Dəyişən sürətli sabit chastotlu rüzgar turbinləri üçün aksitasiya frekvensiya çeviricisi haqqında araşdırma
1 Giriş
Rüzgar enerjisi, önemli bir gelişim potansiyeline sahip yenilenebilir bir enerji kaynağıdır. Son yıllarda, rüzgar enerjisi teknolojisi dünya genelinde bilim insanlarının geniş ilgisini çekmiştir. Rüzgar enerjisinin geliştirilmesi için kilit bir yön olan değişken hız sabit frekans (VSCF) teknolojisi, çift besli rüzgar sisteminin optimize edilmiş bir çözümü olarak kullanılır. Bu sistemde, jeneratörün stator sarımı doğrudan şebekeye bağlanırken, VSCF kontrolü, rotordan beslenen güç arızasının frekansı, amperajı, fazı ve faz sırasını düzenleyerek gerçekleştirilir. Dönüştürücünün sadece kaymalı gücü iletimi yaptığından, kapasitesi önemli ölçüde azaltılabilir.
Şu anda, çift besli rüzgar sistemleri çoğunlukla AC/AC veya AC/DC/AC dönüştürücüler kullanmaktadır. Yüksek çıkış harmonikleri, düşük giriş güç faktörü ve aşırı güç cihazları nedeniyle AC/AC dönüştürücüler, gerilim kaynaklı AC/DC/AC dönüştürücüler tarafından büyük ölçüde yer değiştirilmiştir. Çift besli sistemler için matris dönüştürücüler incelenmiş olsa da, karmaşık yapısı, yüksek voltaj dayanıklılığı gereksinimi ve ayrıştırılmamış giriş/çıkış kontrolü, bu teknolojinin rüzgar enerjisi uygulamalarında yaygın kullanımını sınırlamaktadır.
Bu çalışma, çift DSP ile kontrol edilen gerilim kaynaklı AC/DC/AC çift besli rüzgar sistemini geliştirir. Şebeke tarafı dönüştürücüsü gerilim yönelimli vektör kontrolünü, rotor tarafı dönüştürücüsü ise stator akıma yönelik vektör kontrolünü kullanır. Deneyler, sistemin iki yönlü güç akışı, bağımsız giriş/çıkış güç faktörü düzenleme, düşük harmonik bozulma, geniş aralıklı istikrarlı işlem ve rüzgar gibi dengesiz enerji kaynaklarından kaliteli elektrik üretimi desteği olduğunu doğrular.
2 Sistem Yapılandırması
Şekil 1'de gösterildiği gibi, sistem beş bölümden oluşur:
- Çift besli jeneratör (sarılı rotor endüksiyon jeneratörü)
- Gerilim kaynaklı AC/DC/AC çift yönlü PWM dönüştürücü (IPM modülleri kullanılarak geri-geri üç faz dikdörtgenleme/dikdörtgenlemeci)
- Çift-DSP kontrolcü (nokta sabit DSP TMS320LF2407A + nokta kayan DSP TMS320VC33)
- Şebeke bağlantı koruma cihazı (rotor/stator kontaktörleri)
- Sanal değişken hızlı rüzgar türbini (DC motor + SIEMENS SIVOREG tiristör hız kontrol sistemi)
Önemli Detaylar
- Dönüştürücü bağlantısı: Üç faz bobinleri aracılığıyla şebeke tarafına; sürtünme halkaları/fırçalar aracılığıyla jeneratör rotor sarımına.
- Çift-DSP rolleri: LF2407A veri değişimi, PWM oluşturma ve şebeke sinyallerini ele alır; VC33 ana algoritmaları yürütür; çift port RAM gerçek zamanlı veri paylaşımını sağlar; CPLD adres çözme işlemini gerçekleştirir.
- Şebeke koruması: Arızalar durumunda, önce stator kontaktörünü devre dışı bırakın ve PWM'yi engelleyin; sonra rotor kontaktörünü açmadan önce bir gecikme oluşturun.
3 Çift Besli Jeneratör İçin Vektör Kontrolü
3.1 Kontrol Prensipleri
Senkron dönen çerçevede (d-ekseni stator akısıyla hizalanmış), çift besli jeneratör modeli:
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
Akı denklemleri:
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
Tork denklemi:
Te=−npLmimsirqLs{T_e = -\frac{n_p L_m i_{ms} i_{rq}}{L_s}}Te=−LsnpLmimsirq
Stator direnci voltaj düşümünü ihmal edersek, stator akısı:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0
Kontrol stratejisi:
- Sabit stator genelleştirilmiş zorlama akımı imsi_{ms}ims → Elektromanyetik tork Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te∝irq
- Birim güç faktörü için, zorlama akımı tamamen rotordan sağlanır (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims=ird)
- İleri besleme ayrıştırma kompensasyonundan sonra, urdu_{rd}urd ve urqu_{rq}urq düzenlenerek sırasıyla rotor akısı ve tork kontrol edilir.
3.2 Şebeke Kontrolü
- Yumuşak Şebeke Bağlantısı:
- Rüzgar hızı kesme değeri ulaştığında, türbin jeneratörü minimum hıza getirir.
- Dönüştürücüyü etkinleştirerek stator voltajını şebekeye (genlik, faz, frekans) uygun hale getirin.
- Şebeke bağlantı koşullarına uyan otomatik senkronizasyon.
- Bağlantıyı Kesme: Bağlantıyı kesmeden önce yavaşça boş yük durumuna getirin. İzin verilen hız aralığında çalışmalıdır.
4 Şebeke Taraflı Dikdörtgenlemeci Vektör Kontrolü
İki faz senkron dönen çerçevede (d-ekseni A faz voltajıyla hizalanmış), PWM dikdörtgenlemeci modeli:
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
Güç denklemleri:
P=udid,Q=udiq{P = u_d i_d, \quad Q = u_d i_q}P=udid,Q=udiq
Kontrol mantığı:
- Sabit şebeke voltajı → Aktif gücün kontrolü için idi_did düzenlenir; reaktif güç için iqi_qiq düzenlenir.
- Gerilim kompansasyonlu kontrol denklemleri:
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 Deneysel Sonuçlar
Önemli Doğrulamalar:
- Geniş hız aralığında güvenilir yumuşak şebeke bağlantısı;
- Bağımsız güç faktörü düzenleme (stator/şebeke tarafı her ikisi de birliğe ulaşır);
- AC/DC/AC dönüştürücünün iki yönlü güç akışı yeteneği, üretim ihtiyaçlarını karşılar.
6 Sonuç
Bu çalışma, çift DSP tabanlı gerilim kaynaklı AC/DC/AC çift besli rüzgar sistemini geliştirir. Şebeke tarafı gerilim yönelimli ve rotor tarafı stator akıma yönelik vektör kontrolü ile birleştirildiğinde, deneyler gösterir ki:
- Sistem iki yönlü güç akışı ve bağımsız giriş/çıkış güç faktörü düzenleme başarısını elde eder;
- Düşük harmonikler ve yüksek güç faktörü elektrik kalitesini sağlar;
- Yumuşak şebeke bağlantı/kesme mekanik/elektriksel gerilimi azaltır;
- Megavat sınıfı büyük ölçekli rüzgar enerjisi kurulumlarına uygulanabilir.
