Design development of brushless doubly fed machines
Date
2022-04
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Doubly fed induction generators (DFIGs) are the most widely used generators in large wind
turbines, because of their cheap constructions, smaller converter sizes, and wide speed range.
However, DFIGs have well known reliability issues stemming from their slip ring and brush
failures. This is particularly problematic in remote areas like offshore wind sites. Currently,
the operational and maintenance costs of DFIG based wind turbines are the highest among
commonly used offshore wind topologies, due to the slip ring and brush failures. It should
be noted that offshore wind power is getting increasing attention, and significant increases in
offshore wind installations are projected in the coming years.
The use of brushless doubly fed (induction) machines (BDFMs) has been proposed as an
alternative to DFIGs, especially in remote areas like offshore sites, as they do not have slip
rings and brushes. BDFMs, which are typically medium speed machines, also have better low
voltage ride through characteristics compared to DFIGs, which could help reduce cost and
complexity of their drivetrains. However, BDFMs have a more complex structure to DFIGs,
with considerably lower power densities. Also, BDFMs have higher total harmonic distortions
and vibrations compared to DFIGs. With their development still being at experimental stages,
there is no well-defined way to design BDFMs, with the design of certain parts still debated.
In this project, the start to finish design process of BDFMs is investigated. The thought process
behind certain decisions like the placement of the stator windings are highlighted. The design
of a suitable rotor topology per BDFM application isresearched. The rotor design is conducted
with power density and harmonics/vibrations considered.
A proper method for BDFM design evaluation is demonstrated especially when considering
grid complaint operations. This evaluation method is compared with evaluation methods com monly used in available literature to demonstrate its suitability. With proper evaluation deter mined, the optimization of BDFM designs is investigated using different models. A coupled
circuit model is developed for use in the rotor design. Results from finite element analysis
models are used to develop response surface approximations which are coupled with a genetic
algorithm for power density optimizations.
There are established values of certain input parameters such as the electric and magnetic
loadings in DFIG design. This is however not the case with BDFMs. Consequently, in this
project, practical values of these parameters are researched for different BDFM power ratings.
The disparities in power density between BDFMs with different pole pair combinations and
DFIGs at corresponding rated speeds across different power ratings are mapped out. These
disparities in power density are used to recommend the best performing pole pair combinations
at different power ratings.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Dubbel gevoerde induksie generators (DGIGs) word gereeld in groot wind turbines gebruik omdat dit goedkoop is om aan mekaar te sit, kleiner omskakelaar groottes het, en ‘n wye spoed verskeidenheid het. Ten spyte hiervan het DGIGs betroubaarheid probleme wat veroorsaak word deur die gly ring en borsel mislukkings. Dit is veral ‘n probleem in afgesonderde areas soos buitelandse wind plase. As gevolg hiervan is DGIG gebaseerde wind turbines se kostes die hoogste onder algemeen gebruikte buitelandse wind tipologiee.¨ Dit is belangrik om in ag te neem dat daar meer aandag aan buitelandse wind krag gegee word en dus word daar ‘n beduidende toename in buitelandse wind installasies vir die komende jare geprojekteer. Die gebruik van borsellose dubbel gevoerde (induksie) masjiene (BDGMe) is al as ‘n alterna tiewe opsie vir DGIGs voorgestel, veral vir afgesonderde areas omdat hulle nie gly ringe of borsels het nie. BDGMe, wat tipies medium spoed masjiene is, het ook beter lae spanning rit deur eienskappe as DGIGs wat kan help om die kostes en kompleksiteit van die dryf stelsels te verminder. Daar moet egter in ag geneem word dat BDGMe ‘n baie meer komplekse struktuur het met laer krag digthede. BDGMe het ook hoer¨ totale harmoniee¨ versteurings en vibrasies wanneer dit met DGIGs vergelyk word. Met die masjiene se ontwikkeling wat nog in ekspe rimentele fases is, is daar nog nie ‘n goed-gedefinieerde manier om BDGMe te ontwerp nie, veral omdat sekere dele se ontwerpe nog gedebatteer word. In die projek word die proses van BDGMe ontwerp van begin tot einde ondersoek. Die proses van sekere besluite wat gemaak is, soos die plasing van die stator windings, word uitgelig. Die ontwerp van ‘n toepaslike rotor topologie per BDGM toepassing word ook in die studie nagevors. Die rotor ontwerp is met die inagneming van krag digtheid en harmoniee/vibrasies ¨ uitgevoer. ‘n Gepaste metode vir die evaluering van BDGM ontwerp is gedemonstreer, veral wanneer krag-netwerk voldoende bedrywighede in ag geneem word. Die evaluasie metode is met ander metodes wat algemeen in beskikbare literatuur gebruik word vergelyk om die geskiktheid daarvan te demonstreer. Met die gepaste evaluasie wat bepaal is, is die optimalisering van BDGM ontwerpe ondersoek deur gebruik te maak van verskeie modelle. ‘n Gekoppelde baan model is vir die gebruik in rotor ontwerp ontwikkel. Resultate van beperkte element analise modelle is gebruik om reaksie oppervlak benaderings te ontwerp wat aan die genetiese algoritme vir krag digtheid optimaliserings ontwikkel is. Daar is bepaalde waardes van sekere inset parameters, soos die elektriese en magnetiese ladings in die DGIG ontwerp. Dit is egter nie die geval vir BDGMe nie. As gevolg hiervan word daar in die projek praktiese waardes van die parameters vir verskillende BDGM krag grade rings nagevors. Die ongelykhede in krag digtheid tussen BDGMe met verskillende pool paring kombinasies en DGIGs teen ooreenstemmende gegradeerde spoed oor verskillende krag graderings is uiteengesit. Die ongelykhede is gebruik om die beste pool paring kombinasies teen verskillende spoed graderings voor te stel.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Dubbel gevoerde induksie generators (DGIGs) word gereeld in groot wind turbines gebruik omdat dit goedkoop is om aan mekaar te sit, kleiner omskakelaar groottes het, en ‘n wye spoed verskeidenheid het. Ten spyte hiervan het DGIGs betroubaarheid probleme wat veroorsaak word deur die gly ring en borsel mislukkings. Dit is veral ‘n probleem in afgesonderde areas soos buitelandse wind plase. As gevolg hiervan is DGIG gebaseerde wind turbines se kostes die hoogste onder algemeen gebruikte buitelandse wind tipologiee.¨ Dit is belangrik om in ag te neem dat daar meer aandag aan buitelandse wind krag gegee word en dus word daar ‘n beduidende toename in buitelandse wind installasies vir die komende jare geprojekteer. Die gebruik van borsellose dubbel gevoerde (induksie) masjiene (BDGMe) is al as ‘n alterna tiewe opsie vir DGIGs voorgestel, veral vir afgesonderde areas omdat hulle nie gly ringe of borsels het nie. BDGMe, wat tipies medium spoed masjiene is, het ook beter lae spanning rit deur eienskappe as DGIGs wat kan help om die kostes en kompleksiteit van die dryf stelsels te verminder. Daar moet egter in ag geneem word dat BDGMe ‘n baie meer komplekse struktuur het met laer krag digthede. BDGMe het ook hoer¨ totale harmoniee¨ versteurings en vibrasies wanneer dit met DGIGs vergelyk word. Met die masjiene se ontwikkeling wat nog in ekspe rimentele fases is, is daar nog nie ‘n goed-gedefinieerde manier om BDGMe te ontwerp nie, veral omdat sekere dele se ontwerpe nog gedebatteer word. In die projek word die proses van BDGMe ontwerp van begin tot einde ondersoek. Die proses van sekere besluite wat gemaak is, soos die plasing van die stator windings, word uitgelig. Die ontwerp van ‘n toepaslike rotor topologie per BDGM toepassing word ook in die studie nagevors. Die rotor ontwerp is met die inagneming van krag digtheid en harmoniee/vibrasies ¨ uitgevoer. ‘n Gepaste metode vir die evaluering van BDGM ontwerp is gedemonstreer, veral wanneer krag-netwerk voldoende bedrywighede in ag geneem word. Die evaluasie metode is met ander metodes wat algemeen in beskikbare literatuur gebruik word vergelyk om die geskiktheid daarvan te demonstreer. Met die gepaste evaluasie wat bepaal is, is die optimalisering van BDGM ontwerpe ondersoek deur gebruik te maak van verskeie modelle. ‘n Gekoppelde baan model is vir die gebruik in rotor ontwerp ontwikkel. Resultate van beperkte element analise modelle is gebruik om reaksie oppervlak benaderings te ontwerp wat aan die genetiese algoritme vir krag digtheid optimaliserings ontwikkel is. Daar is bepaalde waardes van sekere inset parameters, soos die elektriese en magnetiese ladings in die DGIG ontwerp. Dit is egter nie die geval vir BDGMe nie. As gevolg hiervan word daar in die projek praktiese waardes van die parameters vir verskillende BDGM krag grade rings nagevors. Die ongelykhede in krag digtheid tussen BDGMe met verskillende pool paring kombinasies en DGIGs teen ooreenstemmende gegradeerde spoed oor verskillende krag graderings is uiteengesit. Die ongelykhede is gebruik om die beste pool paring kombinasies teen verskillende spoed graderings voor te stel.
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2022.
Keywords
Induction generators, Doubly Fed Machines, Wind turbine generators