Impact of grid code on design of a directly grid-connected permanent magnet generator

Abstract

In this thesis the design characteristics of a direct-on-line (DOL) permanent magnet synchronous generator (PMSG) are investigated with respect to the European Union Com-mission Regulation (EU) 2016/631. The design characteristics are described by lumped parameters which can be regarded as a guideline or a goal for machine design. An overview of the Regulation is given, requirements that potentially cause constraints for the design are identified and necessary simulation scenarios are sorted out. A suitable simulation tool is created using MATLAB® and Simulink® and validated by reproducing the current waveform obtained from an incident in which a permanent magnet generator was connected to the grid in a phase opposition. The main results of this thesis are produced by simulations based on the findings in the overview of the Regulation.

It was found out that the voltage control requirements largely limit the practical usability of DOL PMSGs to the powerplant category B and below. The most interesting issue in the Regulation was identified as the fault-ride-through (FRT) requirement which states that generators in categories B, C and D should be capable of remaining grid connected and retaining synchronism in a specific type of fault. It was considered that the FRT capability would be beneficial also in category A. The fault-ride-through scenario was simulated repeatedly while varying the machine parameters and it was inspected whether the synchronism could be restored or not. Three different reference machines were included in the study. The sensitivity of the FRT performance to the different parameters was evaluated and suitable ranges for the parameters and general trends in the effects of the parameters were searched. It was found out that with a DOL PMSG it seems very difficult to achieve the FRT performance according to the regulation without a temporary pole slip. However, restoring synchronism is still possible because of the damper winding. Based on the simulations, assuming that the temporary pole slip can be tolerated, it was concluded that the most effective ways to improve the probability of restoring synchronism in the event of FRT with a DOL PMSG are minimizing the stator leakage inductance and focusing on finding optimal values for the damper winding resistances. Also, minimizing the damper winding leakage inductances is beneficial and inverse saliency may be preferred.

Diplomityössä tarkastellaan suoraan verkkoon liitettävän kestomagneettitahtigeneraattorin suunnittelulähtökohtia verraten asetukseen (EU) 2016/631. Suunnittelulähtökohtia edustavat tässä työssä sijaiskytkennän parametrit, joita voidaan pitää ohjeistavana tavoitteena koneen suunnittelussa. Työssä tehdään yleiskatsaus asetukseen, eritellään asetuksen vaatimukset, jotka voivat aiheuttaa rajoitteita koneen suunnitteluun ja selvitetään tarvittavat simulaatioskenaariot. Tarvittaviin simulaatioihin sopiva työkalu luodaan MATLAB®- ja Simulink®-ympäristössä ja validoidaan jäljentämällä virran aaltomuoto, joka oli mitattu tapauksessa, jossa generaattori kytkettiin verkkoon vaiheoppositiossa. Työn päätulokset on tuotettu simulaatioilla, jotka perustuvat asetuksesta tehtyihin havaintoihin.

Asetuksen yleiskatsauksessa todettiin, että jännitteensäätövaatimukset rajoittavat suoraan verkkoon liitettävien kestomagneettigeneraattorien soveltuvuuden käytännössä katsoen voimalaitosluokkaan B ja sen alapuolelle. Asetuksen kiinnostavimmaksi vaatimukseksi katsottiin lähivikakestoisuusvaatimus (vian läpiajo), jonka mukaan generaattorien luokissa B, C ja D tulee pystyä pysymään liitettynä verkkoon ja säilyttämään tahtikäyttö asetuksessa määritellyn kaltaisen vian ilmetessä. Lähivikakestoisuutta voidaan pitää hyödyllisenä myös luokassa A. Vian läpiajoa simuloitiin toistuvasti samalla muuttaen koneen parametrejä ja tarkastettiin, pystytäänkö tahtikäyttö palauttamaan vai ei. Tutkimuksessa käytettiin kolmea erilaista referenssikonetta. Vian läpiajon suorituskyvyn herkkyyttä eri parametreihin arvioitiin ja etsittiin soveltuvia vaihteluvälejä parametreille sekä yleisiä suuntauksia liittyen parametrien vaikutuksiin. Simulaatioista selvisi, että asetuksen mukaisen lähivikakestoisuuden saavuttaminen suoraan verkkoon liitettävällä kestomagneettigeneraattorilla vaikuttaa olevan hyvin haastavaa ilman hetkellistä navan luiskahdusta. Tahtikäytön palauttaminen on kuitenkin mahdollista vaimennuskäämityksen ansiosta. Työn johtopäätöksenä todettiin simulaatioihin perustuen, että tehokkaimmat keinot tahtikäytön palauttamiseksi vian läpiajossa ovat staattorin hajainduktanssin minimointi ja keskittyminen optimaalisten vaimennuskäämityksen resistanssiarvojen etsimiseen olettaen, että hetkellinen navan luiskahdus voidaan sietää. Myös vaimennuskäämityksen hajainduktanssien minimointi on hyödyllistä ja käänteinen tahti-induktanssisuhde voi olla eduksi.