Design and critical evaluation of permanent magnet wind generator technology for small-scale wind energy systems
Date
2022-12
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Small-scale wind energy systems with energy storage offer a n a ttractive electrification
solution for rural stand-alone applications in Sub-Saharan Africa where utility grid connection
is too expensive. However, small-scale wind energy systems need to be more
cost-competitive and more reliable. Subsequently, lower installation costs, reduced operation
and maintenance costs, durability, and improved performance are the critical aspects
that must be improved. Therefore, the focus in this dissertation is to investigate the
design of optimal wind generators for different f ront-end r ectifier co nnected small-scale
wind energy systems. The aim is then to critically evaluate the wind generator technology
and to compare the different wind energy systems.
The uncontrolled passive wind energy system, where the wind generator is directly
connected to the battery energy storage via a diode bridge rectifier, i s i dentified as an
ideal candidate for this application. However, designing the generator for good power
matching with the wind turbine is difficult. Therefore, a method of ex ternal impedance
matching is proposed, whereby an external inductance is added between the wind generator
and the diode bridge rectifier. To c alculate t he n ecessary e xternal i mpedance, a
unique finite e lement a nalysis s olution method i s p roposed t hat i s more a ccurate than
analytical calculations.
Following the above, methods of "building" the necessary impedance into the machine
in the design optimisation process are investigated for the passive system’s wind generator.
This is done by changing the stator slot’s structure to significantly increase leakage-flux,
or by altering the placement and orientation of the permanent magnets in the rotor to
increase the magnetic saliency of the machine. It is found that these are effective methods
to design the wind generators for a natural impedance matching. Finally, permanent magnet
Vernier generators are also investigated as an alternative wind generator technology
for their novel use in uncontrolled passive systems. It is shown that Vernier generators are
well suited for this application. However, conventional permanent magnet synchronous
generators use less rare earth permanent magnet material, and are found to be more
cost-effective.
Two wind energy systems with active control and maximum power point tracking are
further investigated in this dissertation, namely (i) the DC-DC converter system, where the generator is connected to the battery energy storage via an uncontrolled diode rectifier
and a controlled DC-DC converter, and (ii) the active synchronous rectifier controlled wind
energy system. For both of these controlled wind energy systems, conventional permanent
magnet synchronous generators are investigated and optimised for the comparison with
the uncontrolled passive system’s optimum generator. In addition, wind generators with
overlapping and non-overlapping windings are also compared for the DC-DC converter
system. However, it is shown that there is essentially no trade-off between wind generators
with either winding configuration.
In the final evaluation, the optimum wind generators for the different front-end rectifier
connected wind energy systems are compared in terms of active mass and the estimated
active material cost. The wind energy systems are also evaluated in terms of the system’s
annual energy production and the estimated sub-system component cost. It is shown in
the comparison that even though the uncontrolled passive wind energy system’s generators
are heavier and more expensive, that the uncontrolled passive wind energy system is the
most cost-competitive system, which is an unexpected result.
AFRIKAANS OPSOMMING: Die gebruik van kleinskaalse windenergiestelsels met energiebergingeenhede bied ’n aantreklike oplossing vir die elektrifisering van afgeleë alleenstaande toepassings en gemeenskappe in yl bevolkde landelike gebiede. Dit is veral van toepassing op Afrika lande suid van die Sahara waar die aanleg van, of aansluiting met, die hoof elektriese netwerk onbekostigbaar geag word. Dit is dus noodsaaklik vir hierdie kleinskaalse windenergiestelsels om meer koste mededingend te wees, asook om hierdie stelsels se betroubaarheid te verbeter. As sulks is die noodsaaklike gebiede vir verbetering: om ’n laer installasie koste te handhaaf, om die bedryfs- en onderhoudskoste te verminder, en om die stelsel se werking te verbeter. Die fokus in hierdie proefskrif is dus om die ontwerp van optimale windgenerators vir windenergiestelsels wat deur middel van verskeie gelykrigters bedryf word te ondersoek. Die doel is dan om hierdie windgeneratortegnologie krities te evalueer en om die verskillende windenergiestelsels met mekaar te vergelyk. Die onbeheerde passiewe windenergiestelsel, waar die windgenerator direk aan die batterybank via ’n diodebrug-gelykrigter gekoppel word, is as die ideale kandidaat vir dié toepassing geïdentifiseer. Dit is egter nie so eenvoudig om die generator vir ’n goeie passing met die drywingskurwes van die windturbine te ontwerp nie. Om hierdie probleem op te los, word eksterne impedansie passing as metodiek voorgestel, i.e. om ’n eksterne induktor tussen die generator en die diodebrug-gelykrigter te koppel. Verder, om die nodige eksterne induktansie se waarde te bereken word ’n unieke eindige element oplossing gebaseerde metodiek voorgestel. Met betrekking tot die bogenoemde, word verdere metodes om die nodige impedansie in die masjien ”in te bou” ook as deel van die ontwerp en optimerings proses vir windgenerators in passiewe stelsels ondersoek. Sulke metodes word uitgevoer deur onder andere, die statorgleuwe se struktuur te verander om sodanig die masjien se spreivloed te vermeerder, asook die posisie en oriëntering van die permanente magnete in die rotor te verander en daardeur dan die magnetiese speek-eienskap te vergroot. Daar is bevind dat beide van die voorafgenoemde metodes doeltreffend gebruik kan word om die windgenerator vir ’n natuurlike impedansiepassing te ontwerp. As ’n alternatief, word permanente magneet Vernier-generators ook as ’n moontlike windgeneratortegnologie ondersoek. Vir dié tegnologie om gebruik te word in onbeheerde passiewe stelsels is dan ook ’n oorspronklike toepassing. Die bevindinge dui daarop dat permanente magneet Vernier-generators besonders goed geskik is vir hierdie toepassing, maar dat konvensionele permanente magneet sinchroongenerators nogtans minder permanent magneet materiaal gebruik en meer kostedoeltreffend is. Twee windenergiestelsels wat gebruik maak van aktiewe beheer om maksimum drywingspunt werking te bewerkstellig word ook in hierdie proefskrif ondersoek. Hierdie twee stelsels is dan (i) die GS-GS-omsetterstelsel, waar die generator gekoppel is aan die batterybank via ’n onbeheerde diodegelykrigter en ’n GS-GS-omsetter, en (ii) die aktief sinchroongelykrigter beheerde windenergiestelsel. Vir beide hierdie beheerde windenergiestelsels word konvensionele permanente magneet sinchroongenerators ondersoek. Hieride generators word ook geoptimeer, met die doel om dit met die generators van die onbeheerde passiewe stelsel te vergelyk. Daarbenewens word windgenerators met oorvleulende en nie-oorvleulende wikkelings vir die GS-GS-omsetterstelsel ook ondersoek. Maar dit word wel uitgewys dat daar klaarblyklik geen wesenlike voordeel gewin word deur een óf die ander wikkelingkonfigurasie in dié geval te gebruik nie. Laastens, in die finale evaluering word die optimum generators van die verskeie windenergiestelsels dan in terme van die generators se aktiewe massa en die afgeskatte materiaalkoste vergelyk. Die jaarlikse energieproduksie deur elke stelsel en die beraamde substelselkomponentkoste word ook ge-evalueer om tot ’n finale gevolgtrekking te kom. Daar word bevind dat, alhoewel die onbeheerde passiewe stelsel se windgenerators beide swaarder en duurder is, dié stelsel nogsteeds meer kostemededingend is. Die laasgenoemde is ’n merkwaardige, en onverwagte uitkomste.
AFRIKAANS OPSOMMING: Die gebruik van kleinskaalse windenergiestelsels met energiebergingeenhede bied ’n aantreklike oplossing vir die elektrifisering van afgeleë alleenstaande toepassings en gemeenskappe in yl bevolkde landelike gebiede. Dit is veral van toepassing op Afrika lande suid van die Sahara waar die aanleg van, of aansluiting met, die hoof elektriese netwerk onbekostigbaar geag word. Dit is dus noodsaaklik vir hierdie kleinskaalse windenergiestelsels om meer koste mededingend te wees, asook om hierdie stelsels se betroubaarheid te verbeter. As sulks is die noodsaaklike gebiede vir verbetering: om ’n laer installasie koste te handhaaf, om die bedryfs- en onderhoudskoste te verminder, en om die stelsel se werking te verbeter. Die fokus in hierdie proefskrif is dus om die ontwerp van optimale windgenerators vir windenergiestelsels wat deur middel van verskeie gelykrigters bedryf word te ondersoek. Die doel is dan om hierdie windgeneratortegnologie krities te evalueer en om die verskillende windenergiestelsels met mekaar te vergelyk. Die onbeheerde passiewe windenergiestelsel, waar die windgenerator direk aan die batterybank via ’n diodebrug-gelykrigter gekoppel word, is as die ideale kandidaat vir dié toepassing geïdentifiseer. Dit is egter nie so eenvoudig om die generator vir ’n goeie passing met die drywingskurwes van die windturbine te ontwerp nie. Om hierdie probleem op te los, word eksterne impedansie passing as metodiek voorgestel, i.e. om ’n eksterne induktor tussen die generator en die diodebrug-gelykrigter te koppel. Verder, om die nodige eksterne induktansie se waarde te bereken word ’n unieke eindige element oplossing gebaseerde metodiek voorgestel. Met betrekking tot die bogenoemde, word verdere metodes om die nodige impedansie in die masjien ”in te bou” ook as deel van die ontwerp en optimerings proses vir windgenerators in passiewe stelsels ondersoek. Sulke metodes word uitgevoer deur onder andere, die statorgleuwe se struktuur te verander om sodanig die masjien se spreivloed te vermeerder, asook die posisie en oriëntering van die permanente magnete in die rotor te verander en daardeur dan die magnetiese speek-eienskap te vergroot. Daar is bevind dat beide van die voorafgenoemde metodes doeltreffend gebruik kan word om die windgenerator vir ’n natuurlike impedansiepassing te ontwerp. As ’n alternatief, word permanente magneet Vernier-generators ook as ’n moontlike windgeneratortegnologie ondersoek. Vir dié tegnologie om gebruik te word in onbeheerde passiewe stelsels is dan ook ’n oorspronklike toepassing. Die bevindinge dui daarop dat permanente magneet Vernier-generators besonders goed geskik is vir hierdie toepassing, maar dat konvensionele permanente magneet sinchroongenerators nogtans minder permanent magneet materiaal gebruik en meer kostedoeltreffend is. Twee windenergiestelsels wat gebruik maak van aktiewe beheer om maksimum drywingspunt werking te bewerkstellig word ook in hierdie proefskrif ondersoek. Hierdie twee stelsels is dan (i) die GS-GS-omsetterstelsel, waar die generator gekoppel is aan die batterybank via ’n onbeheerde diodegelykrigter en ’n GS-GS-omsetter, en (ii) die aktief sinchroongelykrigter beheerde windenergiestelsel. Vir beide hierdie beheerde windenergiestelsels word konvensionele permanente magneet sinchroongenerators ondersoek. Hieride generators word ook geoptimeer, met die doel om dit met die generators van die onbeheerde passiewe stelsel te vergelyk. Daarbenewens word windgenerators met oorvleulende en nie-oorvleulende wikkelings vir die GS-GS-omsetterstelsel ook ondersoek. Maar dit word wel uitgewys dat daar klaarblyklik geen wesenlike voordeel gewin word deur een óf die ander wikkelingkonfigurasie in dié geval te gebruik nie. Laastens, in die finale evaluering word die optimum generators van die verskeie windenergiestelsels dan in terme van die generators se aktiewe massa en die afgeskatte materiaalkoste vergelyk. Die jaarlikse energieproduksie deur elke stelsel en die beraamde substelselkomponentkoste word ook ge-evalueer om tot ’n finale gevolgtrekking te kom. Daar word bevind dat, alhoewel die onbeheerde passiewe stelsel se windgenerators beide swaarder en duurder is, dié stelsel nogsteeds meer kostemededingend is. Die laasgenoemde is ’n merkwaardige, en onverwagte uitkomste.
Description
Thesis (PhD) -- Stellenbosch University, 2022.
Keywords
Renewable energy sources, Small power production facilities, Wind power, Wind turbines, Wind generator, UCTD