Details
| Autor: | Chester Ditmanson |
| Titel: | Development of a Distributed Control System for a Novel Modular Wind Turbine Drive |
| Typ: | Dissertation |
| Fachgebiet: | Elektrotechnik |
| Auflage: | 1 |
| Sprache: | Englisch |
| Erscheinungsdatum: | 22.09.2017 |
| Lieferstatus: | lieferbar |
| Umfang: | 152 Seiten |
| Bindung: | Soft |
| Preis: | 59,00 EUR |
| ISBN: | 9783959470179 |
| Umschlag: | (vorn) |
| Inhaltsverzeichnis: | (pdf) |
Abstrakt in Englisch
In this work, the development of an electronic control system for a novel, highly modular, direct-drive wind turbine power converter and generator system is presented. The novel system features a flux-switching permanent magnet generator and the converter is composed of up to 12 parallel-connected low-voltage back-to-back two-level voltage source converters. The developed control system should equip each converter module with a local control platform, and a central control platform should perform central coordination tasks, including a novel multilevel modulation scheme of the grid-side converters. Other requirements for the control system include a high grid-side control frequency (24 kHz), and use of 100BASE-TX Ethernet equipment for communications. The system should both support fault-tolerance of the converter modules and be itself fault tolerant. For fault tolerance, it was chosen to implement a second, redundant central control platform which can immediately assume control of the system if it detects a failure of the active one.
Solutions in the literature all feature a lower number of modules, or a lower required control frequency. Most literature focuses on the ring network topology for scalability, but the high latency in a ring network is not compatible with a high module number and, simultaneously, a high control frequency. The literature on using Ethernet as a converter-internal communications medium is also scarce, although Ethernet for industrial fieldbus and motion control systems is well established. However, the latter are not optimal for use within a converter, since the performance of these solutions is insufficient for a power electronics system regarding determinism, latency, and synchronization. Regarding the redundant central controller, no literature was found addressing this in the context of a multi-module converter.
A solution was proposed here with a novel, light-weight Ethernet protocol. The proposed protocol operates by each platform continually re-transmitting small 40 byte packets at intervals of 5 μs to each directly connected communications partner. Advantages of this scheme include: low FPGA resource utilization, an inherent lost link watchdog capability, low latency, inherent communications reliability, and support for a novel synchronization scheme.
An in-depth analysis of synchronization among control platforms and the derivation of the novel synchronization scheme are another important contribution of this work. The novel synchronization scheme exploits the periodic transmission of the Ethernet packets to communicate timing information; the scheme limits synchronization error to 50 ns. Results of extensive testing are shown which verify that this synchronization error is always maintained, even after fail-over events to the redundant central controller.
The proposed solution was demonstrated to successfully control a 500 kW and a 3 MW test stand. It was demonstrated how the system continues operation without pause for failures of the active central controller or of local controllers or modules. The methods presented, as well as the analysis on synchronization, could be useful for other power electronics systems with distributed controllers.
Abstrakt in Deutsch
In dieser Arbeit wird die Entwicklung einer Ansteuerelektronik für einen neuartigen Antrieb inklusive Generator sowie Umrichter für eine direktangetriebene Windenergieanlage vorgestellt. Der neuartige Antrieb besteht aus einem Flussschalt-Permanentmagnet-Generator und einem modularen Umrichter, der aus einer Parallelschaltung von bis zu 12 Niederspannungs-Zweipunktstromrichtern in back-to-back-Konfiguration am Gleichspannungszwischenkreis zusammengesetzt wird. Die zu entwickelnde Ansteuerelektronik sollte jedes Umrichtermodul mit einer lokalen Controlplattform (Lokalcontrol) ausstatten, während eine zentrale Controlplattform (Zentralcontrol) gemeinsame Funktionen, unter anderem ein neuartiges Mehrpunktmodulationsverfahren für die Netzseiten der Umrichtermodule, ausführt. Wichtige weitere Anforderungen für die Ansteuerelektronik waren: Eine hohe netzseitige Regeltaktfrequenz (24 kHz) und die Verwendung von 100BASE-TX-Ethernet-Hardwarekomponenten für die Kommunikation. Das System sollte die Fehlertoleranz der Umrichtermodule unterstützen und auch selbst Fehlertoleranz aufweisen. Diesbezüglich wurde entschieden, eine zweite redundante zentrale Controlplattform einzusetzen, die sofort die Ansteuerung des Systemes übernimmt sobald ein Ausfall der aktiven Zentralcontrol detektiert wird.
Die Lösungen aus der Literatur weisen entweder eine kleinere Anzahl von Umrichtermodulen oder eine niedrigere Regeltaktfrequenz auf. Die meisten Quellen beschränken sich auf die ringförmige Netzwerktopologie, weil diese bezüglich der Modulanzahl gut skaliert, wobei aber die Latenzzeit anwächst. Die hohe Modulanzahl und die gleichzeitige Forderung einer hohen Regeltaktfrequenz ist mit der steigenden Latenzzeit der Ringtopologie nicht kompatibel. Man findet nur wenige Literaturquellen über Ethernet als umrichterinternes Kommunikationsmedium, während Ethernet für industrielle Feldbusse und Bewegungssteuerungen sehr etabliert ist. Letzteres ist jedoch für die Verwendung innerhalb eines Umrichters nicht optimal, denn die Eigenschaften solcher Lösungen genügen nicht den Anforderungen leistungselektronischer Systeme bezüglich Determinismus, Latenzzeit und Synchronisation. Hinsichtlich der redundanten Zentralcontrol wurde keine Literatur gefunden, welche diesbezüglich einen aus vielen Modulen bestehenden Umrichter behandelt.
Diese Arbeit stellt ein neuartiges vereinfachtes Ethernetprotokoll vor, um die Anforderungen zu erfüllen. Das neue Protokoll funktioniert so, dass jede Controlplattform ständig kleine Datenpakete mit 40 byte Nutzdaten in Intervallen von 5 μs an jeden direktverbundenen Kommunikationspartner verschickt. Einige Vorteile dieses Verfahrens sind der geringe Bedarf an FPGA-Ressourcen, die eingebaute Detektionsfähigkeit für Verbindungsausfälle, eine niedrige Latenzzeit und die hohe Zuverlässigkeit sowie die Unterstützung einer neuen Synchronisationsmethode.
Eine ausführliche Erörtung der Synchronisation von Controlplattformen und die Ableitung und Umsetzung der neuen Synchronisationsmethode machen einen weiteren Beitrag dieser Arbeit aus. Die neue Sychronisationsmethode nutzt die periodische Übertragung der Ethernetpakete um eine Zeitbasis zu kommunizieren. Der Synchronisationsfehler wird durch die neue Methode auf 50 ns begrenzt. Die Ergebnisse ausführlicher Prüfungen zeigen, dass dieser Synchronisationsfehler immer eingehalten wird, auch nachdem die redundante Zentralcontrol nach einem Fehler der aktiven Einheit die Kontrolle übernimmt.
Es wird gezeigt, dass die vorgestellte Lösung eine 500 kW sowie eine 3 MW Teststand betreiben kann. Abschließend wird vorgestellt, wie das System den Betrieb ohne Pause fortsetzt und zwar bei Ausfällen der aktiven Zentralcontrol, der Lokalcontrol oder der Umrichtermodule. Die vorgestellten Methoden sowie die Analyse der Synchronisation können auf andere leistungselektronische Systeme mit verteilter Ansteuerelektronik übertragen werden.