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Title: Fault-Tolerant Permanent Magnet Synchronous Generator Drives for Wind Turbine Applications
Authors: Freire, Nuno Miguel Amaral 
Orientador: Cardoso, António João Marques
Keywords: Electrical drives; Fault diagnosis; Fault-tolerant systems; Permanent magnet synchronous generators; Power converters; Wind power generation
Issue Date: 23-Apr-2014
Citation: FREIRE, Nuno Miguel Amaral - Fault-tolerant permanent magnet synchronous generator drives for wind turbine applications. Coimbra : [s.n.], 2013. Tese de doutoramento. Disponível na WWW: http://hdl.handle.net/10316/24336
Abstract: This thesis intends to present new solutions for extending the reliability and availability levels of wind energy conversion systems based on permanent magnet synchronous generator (PMSG) drives. Therefore, fault-tolerant power converters for PMSG drives with the ability to handle open-circuit faults and current sensor faults are developed and proposed. By considering distinct control strategies, diagnostic techniques and converter topologies for post-fault operation, a wide range of solutions for fault-tolerant PMSG drive can be adopted with the contribution of this work. Firstly, taking into account that a standard PMSG drive is composed of two power converters in a back-to-back topology, four of the most broadly adopted control strategies for each converter are addressed in detail and their normal and faulty operation is analyzed by means of simulation and experimental results, permitting to verify the merits of each strategy under normal operation and to evaluate the fault impact. Having recognized that currents and reference voltages are suitable quantities to perform fault diagnosis, current- and voltage-based approaches are proposed in a total of six algorithms for open-circuit fault diagnosis and one algorithm for current sensor fault diagnosis. These techniques demonstrate high effectiveness and robustness, without requiring additional measurements or high computational effort. With the aim to handle open-circuit faults by employing non-redundant converters, alternative converter topologies and respective control strategies are necessary for post-fault operation. Accordingly, four topologies for post-fault operation are chosen and studied, and suitable control strategies are proposed. Once again, various control strategies are considered for each converter topology, and their performance is evaluated and compared by means of simulations and experiments. Finally, three fully-integrated fault-tolerant PMSG drives are suggested by taking into consideration their design, control system and real-time response.
Neste trabalho apresentam-se novas soluções para melhorar os níveis de fiabilidade e disponibilidade dos sistemas de conversão de energia eólica baseados em geradores síncronos de ímanes permanentes. Neste contexto, são propostos e desenvolvidos conversores de potência tolerantes a falhas com a capacidade de lidar com avarias de circuito aberto e avarias dos sensores de corrente. Considerando diferentes estratégias de controlo, técnicas de diagnóstico de avarias e topologias de conversores para funcionamento pós-falha, uma ampla gama de soluções para accionamentos baseados em geradores síncronos de ímanes permanentes tolerantes a falhas pode ser adoptada com a contribuição deste trabalho. Primeiramente, tendo em conta que um accionamento convencional baseado em geradores síncronos de ímanes permanentes é composto por dois conversores de potência, quatro das estratégias de controlo mais amplamente adoptados para cada conversor são abordadas em detalhe e o seu desempenho em funcionamento normal e em avaria é analisado através de resultados de simulação e experimentais, permitindo verificar os méritos de cada estratégia em funcionamento normal e também avaliar a influência das avarias. Tendo reconhecido que as correntes e tensões de referência são grandezas adequadas para efectuar o diagnóstico de avarias, abordagens baseadas nas correntes e tensões são propostas num total de seis algoritmos para diagnóstico de avarias de circuito aberto e um algoritmo para o diagnóstico de avarias em sensores de corrente. Estas técnicas demonstram elevada eficácia e robustez, sem sensores adicionais nem um elevado esforço computacional. Com o objectivo de lidar com avarias de circuito aberto usando conversores não redundantes, topologias alternativas e respectivas estratégias de controlo são necessários para o funcionamento pós-falha. Consequentemente, quatro topologias para operação pós-falha são escolhidas e estudadas, e estratégias de controlo adequadas são propostas. Diversas estratégias de controlo são considerados para cada topologia e o seu desempenho é avaliado e comparado com base em resultados de simulação e experimentais. Finalmente, três accionamentos tolerantes a falhas baseados em geradores síncronos de ímanes permanentes são sugeridos, tendo em consideração o dimensionamento dos componentes, o sistema de controlo integrado no controlador do accionamento, e a resposta em tempo real.
Description: Tese de doutoramento em Engenharia Electrotécnica e de Computadores apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra
URI: http://hdl.handle.net/10316/24336
Rights: embargoedAccess
Appears in Collections:FCTUC Eng.Electrotécnica - Teses de Doutoramento

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