Fault-Tolerant Predictive Control of PMSGs in Offshore Wind Turbines

Abstract

As máquinas síncronas de ímanes permanentes (PMSMs) multifásicas são cada vez mais usadas na energia eólica offshore e em outras aplicações críticas, como aplicações aeroespaciais, aviação, e tração elétrica. A principal vantagem dessas máquinas é a possibilidade operá-las em condições pós-falha sem nenhum equipamento adicional. Esta tese tem como objetivo propor novas estratégias de controlo e novas estratégias de controlo tolerante a falhas para acionamentos elétricos baseados em geradores síncronos de ímanes permanentes (PMSGs) hexafásicos, tipicamente usados em turbinas eólicas offshore, para aumentar a disponibilidade do sistema. Devido à estrutura simples e excelente desempenho dinâmico, o controlo preditivo baseado em modelos de estados finitos (FCS-MPC) é adotado no sistema de controlo do acionamento elétrico considerado. Para simular o comportamento dinâmico do sistema em análise, foi desenvolvido um modelo matemático de uma PMSM hexafásica assimétrica, baseado na transformação de decomposição em espaço vetorial (VSD), para duas configurações dos enrolamentos estatóricos: dois pontos neutros isolados (2N) e um ponto neutro isolado (1N). Ao contrário de outras abordagens, este modelo inclui os harmónicos da força contraelectromotriz (back-EMF) para simular o comportamento do acionamento elétrico com maior exatidão. Devido à indisponibilidade comercial de máquinas multifásicas de baixa potência, este trabalho inclui o projeto eletromagnético de uma PMSM hexafásica de 4 kW. O processo analítico do projeto é apresentado juntamente com a discussão de algumas opções de projeto, como o arco dos ímanes permanentes e o passo das bobinas dos enrolamentos do estator. O desempenho do PMSM projetado é verificado através da análise de elementos finitos, e o impacto das diferentes opções de desenho é avaliado para operação em condições saudáveis e pós-falha. Relativamente ao controlo de acionamentos baseados em PMSMs hexafásicas, as estratégias FCS-MPC já disponíveis não minimizam os harmónicos das correntes da máquina. Assim, nesta tese são propostas duas novas estratégias FCS-MPC para acionamentos baseados em PMSMs hexafásicas que incluem os harmónicos dominantes da back-EMF no modelo de predição e minimizam as perdas no cobre da máquina. A primeira estratégia é denominada de controlo preditivo de corrente de duplo subespaço baseado em vetores virtuais, enquanto a segunda estratégia é denominada de controlo preditivo de corrente multiestágio baseado em vetores virtuais. Os resultados de simulação e experimentais obtidos com estas novas estratégias de controlo mostram um desempenho muito bom do acionamento elétrico com um baixo conteúdo harmónico da corrente. Apesar disso, a existência de erros inevitáveis nos parâmetros do modelo pode levar a erros de corrente em regime permanente. Embora as estratégias de FCS-MPC robustas existentes possam mitigar esses erros, estas não minimizam os harmónicos de corrente devido às dinâmicas não modeladas em acionamentos baseados em PMSMs hexafásicas, como os harmónicos da back-EMF e os efeitos do tempo morto nos semicondutores dos conversores de potência. Uma nova estratégia de controlo preditivo de corrente baseada num observador de perturbações é proposta neste trabalho para preencher esta lacuna na literatura. Os resultados obtidos com esta estratégia demonstram a sua eficácia na eliminação de erros de corrente em regime permanente e na minimização dos harmónicos da corrente, resolvendo assim problemas indesejados associados às estratégias FCS-MPC. Em relação ao diagnóstico de avarias no acionamento elétrico, as ligações de alta resistência (HRCs) são causadas por ligações danificadas ou mal apertadas nos terminais do estator da máquina e, se não detetadas num estágio inicial, podem resultar em avarias de fase aberta (OPFs). Nesse contexto, um novo método de diagnóstico para HRCs e OPFs, que não requer a instalação de sensores adicionais, é proposto para ser integrado em acionamentos elétricos controlados por estratégias de controlo preditivo de corrente. São apresentadas duas variantes do mesmo método de diagnóstico: a primeira é baseada nos erros de referência de corrente e a segunda é baseada nos erros de predição da corrente. Os resultados obtidos mostram a eficácia dos métodos propostos na deteção de HRCs e OPFs para diferentes condições de operação da PMSM. Embora já existam na literatura várias estratégias de controlo tolerante a falhas para acionamentos hexafásicos, estas requerem a alterações no modelo, sistema, função de custo, ou transformação VSD ao transitar de condições saudáveis para pós-falha. Nesta tese, são propostas duas novas estratégias de controlo preditivo de corrente tolerantes a falhas para operar o acionamento na configuração 2N ou 1N, exigindo uma reconfiguração mínima do controlo após a ocorrência da falha. Os resultados obtidos comprovam o bom funcionamento do acionamento em dois modos de operação pós-falha: perdas mínimas e binário máximo.

Multiphase permanent magnet synchronous machine (PMSM) drives are increasingly used in offshore wind energy and in other critical applications such as aerospace, aircraft, and electrical traction applications. The main advantage of these machines is the possibility to operate them in post-fault conditions without any additional hardware. This thesis aims to propose new control algorithms and new fault-tolerant control strategies for electric drives based on six-phase permanent magnet synchronous generators (PMSGs), commonly used in offshore wind turbines, to increase system availability. Due to its simple structure and excellent dynamic performance, finite control set model predictive control (FCS-MPC) is adopted in the control system of the considered electric drive. To simulate the dynamic behavior of the system under analysis, a mathematical model of a six-phase asymmetrical PMSM, based on the vector space decomposition (VSD) transformation, was developed for two configurations of the stator windings: two isolated neutral points (2N) and single isolated neutral point (1N). Unlike other approaches, this model includes the back-electromotive force (back-EMF) harmonics to simulate the behavior of the electric drive more accurately. Due to the lack of commercially available low-power multiphase machines, the electromagnetic design of a 4 kW six-phase PMSM is included in this work. The analytical design process is presented along with the discussion of some design options, such as the permanent magnets span ratio and the pitch ratio of stator winding coils. The performance of the designed PMSM is verified through finite element analysis, and the impact of the different design options is evaluated for operation under healthy and post-fault operating conditions. Concerning the control of six-phase PMSM drives, prior FCS-MPC strategies cannot minimize the harmonic content of the machine currents. Thus, in this thesis two new FCS-MPC strategies are proposed for six-phase PMSM drives that include the dominant back-EMF harmonics in the prediction model and minimize the machine copper losses. The first strategy is named bi-subspace predictive current control based on virtual vectors, while the second strategy is named multistage predictive current control based on virtual vectors. The simulation and experimental results obtained with these new control strategies reveal a very good performance of the electric drive with a reduced current harmonic content. Despite that, the existence of unavoidable errors in the model parameters can lead to steady-state current errors. While previous robust FCS-MPC strategies can mitigate those errors, they cannot minimize current harmonics due to unmodelled dynamics in six-phase PMSM drives, such as the back-EMF harmonics and deadtime effects in the power converter switches. A new disturbance observer-based predictive current control strategy is proposed in this work to fill this gap in the literature. The results obtained with this strategy demonstrate its effectiveness in eliminating steady-state current errors and in minimizing current harmonics, thus solving unwanted problems associated with FCS-MPC strategies. Regarding the diagnosis of faults in the electric drive, high-resistance connections (HRCs) are caused by damaged or poorly tightened power connections at the machine stator terminals and, if not detected at an early stage, can lead to open phase faults (OPFs). In this context, a new diagnostic method for HRCs and OPFs, which does not require the installation of extra sensors, is proposed to be integrated into electric drives controlled by predictive current control strategies. Two variants of the same diagnostic method are presented: one based on the reference current errors and a second one based on the prediction current errors. The obtained results show the effectiveness of the proposed methods in detecting HRCs and OPFs for different PMSM operating conditions. Although there are already several fault-tolerant strategies for six-phase drives in the literature, they require changing the system model, the cost function, or the VSD transformation when transitioning from healthy to post-fault conditions. In this thesis, two new fault-tolerant predictive current control strategies are proposed to operate the drive in a 2N or a 1N configuration, requiring minimal control reconfiguration after the fault occurrence. The obtained results verify the good performance of the drive in two post-fault operating modes: minimum loss and maximum torque.