Strategies for improving the efficiency and grid-connection stability of power converters for wind energy systems

Abstract

La energía eólica es una de las principales fuentes de generación renovable, una tecnología que continúa expandiéndose gracias a la reducción de costes y a la mayor concienciación ambiental de la sociedad. Esta expansión a nivel mundial está provocando que las turbinas eólicas se conecten a redes débiles, que plantean nuevos problemas de estabilidad. Asimismo, para continuar avanzando en la reducción del coste de la energía generada, la eficiencia de los sistemas de generación eólica, y consecuentemente del convertidor de potencia, se convierte en un aspecto clave. Por ultimo, existe una tendencia entre los principales fabricantes de aerogeneradores a incrementar el tamaño de las turbinas, aprovechando las economías de escala existentes. Esta tendencia está forzando a buscar nuevas estructuras de conversión para estas turbinas que alcanzan hoy en día los 9 MW. Dentro de este contexto general, en esta tesis se abordan las siguientes líneas de investigación: - Modelo detallado de los lazos de control de un convertidor de conexión a red. - Mejora de la respuesta din amica del convertidor. - Mejora de la estabilidad y de la eficiencia de convertidores de conexión a red al amortiguar el filtro de salida mediante el control. - Incremento de la eficiencia gracias a la utilización de modulaciones específicas para convertidores eólicos. - Análisis de las estructuras de conversión para turbinas eólicas de gran potencia y extensión a estos sistemas de las técnicas anteriores.

Wind power is one of the most extensive renewable energies, which continues to grow, powered by the cost reduction of the technology and a greater societal environmental awareness. This worldwide expansion brings new challenges, such as the connection of wind turbines to weak grids, raising new stability issues. In addition, the e ciency of wind energy conversion systems, and consequently, of the power converter, becomes a key aspect to keep reducing the cost of energy. The last challenge to be highlighted is the increase of the rated power of the agship wind turbines among the main manufacturers. This tendency is behind the interest of developing new conversion structures for modern wind turbines, which already reach 9 MW. In this general context, the general research lines are: - Detailed modeling of the control loops of a grid connected power converter. - Improvement of the converter's dynamic response. - Enhancement of the stability and e ciency of grid-connected power converters by damping the output lter through control techniques. - Increasing the system e ciency by using speci c modulations for power converters used in wind energy conversion systems. - Analysis of the conversion structures for high power wind turbines and extension of the previous techniques to these systems.