Navorsing oor Opsporingsfrekwensiewisselaar vir Wisselende Spoed Konstante Frekwensie Windturbines

1 Inleiding​
Windenergie is 'n hernubare energiebron met aansienlike ontwikkelingspotensiaal. In die afgelope jare het windkragtegnologie wye aandag van akademiese geleerdes wêreldwyd geniet. As 'n kardinale rigting vir die ontwikkeling van windkrag, maak die veranderlike-spoed-konstante-frekwensie (VSCF) tegnologie gebruik van die dubbel gevoerde windkragstelsel as 'n geoptimeerde oplossing. In hierdie stelsel sluit die generator se stator winding direk by die net aan, terwyl VSCF-beheer deur die beheer van die frekwensie, amplitudo, fase en fasevolgorde van die rotor winding se voorsiening bereik word. Aangesien die omskakelaar slegs glijstroom oorbreng, kan sy kapasiteit beduidend verminder word.

Verstaanlik maak dubbel gevoerde windkragstelsels hoofsaaklik gebruik van AC/AC of AC/DC/AC omskakelaars. AC/AC omskakelaars is grootliks vervang deur spanningsbronne AC/DC/AC omskakelaars as gevolg van hul hoë uitset harmoniese, lae invoer vermogensfaktor, en te veel kragtoestelle. Alhoewel matriks omskakelaars vir dubbel gevoerde stelsels ondersoek is, beperk hul komplekse struktuur, hoë spanningsdragvermoë, en nie-gekoppelde invoer/uitvoerbeheer hul toepassing in windkragtoepassings.

Hierdie studie ontwikkel 'n spanningsbronne AC/DC/AC dubbel gevoerde windkragstelsel wat deur twee DSP's beheer word. Die netkant omskakelaar neem spanningsgerigte vektorbeheer aan, en die rotorkant omskakelaar gebruik statorvloed-gerigte vektorbeheer. Eksperimente bevestig dat die stelsel tweerigtings kragvloei ondersteun, onafhanklike invoer/uitvoer vermogensfaktorregulerings, lae harmoniese distorsie, stabiele wydgebied operasie, en hoë gehalte kragopwekking uit onstabiele energiebronne soos wind.

​2 Stelsel Konfigurasie​
Soos in Figuur 1 getoon, bestaan die stelsel uit vyf dele:

• Dubbel gevoerde generator (gewonde rotor induksie generator)
• Spanningsbronne AC/DC/AC tweerigtings PWM omskakelaar (rug-aan-rug driefase rektifier/inverter met IPM modules)
• Twee-DSP beheerder (vaste punt DSP TMS320LF2407A + flytende punt DSP TMS320VC33)
• Netverbinding beskermingsapparaat (rotor/stator kontakters)
• Virtuele veranderlike spoed windturbine (DC motor + SIEMENS SIVOREG thyristor spoedbeheerstelsel)

​Kernbesonderhede​

• Omskakelaar verbinding: Netkant via driefase induktore; rotorkant via slip ringe/pensele na generator rotor winding.
• Twee-DSP rolle: LF2407A hanteer data uitruil, PWM generering, en netseine; VC33 voer kernalgoritmes uit; tweepoort RAM stel real-time data deelgebruik in stand; CPLD prosesse adres ontcoding.
• Netbeskerming: By foute, skakel stator kontakter af en blokkeer PWM eers; wag voor om rotor kontakter te oop.

​3 Vektorbeheer vir Dubbel Gevoerde Generator​
​3.1 Beheer Beginsels​
In die sinchronus roterende raamwerk (d-as uitgelyk met statorvloed), is die model van die dubbel gevoerde generator:
usd=Rsisd+dψsddt−ωsψsq{u_{sd} = R_s i_{sd} + \frac{d\psi_{sd}}{dt} - \omega_s \psi_{sq}}usd​=Rs​isd​+dtdψsd​​−ωs​ψsq​
usq=Rsisq+dψsqdt+ωsψsd{u_{sq} = R_s i_{sq} + \frac{d\psi_{sq}}{dt} + \omega_s \psi_{sd}}usq​=Rs​isq​+dtdψsq​​+ωs​ψsd​
urd=Rrird+dψrddt−ωslipψrq{u_{rd} = R_r i_{rd} + \frac{d\psi_{rd}}{dt} - \omega_{\text{slip}} \psi_{rq}}urd​=Rr​ird​+dtdψrd​​−ωslip​ψrq​
urq=Rrirq+dψrqdt+ωslipψrd{u_{rq} = R_r i_{rq} + \frac{d\psi_{rq}}{dt} + \omega_{\text{slip}} \psi_{rd}}urq​=Rr​irq​+dtdψrq​​+ωslip​ψrd​

​Vloed vergelykings:​​
ψsd=Lmims+Lsisd=Lmims{\psi_{sd} = L_m i_{ms} + L_s i_{sd} = L_m i_{ms}}ψsd​=Lm​ims​+Ls​isd​=Lm​ims​
ψsq=−Lmirq{\psi_{sq} = -L_m i_{rq}}ψsq​=−Lm​irq​
ψrd=Lrird+Lmisd{\psi_{rd} = L_r i_{rd} + L_m i_{sd}}ψrd​=Lr​ird​+Lm​isd​
ψrq=Lrirq+Lmisq{\psi_{rq} = L_r i_{rq} + L_m i_{sq}}ψrq​=Lr​irq​+Lm​isq​

​Moment vergelyking:​​
Te=−npLmimsirqLs{T_e = -\frac{n_p L_m i_{ms} i_{rq}}{L_s}}Te​=−Ls​np​Lm​ims​irq​​

Met die negligeren van stator weerstandspanningval, bevredig statorvloed:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd​≈usq​/ωs​,ψsq​≈0

​Beheer strategie:​​

• Konstante stator veralgemeende opwekkingsstroom imsi_{ms}ims​ → Elektromagnetiese moment Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• Vir eenheid vermogensfaktor, word opwekkingsstroom volledig deur rotor verskaf (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​)
• Ná voorgaande ontkoppeling kompensasie, reguleer urdu_{rd}urd​ en urqu_{rq}urq​ om rotorvloed en moment onderskeidelik te beheer.

​3.2 Netbeheer​

• Soft Netverbinding:
1. Wanneer windspoed die inskakelwaarde bereik, dryf die turbine die generator tot die minimum spoed.
2. Aktiveer omskakelaar om statorspanning met die net te pas (amplitude, fase, frekwensie).
3. Outomatiese sinkronisasie indien netverbindingsvoorwaardes bereik word.
• Ontkoppeling: Verlaat geleidelik tot geen belasting toestand voordat ontkoppeling plaasvind. Moet binne toegelaat spoedgebied werk.

​4 Netkant Rektifier Vektorbeheer​
In die twee-fase sinchronus roterende raamwerk (d-as uitgelyk met fase-A spanning), is die PWM rektifier model:
ud=Ldiddt+Rid−ωsLiq+sdudc{u_d = L\frac{di_d}{dt} + R i_d - \omega_s L i_q + s_d u_{dc}}ud​=Ldtdid​​+Rid​−ωs​Liq​+sd​udc​
uq=Ldiqdt+Riq+ωsLid+squdc{u_q = L\frac{di_q}{dt} + R i_q + \omega_s L i_d + s_q u_{dc}}uq​=Ldtdiq​​+Riq​+ωs​Lid​+sq​udc​
Cdudcdt=32(sdid+sqiq)−iload{C\frac{du_{dc}}{dt} = \frac{3}{2}(s_d i_d + s_q i_q) - i_{\text{load}}}Cdtdudc​​=23​(sd​id​+sq​iq​)−iload​

​Krag vergelykings:​​
P=udid,Q=udiq{P = u_d i_d, \quad Q = u_d i_q}P=ud​id​,Q=ud​iq​

​Beheer logika:​​

• Konstante netspanning → Reguleer idi_did​ om aktiewe krag te beheer; iqi_qiq​ vir reaktiewe krag.
• Beheervergelykings met spanningskompensasie:
  ud∗=(R+Lddt)id−ωsLiq+ud{u_d^* = (R + L\frac{d}{dt})i_d - \omega_s L i_q + u_d}ud∗​=(R+Ldtd​)id​−ωs​Liq​+ud​
  uq∗=(R+Lddt)iq+ωsLid{u_q^* = (R + L\frac{d}{dt})i_q + \omega_s L i_d}uq∗​=(R+Ldtd​)iq​+ωs​Lid​

​5 Eksperimentele Resultate​
​Kern Bekragtigings:​​

• Betroubare soft netverbinding oor 'n wydgebied spoed;
• Onafhanklike vermogensfaktor regulerings (stator/netkant bereik eenheid);
• Tweerigtings kragvloei vermoë van AC/DC/AC omskakelaar voldoen aan opwekkingseise.

​6 Gevolgtrekking​
Hierdie studie ontwikkel 'n twee-DSP gebaseerde spanningsbronne AC/DC/AC dubbel gevoerde windkragstelsel. Gekombineer met netkant spanningsgerigte en rotorkant statorvloed-gerigte vektorbeheer, demonstreer eksperimente:

1. Die stelsel behaal tweerigtings kragvloei en onafhanklike invoer/uitvoer vermogensfaktor regulerings;
2. Lae harmoniese en hoë vermogensfaktor verseker kragkwaliteit;
3. Soft netverbinding/ontkoppeling verminder meganiese/kragtel stres;
4. Toepasbaarheid vir megawattklas groot skaal windkraginstallasies.