sliding mode control of the stand alone wound rotor synchronous generator

171 Pages·2010·12.15 MB·English

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the name of the author
TECHNICALUNIVERSITYOFCATALONIA
DoctorateProgram:
ADVANCEDAUTOMATIONANDROBOTICS
PhDThesis
SLIDING MODE CONTROL OF THE STAND ALONE
WOUND ROTOR SYNCHRONOUS GENERATOR
RaúlSantiagoMuñoz Aguilar
Advisers:
Enric FossasColet
ArnauDòria Cerezo
Institute ofIndustrial andControlEngineering
May26,2010
II
To my family
III
IV
Acknowledgments
Unas cuantas líneas es poco para agradecer la compañía, apoyo, formación y guía de
tantaspersonasquemehanayudado aalcanzarestameta.
Primero quiero dar gracias a Dios, Señor y dador de vida por todos los regalos y
bendiciones recibidas. A mi familia por su formación, apoyo y preocupación en cada
momento. A mi esposa por estar siempre a mi lado y soportar todas las restricciones que
imponen ladedicaciónauna tesis;porla compañíay elapoyoentodo sentido.
Pasandoalámbitoprofesional,diversaspersonashanmarcadomividaymehanhecho
enamorardelaciencia. Inicialmente,enlaUniversidadNacionaldeColombiavariospro-
fesoresmehanmostradolabellezadelasmáquinaseléctricas(JorgeFernandoGutiérrez),
laelectrónicadepotencia(EduardoAntonioCano)yelControl(FabiolaAngulo),gracias
por mostrarme éste lindo camino, creer en mí y proyectarme hacia un futuro. Durante la
Maestría, Fabiola me dió la oportunidad de hacer una estancia en España, en el grupo de
investigación ACES, ahí conocí a Enric Fossas que me apoyó para seguir el doctorado y
meayudóaconseguirlabeca. Graciasporlaoportunidad.
Másadelante,EnricFossasyArnauDòriameenseñaronlaimportanciadeargumentar
matemáticamente el comportamineto de los sistemas, el por qué se presentan diferentes
fenómenos y el cómo analizarlo. Pero no solo eso, también cosas básicas como escribir
adecuadamente, que no es nada fácil para un ingeniero. Además, me apoyaron en los
momentos difíciles y se preocuparon por mi. Muchas gracias por todo, por soportarme,
confiar en mí, darme esta oportunidad y valorar mi trabajo. Gracias por aceptar mis
erroresycorregirme.
En el IOC y en Barcelona han habido profesores, compañeros, amigos, personas que
me han dado una palabra, un consejo, o simplemente la compañía en el momento opor-
tuno. Son tantas que si las quisiera mencionar a todas seguro olvido a alguien. Así, que
V
solomencionaréalgunos,graciasa: Robert,Domingo,Rafel,Enric,Henry,Alex,Nacho,
Guille,....
Quiero agradecer a Rafel Cardoner y Enric Miró por su gran ayuda en el montaje de
laparteexperimental delatesis.
TambiénquierodarlemuchasgraciasaKasia,porsuayudaconlasncorreccionesdel
Inglés.
En el Departamento de Ingeniería Eléctrica me dieron la oportunidad de entrar como
profesor ayudante y de pertenecer a SEER, en especial gracias a Pedro por dejarme
pertenecer al grupo. A los consejos de Iñaki, y la compañia de Alvaro, Joan, Gerardo,
DanielyJuanRamón.
I would like to express my gratitude to Prof. Vadim I. Utkin for its comments during
thecontroller designandexperimental steps.
VI
Abstract
The control of the stand-alone the wound rotor synchronous generator has been analyzed
in this dissertation. For this islanded configuration, the mechanical speed determines
the frequency, and the rotor voltage is used to set the stator voltage amplitude. Due to
the electrical time constant is so fast compared with the mechanical time constants, the
mechanical speed was considered constant and externally regulated and the research was
focusedonthe statorvoltage amplitude regulation.
Four different controllers based on sliding mode control techniques were designed in
the dq reference frame. The obtained control laws regulate the stator voltage amplitude
irrespectivelyoftheloadvalue. Furthermore,onlyvoltageandrotorpositionmeasures(to
compute the dq transformation), are required. The stability of the obtained equilibrium
pointswasproved atleastusing small-signalanalysis.
Simulationandexperimentalvalidationofeachcontrollercontainingseveralscenarios
werecarriedout. Theobtainedresultsvalidatethedesignsandshowthemainadvantages
anddisadvantagesofeachclosedloop system.
VII
VIII
Contents
Acknowledgments V
Abstract VII
Contents IX
ListofFigures XII
ListofTables XVI
Acronyms XVII
Glossaryofsymbols XVIII
1 Introduction 1
1.1 Motivation and antecedents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Sliding mode control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1 Mathematicalremarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Thesisobjectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 Main contributions oftheThesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5 Publications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.6 Thesisorganization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2 Modelingofastand-alonewoundrotor synchronousgenerator 11
2.1 Generalized modelofanelectricalmachine . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Three-phasemodelofawound rotorsynchronous machine . . . . . . . . 12
2.3 Thedq-transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4 Modelofawound rotorsynchronous machine inαβ-coordinates . . . . . 15
IX