Enhancing The Performance Of Doubly-Fed Induction Generator-Based-Wind Energy System Using Optimization Methods / by Islam Ahmed Abd El-Hamid Sweed ; Under supervision of Prof. Dr. Doaa Khalil Ibrahim, Associate Prof. Dr. Tarek Abdelbadeaa Boghdady.

Thesis (M.Sc.)-Cairo University, 2023.

Bibliography: pages 61-68.

The generation of electrical power using sustainable sources of energy is
developing rapidly due to technological developments and increased global energy
demands. Therefore, large-scale wind farms are being connected directly to power
grids. The penetration levels of wind power in the power grid could be high. Many
countries have established new grid codes with technical rules to facilitate the operation
of new wind farms. However, the integration of wind farms into power systems presents
various challenges. One of these challenges is improving the performance of the Wind
Energy System (WES) to be more secure, competitive, and cost-effective.
Doubly-Fed Induction Generator (DFIG) is very popular in WES due to its
variable speed operation, low converter rating, and flexible control of its active and
reactive power. According to the DFIG concept, the induction generator is grid-
connected at the stator terminals, but the rotor terminals are connected to the grid via a
partial-load Variable Frequency Converter System (VFCS) AC/DC/AC converter and
a coupling transformer. When subjected to transient disturbances in the power grid, the
VFCS is the most sensitive part in the variable-speed wind turbine integrated with
Doubly-Fed Induction Generator-based-Wind Energy System (DFIG-based-WES).
The behavior of the VFCS and the associated wind energy system relies on the
performance of its control system. With well-designed controllers, it is possible to
increase the chance of the DFIG-based-WES remaining in service during grid
disturbances. The control of the VFCS includes the rotor side converter control system
and the grid side converter control system.
The VFCS is normally controlled by a set of Proportional-Integral (PI)
controllers. Tuning these PI controllers optimally is difficult due to the nonlinearity and
high complexity of the system. Researchers have utilized many objectives and various
optimization techniques to achieve optimal performance.
This thesis proposes a new design approach for the better dynamic behavior of
DFIG during different operating conditions by introducing a new multi-objective
formulation and utilizing various optimization techniques such as genetic algorithm,
crow search algorithm, grey wolf optimizer, and whale optimization algorithm.
Four PI controllers are optimized using the proposed multi-objective formulation
compared with a traditional objective function. Two are related to the rotor side
converter, named power regulator, and the main rotor side converter current regulator.
The other two PI controllers related to grid side converter are the DC-link voltage
regulator and the main grid-side converter current regulator.
A comparative study is carried out through normal and abnormal operating
conditions on a simulation model of a 6 MW wind farm using the Matlab/Simulink
software. This wind farm is located in Jabal Alzayt along the Red Sea Coast in Egypt
and is directly connected to the grid. The comparative analysis is based on time
response specifications such as maximum overshoot and settling time. The results
confirmed the effectiveness of the proposed multi-objective formulation approach
compared with the traditional objective formulation to find the optimal parameters of
the PI controllers and improve the performance of the DFIG-based-WES over a wide
range of operating conditions. Also, the proposed formulation succeeded to help the
DFIG-based-WES to agree with the Egyptian Grid Code during disturbances.

في الوقت الحاضر، تتمثل المهمة الصعبة في كيفية تعزيز أداء نظام طاقة الرياح ليكون أكثر تنافسية وأكثر قابلية للتطبيق اقتصادياً. ويعتقد معظم الباحثون أن إحدى أفضل الطرق لتحسين أداء المولد الحثي ثنائي التغذية القائم على نظام طاقة الرياح هو تحسين المتحكم التناسبي التكاملي الموجود بنظام المحول للترددات المتغيرة. وقد تم فى الدراسات السابقة تطبيق أهداف كثيرة وتقنيات أمثلة مختلفة بهدف الوصول إلى أفضل أداء، ولكن لكل اختيار مميزاته وعيوبه، وعليه فإن مجال البحث لا يزال مفتوحا للحصول على الأداء الأمثل.
ولذا، تقدم الرسالة نهجاً مقترحاً لتحسين أداء المتحكمات التناسبية التكاملية، وبالتالي تحسين أداء المولدات الحثية ثنائية التغذية بنظم طاقة الرياح في ظروف التشغيل المختلفة من خلال محورين رئيسين: الأول عن طريق إقتراح صيغة جديدة للهدف، والثاني عن طريق استخدام تقنيات الامثلة (خوارزمية بحث الغراب، خوارزمية الحوت، الخوارزمية الجينية، خوارزمية الذئب الرمادي) لتحديد أفضل معاملات للمتحكمات التناسبية التكاملية لكلاً من المحول الكتروني القوى الموجود بجانب الشبكة، والمحول الكتروني القوى الأخر الموجود بجانب الجزء الدوار.
وقد تم اختيار ونمذجة مزرعة رياح بقدرة 6 ميجاوات مرتبطة بشبكة الكهرباء المصرية العمومية بمنطقة جبل الزيت كنموذج للدراسة، وتم تقديم دراسة مستفيضة لطرق التحكم والنمذجه للنظام، ومن ثم تم استخدام تقنية تحكم المتجهات المتكامل مع المتحكمات التناسبية التكاملية. وقد تم التحقق من السلوك الديناميكي للنظام من خلال اختبار النظام في ظروف التشغيل المختلفة مثل اختلاف سرعة الرياح، وحدوث أعطال بأنواع مختلفة وبحيث تستمر لفترات مختلفة، وأيضا الهبوط في الجهد. وقد أثبتت نتائج الأختبارات المرضية التى تم الحصول عليها قدرة النظام على التكيف بسرعة والعودة إلى وضع الإستقرار بعد حدوث أى اضطراب.

Issued also as CD

Text in English and abstract in Arabic & English.