Design, Modelling, and Control Enhancement of Brushless Doubly-Fed Machines for Variable-Speed Wind Turbines

Arabic Abstract يسعى هذا المشروع البحثي إلى دراسة وتحسين تكنولوجيا الآلات ذات التغذية المزدوجة الخالية من الفرش لأنظمة تحويل طاقة الرياح إلى طاقة كهربائية. تتمتع هذه الآلات بإمكانيتها على استخدام محول الكتروني بحجم جزئي، مما يعني أنها تقدم فوائد مماثلة لمحول الحجم الكامل دون الحاجة إلى الفرش الميكانيكية. سيركز المشروع بشكل أساسي على نوعين من الآلات؛ آلة الممانعة ذات التغذية المزدوجة الخالية من الفرش وآلة الحث ذات التغذية المزدوجة الخالية من الفرش. يهدف هذا المشرع إلى مقارنة هذه الآلات الخالية من الفرش مع آلة الحث ذات التغذية المزدوجة التقليدية المزودة بالفرش وتنفيذ تصميم عملي للتعزيز من كفاءة وتكلفة توربينات الرياح ذات السرعة المتغيرة من النوع الثالث. وبالإضافة إلى ذلك، سيتم دراسة مدى فعالية إضافة ملف ثالث مما يحول الآلات الى ما يعرف بالماكينة ذات التغذية الثلاثية. تتشابه آلة الممانعة وآلة الحث في تصميم "الثابت" بينما تختلفان في تصميم "الدوار" وهو الجزء المتحرك، حيث يستخدم الدوار لربط الحقول المغناطيسية للملفات. تبدأ مراحل تنفيذ المشروع بمرحلة التصميم باستخدام الأساليب التحليلية مثل نظرية الملفات ونظرية تعديل المجال، بالإضافة إلى الأساليب العددية باستخدام طريقة تحليل العناصر المنتهية. الهدف الأساسي من التصميم المقترح هو لتحسين استخدام المجال المغناطيسي في الماكينة وتقليل حجم محولات الطاقة الإلكترونية، مما يؤدي إلى أنظمة تحويل طاقة رياح أكثر كفاءة وفعالية من حيث التكلفة. بعد ذلك، سيتم نمذجة الآلة، مع الأخذ بالاعتبار تشبع المجال المغناطيسي وفقد الطاقة. ثم سيتم تطوير نظام تحكم متقدم يعتمد على التحكم الانزلاقي ذو الالتواء الفائق أو التحكم النشط برفض الاضطراب بناءً على النموذج المتقدم. سيتم محاكاة نظام متكامل مع توربينة الرياح ووحدة التحكم لتأكيد على صحة النتائج النظرية. في النهاية سيتم إجراء اختبار تجريبي عن طريق بناء نموذج أولي للآلة بغية التحقق من المنظور العملي. عن طريق المضي في هذا النهج الشامل سيضمن الوصول إلى تحقيق إمكانيات البحث. بشكل عام، يُتوقع ان هذا المشروع سيمهد الطريق للوصول إلى أنظمة طاقة

The aim of this research project is to enhance brushless doubly-fed machines (BDFM) technology for wind energy conversion systems. These machines can offer the benefits of a partial-scale converter without mechanical brushes. The project will focus on brushless doubly-fed reluctance Machine (BDFRM) and Brushless doubly-fed induction Machine (BDFIM) and compare them with the conventional brushed doubly-fed induction machine (DFIM). The goal is to develop a practical design rated in MW scale that can significantly enhance the performance, efficiency, reliability, and cost of Type-3 variable-speed wind turbines. The project will explore the possibility of incorporating an additional stator winding, making a total of three sets of three-phase windings, transforming the machines into a triple-fed machine. The BDFRM and BDFIM machines have similar stator configurations with sets of three-phase windings having different poles, while the rotor modulates and couples the magnetic fields of the stator windings. The development procedure begins with the design stage using analytical methods such as the winding function theory and the field modulation theory, as well as numerical methods using finite element analysis. The proposed design aims to optimize the magnetic field utilization in the machine and reduce the sizing of power electronic converters, leading to more efficient and cost-effective wind energy conversion systems. Next, an advanced control scheme based on super-twisting sliding mode control, or the active disturbance rejection control, will be developed based on the advanced model. The whole system, including the wind turbine and the controlling unit, will be simulated to verify the theoretical work. Finally, experimental testing will be conducted by constructing a small-scale prototype for the machine to provide expe