بحث حول محول التردد المثير لمحطات توربينات الرياح ذات السرعة المتغيرة والتواتر الثابت
1 مقدمة
الطاقة الرياحية هي مصدر طاقة متجدد يتمتع بقدرة كبيرة على التطور. في السنوات الأخيرة، اكتسبت تقنية الطاقة الرياحية اهتمامًا واسعًا من العلماء حول العالم. كاتجاه رئيسي لتطوير الطاقة الرياحية، تستخدم تقنية السرعة المتغيرة والتواتر الثابت (VSCF) نظام الطاقة الرياحية ذو التغذية المزدوجة كحل مُحسّن. في هذا النظام، تتصل ملفات التثبيت للمولد مباشرة بالشبكة، بينما يتم تحقيق السيطرة VSCF عن طريق تنظيم التواتر والكثافة والطور وتسلسل الطور للتيار الكهربائي المغذي لملفات التدوير. نظرًا لأن المحول ينقل فقط قوة الانزلاق، يمكن تقليل سعته بشكل كبير.
حالياً، تعتمد أنظمة الطاقة الرياحية ذات التغذية المزدوجة بشكل أساسي على محولات AC/AC أو AC/DC/AC. تم استبدال محولات AC/AC بشكل كبير بمحولات AC/DC/AC ذات المصدر الجهد بسبب الأضداد العالية التي تنتجها وعامل القوة المنخفض للجهد الداخل والمعدات الكهربائية الزائدة. رغم أن محولات المصفوفة قد تم استكشافها لنظم التغذية المزدوجة، فإن بناءها المعقد ومطالب الجهد العالي وعدم فصل المدخلات والمخرجات يحدان من استخدامها في تطبيقات الطاقة الرياحية.
طور هذا البحث نظام طاقة رياح ذا تغذية مزدوجة يعمل بتقنية AC/DC/AC ذات المصدر الجهد ويتحكم فيه معالجان رقميان مزدوجان (DSPs). يستخدم المحول الجهة الشبكة السيطرة المتجهة للجهد، بينما يستخدم المحول الجهة الدوارة السيطرة المتجهة للجهد المستقر. أثبتت التجارب أن النظام يدعم تدفق الطاقة ثنائي الاتجاه وتنظيم عامل القوة المستقل للمدخلات والمخرجات وأضداد منخفضة وتشغيل مستقر في نطاق واسع وإنتاج طاقة عالية الجودة من مصادر طاقة غير مستقرة مثل الرياح.
2 تكوين النظام
كما هو موضح في الشكل 1، يتكون النظام من خمسة أجزاء:
- المولد ذو التغذية المزدوجة (مولد الإستقراء ذو التغذية الدوارة)
- محول AC/DC/AC ثنائي الاتجاه ذو المصدر الجهد (محول ثلاثي الأطوار متعدد الوظائف باستخدام وحدات IPM)
- وحدة التحكم DSP المزدوج (DSP ثابت النقطة TMS320LF2407A + DSP عائم النقطة TMS320VC33)
- جهاز حماية الاتصال بالشبكة (مفتاح دوار/ثابت)
- توربين رياح متغير السرعة افتراضي (محرك DC + نظام سيمنز SIVOREG للتحكم في السرعة بواسطة الصمامات الثنائية)
تفاصيل رئيسية
- اتصال المحول: الجهة الشبكة عبر مكثفات ثلاثية الأطوار؛ الجهة الدوارة عبر حلقات الانزلاق/الفراشي إلى ملفات التدوير للمولد.
- دورات DSP المزدوج: LF2407A يقوم بتبادل البيانات وإنشاء PWM والإشارات الشبكية؛ VC33 يقوم بتنفيذ الخوارزميات الأساسية؛ ذاكرة الوصول العشوائي ثنائية المنفذ تمكن من مشاركة البيانات في الوقت الحقيقي؛ CPLD يعالج فك شفرة العنوان.
- حماية الشبكة: عند حدوث أعطال، قم بإلغاء توصيل المفتاح الثابت وإيقاف PWM أولاً؛ ثم انتظر قبل فتح المفتاح الدوار.
3 السيطرة المتجهة لمولد التغذية المزدوجة
3.1 مبادئ السيطرة
في الإطار الدوار المتزامن (d-محور محاذا مع الجهد المستقر)، يكون نموذج مولد التغذية المزدوجة:
usd=Rsisd+dψsddt−ωsψsq{u_{sd} = R_s i_{sd} + \frac{d\psi_{sd}}{dt} - \omega_s \psi_{sq}}usd=Rsisd+dtdψsd−ωsψsq
usq=Rsisq+dψsqdt+ωsψsd{u_{sq} = R_s i_{sq} + \frac{d\psi_{sq}}{dt} + \omega_s \psi_{sd}}usq=Rsisq+dtdψsq+ωsψsd
urd=Rrird+dψrddt−ωslipψrq{u_{rd} = R_r i_{rd} + \frac{d\psi_{rd}}{dt} - \omega_{\text{slip}} \psi_{rq}}urd=Rrird+dtdψrd−ωslipψrq
urq=Rrirq+dψrqdt+ωslipψrd{u_{rq} = R_r i_{rq} + \frac{d\psi_{rq}}{dt} + \omega_{\text{slip}} \psi_{rd}}urq=Rrirq+dtdψrq+ωslipψrd
معادلات الفيض:
ψsd=Lmims+Lsisd=Lmims{\psi_{sd} = L_m i_{ms} + L_s i_{sd} = L_m i_{ms}}ψsd=Lmims+Lsisd=Lmims
ψsq=−Lmirq{\psi_{sq} = -L_m i_{rq}}ψsq=−Lmirq
ψrd=Lrird+Lmisd{\psi_{rd} = L_r i_{rd} + L_m i_{sd}}ψrd=Lrird+Lmisd
ψrq=Lrirq+Lmisq{\psi_{rq} = L_r i_{rq} + L_m i_{sq}}ψrq=Lrirq+Lmisq
معادلة العزم:
Te=−npLmimsirqLs{T_e = -\frac{n_p L_m i_{ms} i_{rq}}{L_s}}Te=−LsnpLmimsirq
إهمال هبوط الجهد بسبب مقاومة الثابت، يحقق الفيض الثابت:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0
استراتيجية السيطرة:
- التيار العام للفيض الثابت imsi_{ms}ims → العزم الكهرومغناطيسي Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te∝irq
- للوصول لعامل قوة وحدوي، يتم توفير التيار المثير بالكامل من الدوار (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims=ird)
- بعد التعويض عن التفكيك الأمامي، يتم تنظيم urdu_{rd}urd و urqu_{rq}urq لتسيطر على الفيض والعزم الدوار، على التوالي.
3.2 السيطرة على الشبكة
- الاتصال الناعم بالشبكة:
- عندما يصل سرعة الرياح إلى قيمة التشغيل الأولي، يحرك التوربين المولد إلى أقل سرعة.
- تنشيط المحول لتطابق الجهد الثابت مع الشبكة (الكثافة والطور والتواتر).
- الترابط التلقائي عند تحقيق شروط الاتصال بالشبكة.
- فصل الاتصال: تخفيف الحمل تدريجيًا إلى حالة عدم الحمل قبل الفصل. يجب العمل ضمن نطاق السرعات المسموح به.
4 السيطرة المتجهة للمحول الجهة الشبكة
في الإطار الدوار الثنائي الأطوار (d-محور محاذا مع جهد الطور A)، يكون نموذج المحول PWM:
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−ωsLiq+sdudc
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+ωsLid+squdc
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(sdid+sqiq)−iload
معادلات القوة:
P=udid,Q=udiq{P = u_d i_d, \quad Q = u_d i_q}P=udid,Q=udiq
منطق السيطرة:
- جهد الشبكة الثابت → تنظيم idi_did لضبط القوة النشطة؛ iqi_qiq للقوة الرديفة.
- معادلات السيطرة مع تعويض الجهد:
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−ωsLiq+ud
uq∗=(R+Lddt)iq+ωsLid{u_q^* = (R + L\frac{d}{dt})i_q + \omega_s L i_d}uq∗=(R+Ldtd)iq+ωsLid
5 النتائج التجريبية
التحقق الرئيسي:
- اتصال ناعم بالشبكة عبر نطاق سرعات واسع؛
- تنظيم عامل القوة المستقل (الجهة الثابتة والجهة الشبكة تصل إلى الوحدة)؛
- قدرة محول AC/DC/AC على تدفق الطاقة ثنائي الاتجاه تلبي احتياجات الإنتاج.
6 الخاتمة
طور هذا البحث نظام طاقة رياح ذو تغذية مزدوجة يعمل بتقنية AC/DC/AC ذات المصدر الجهد ويعتمد على معالجين رقميين مزدوجين (DSPs). بالإضافة إلى السيطرة المتجهة للجهد الجهة الشبكة والسيطرة المتجهة للجهد المستقر الجهة الدوارة، أظهرت التجارب:
- يحقق النظام تدفق الطاقة ثنائي الاتجاه وتنظيم عامل القوة المستقل للمدخلات والمخرجات؛
- الأضداد المنخفضة وعامل القوة العالي يضمنان جودة الطاقة؛
- الاتصال والفصل الناعمان بالشبكة يقللان من الضغوط الميكانيكية والكهربائية؛
- إمكانية التطبيق على تركيبات الطاقة الرياحية الكبيرة الحجم من فئة الميجاوات.
