điện áp quy định. Hiện nay, hệ thống điện gió đang hoạt động trong cung cấp năng lượng đơn giản chế độ và không được sử dụng để tham gia vào các dịch vụ điện phụ trợ. Với sự gia tăng công suất điện gió được lắp đặt, hạn chế thế hệ thông thường và quan tâm ngày càng tăng trong microgrids, sự cần thiết để thực hiện hỗ trợ quy định từ năng lượng gió trở nên quan trọng. Luận án này tập trung vào hiệu quả của phép điều chỉnh tần số và điện áp năng lực trong các nhà máy điện gió trong một môi trường microgrid. Luận án này điều tra khả năng hoạt động quyền lực và phản ứng của nhà máy điện gió và một mô hình của gió tuabin với khả năng kiểm soát công suất ra được phát triển trong Simulink. Một microgrid mô hình điều khiển cũng được phát triển để phân phối các biến thể tải trong hệ thống giữa các máy phát điện thông thường và năng lượng gió theo năng lực đánh giá của họ. Mục tiêu của chiến lược này là để duy trì kiểm soát tần số hệ thống và điện áp tại xe buýt quan trọng trong giới hạn hoạt động an toàn khi microgrid đang hoạt động ở chế độ islanded. Mục tiêu của chiến lược này cũng là để chỉ huy các yêu cầu điện năng hoạt động và phản ứng từ sức gió nhà máy khi hoạt động song song với lưới điện. Một so sánh các hệ thống điện áp và tần số được thực hiện để thấy hiệu quả của việc cho phép sự tham gia của năng lượng gió nhà máy ở chế độ quy định khi so sánh với các chế độ hoạt động hiện tại nơi gió nhà máy điện phải hoạt động với công suất hoạt động tối đa. Cuối cùng, một nghiên cứu về xác định một hỗn hợp thế hệ thích hợp cho các microgrid được tiến hành với tải trọng gió và biến đổi dữ liệu từ hai địa điểm khác nhau tại Texas và California. Nghiên cứu này giúp xác định lượng điện gió có thể được đưa vào hệ thống dưới sự điều tiết mới chế độ mà không làm ảnh hưởng đến độ tin cậy và tính toàn vẹn của hệ thống. iv LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn của tôi để cố vấn của tôi Tiến sĩ Badrul Chowdhury đã hỗ trợ và hướng dẫn vô giá. Luận án này sẽ không thể thực hiện được nếu không kiên nhẫn và niềm tin vững chắc trong tôi. Tôi cũng biết ơn các Intelligent System Center (ISC) để cung cấp cho tôi với một Trợ lý nghiên cứu trong quá trình nghiên cứu sau đại học của tôi. Tôi cũng muốn cảm ơn Tiến sĩ Mehdi Ferdowsi và Tiến sĩ Mariesa Crow để phục vụ trong ủy ban cao học của tôi. Tôi biết ơn tất cả bạn bè của tôi và các cộng sự nghiên cứu những người đã làm cho tôi ở Rolla là dễ chịu. Cuối cùng, tôi muốn dành luận án này cho cha mẹ yêu thương của tôi ông Shrikant Anant Vaidya và bà Sujata Vaidya; bà quá cố của tôi Meera Vaidya, và tôi chị em Devayani và Swati, những người đã luôn luôn là một nguồn tuyệt vời của cảm hứng và động viên cho tôi cao hơn giáo dục. v MỤC LỤC Trang TÓM TẮT iii LỜI CẢM TẠ ................................................ ................................................ iv DANH HÀNH viii DANH SÁCH CÁC BẢNG x Danh mục này xi PHẦN 1. GIỚI THIỆU 1 1.1. GIỚI THIỆU ................................................. ............................................. 1 1.2. MỤC TIÊU 2 1.3. VĂN HỌC ĐÁNH GIÁ ................................................ ................................... 4 1.4. LUẬN CƯƠNG ................................................ ............................................. 7 2. WIND ĐIỆN GENERATION TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN .......................................... 9 2.1. GIỚI THIỆU ................................................. ............................................. 9 2.2. DFIG WIND ĐIỆN ............................................... ....................................... 10 2.2.1. DFIG khiển ................................................ ......................................... 12 2.2.2. Generator Side Chuyển đổi điều khiển .............................................. ............ 13 2.2.3. Lưới Side Chuyển đổi điều khiển .............................................. .................... 14 2.2.4. Khả năng lợi đôi Fed cảm ứng Generator ...................................... 14 2.2.4.1 DFIG hai mô hình cổng ................................................ .................. 15 2.2.4.2 Rotor hạn chế hiện nay ......................... ...................................... 16 2.2.4.3 giới hạn điện áp Rotor ..... .................................................. ....... 18 2.2.4.4 Stator giới hạn hiện tại .................................... .......................... 19 3. MICROGRID 22 3.1. GIỚI THIỆU ................................................. ........................................... 22 3.1.1. Synchronous Generator Modelling ............................................... ......... 24 3.1.2. Wind Power Plant Modelling .............................................. ................... 24 3.1.2.1 gió mô hình tuabin ........................ ...................................... 25 3.1.2.2 DFIG mô hình ...... .................................................. .................. 26 vi mô hình chuyển đổi bên 3.1.2.3 Lưới ....................... ............................. 26 3.1.2.4 Rotor mô hình chuyển đổi bên ............. ...................................... 28 3.1.2.5 Pitch kiểm soát góc ..... .................................................. ............... 29 4. TẦN VÀ KIỂM SOÁT ÁP TRÊN MICROGRID ........................... 31 4.1. MỤC TIÊU TRONG MICROGRID KIỂM SOÁT .............................................. .... 31 4.2. KIỂM SOÁT TẦN ................................................ ............................... 31 4.2.1. Giới thiệu ................................................. ........................................... 31 4.2.2. Cụp khiển ................................................ ......................................... 33 4.2.3. Điều khiển trễ cho gió thế hệ ............................................. ... 34 4.3. KIỂM SOÁT ÁP ................................................ .................................... 37 4.3.1. Giới thiệu ................................................. ........................................... 37 4.3.2. Hệ thống kích từ ................................................ ................................... 37 4.3.3. Điều khiển điện áp ở nhà máy điện gió ............................................ ........ 37 5. MICROGRID HỆ THỐNG KIỂM TRA .................................... ............................................ 39 5.1. GIỚI THIỆU ................................................. ........................................... 39 5.2. HỆ THỐNG KIỂM TRA - ONE DÒNG SƠ ĐỒ ............................................ .......... 39 5.2.1. Các thử nghiệm hệ thống ............................................... ...................................... 41 5.2.2. Bộ điều khiển thử nghiệm trên Microgrid mẫu ............................................. .... 42 5.3. MICROGRID NGHIÊN CỨU ................................................ ..................................... 45 5.3.1. Gió và Load Variations từ Texas ............................................ ...... 45 5.3.2. Gió và Load biến từ California ........................................... 50 5.3.3. Phương pháp nghiên cứu ................................................ ................................ 55 5.3.4. Kết quả nghiên cứu ................................................ .......................................... 55 5.3.5. Quan sát ................................................. .......................................... 61 5.3.5.1 Ảnh hưởng của sự tham gia của gió vào tần số. ................................. 61 5.3.5.2 Biến đổi của tần số với các cấu hình. ............................... 68 5.3.5.3 Voltage prof