NON-LINEAR ADAPTIVE CONTROL OF SQUIRREL CAGE INDUCTION MACHINES USED IN WIND ENERGY CONVERSION SYSTEMS

Abstract

Abstract: Electric machines are used for the conversion of energy in most industrial, commercial and residential applications. They are essential elements in wind turbines that convert the mechanical energy of the wind into electrical energy. The squirrel cage induction machine is used in wind turbines because of its numerous advantages. It is robust, simple in design and affordable compared to other alternatives such as doubly-fed induction machines and permanent magnet synchronous generators. An adequate control system is necessary for wind turbines to extract the maximum wind energy and to adapt electric power to the load. Various industrial control systems are used for wind turbines that use the induction machine. This includes the field oriented control method that uses PI controllers and the direct torque control method which uses hysteresis controllers. The main drawback of conventional control systems for wind power generators is the deterioration of transient and steady state performances with the change of operating conditions. Due to the unpredictable nature of wind speed, such vast changes in operating points are inevitable. The stabilization time for the control system can be long. The steady state errors are not always zero. The deterioration of performance is due to several simplifying assumptions while designing the controller. One assumption is the local linearization of the nonlinear structure of the induction machine and the uncertainty of the machine parameters with the change in operating points. This thesis proposes a non-linear adaptive control algorithm for a wind turbine energy conversion system that uses an induction machine. The structure and equations of the control system will be obtained from the nonlinear model of the machine. The state feedback linearization method will be used for the design. An adaptation module will be included to ensure that the system stability is sensitive of parameter variation. The control system will be tested in simulation using Simulink Power systems Toolbox in Matlab. Different wind conditions will be considered to validate the system performance. Résumé: Les machines électriques sont utilisées pour la conversion d'énergie dans la plupart des applications industrielles, commerciales et résidentielles. Ce sont des éléments essentiels dans les éoliennes qui transforment l'énergie mécanique du vent en énergie électrique. La machine à induction de cage d'écureuil est utilisée dans les éoliennes en raison de ses nombreux avantages. Il est robuste, de conception simple et abordable par rapport à d'autres solutions de rechange, telles que les machines à induction doublement alimentées et les générateurs synchrones à aimants permanents. Un système de contrôle adéquat est nécessaire pour que les éoliennes puissent extraire l'énergie éolienne maximale et adapter l'alimentation électrique à la charge. Divers systèmes de contrôle industriels sont utilisés pour les éoliennes qui utilisent la machine à induction. Cela inclut la méthode du flux orienté qui utilise les contrôleurs PI et la méthode de contrôle direct du couple qui utilise des contrôleurs d'hystérésis. Le principal inconvénient des systèmes de contrôle conventionnels pour les générateurs d'énergie éolienne est la détérioration des performances transitoire et en régime permanent avec le changement de conditions de fonctionnement. En raison de la nature imprévisible de la vitesse du vent, de tels changements importants dans les conditions de fonctionnement sont inévitables. Le temps de stabilisation pour le système de contrôle peut être long. Les erreurs en régime permanent ne sont pas toujours nulles. La détérioration de la performance est due à plusieurs hypothèses simplifiées lors de la conception du contrôleur. Une hypothèse est la linéarisation locale de la structure non linéaire de la machine à induction et l'incertitude des paramètres de la machine avec la variation des points d’opération. Cette thèse propose un algorithme de contrôle adaptatif non linéaire pour un système de conversion d'énergie éolienne utilisant une machine à induction. La structure et les équations du système de contrôle seront obtenues à partir du modèle non linéaire de la machine. La méthode de linéarisation par retour d'état sera utilisée pour la conception. Un module d'adaptation sera inclus afin de s'assurer que la stabilité du système est sensible aux variations de paramètres. Le système de contrôle sera testé en simulation à l'aide du logiciel de simulation SimPowerSystems de Matlab. Différentes conditions de vent seront considérées pour valider les performances du système.