Изследване на преобразувател на честотата на възбуждане за вятърни турбини с променлива скорост и постоянна честота

1 Въведение​
Вятърната енергия е възобновяем източник на енергия с значителен потенциал за развитие. През последните години вятърната технология е привлекла обширно внимание от страна на учени от цял свят. Като ключово направление за развитие на вятърната енергия, технологията за променлива скорост и постоянна честота (VSCF) използва двойно подхранвана вятърна система като оптимизирано решение. В тази система, статорните обмотки на генератора се свързват директно с мрежата, докато контролът VSCF се постига чрез регулиране на честотата, амплитудата, фазата и реда на фазите на напояването на роторните обмотки. Тъй като преобразувателят предава само сърпачна мощност, неговата капацитет може да бъде значително намалена.

В момента двойно подхранваните вятърни системи използват главно AC/AC или AC/DC/AC преобразуватели. Преобразувателите AC/AC са били заменени от преобразуватели с напряжение AC/DC/AC, поради високите хармоники при изхода, ниската фактор на мощност при входа и излишъчните мощностни устройства. Въпреки че матричните преобразуватели са били разглеждани за двойно подхранвани системи, техническата сложност, изискванията за високо напрежение и недекуплиран контрол на вход/изход ограничават техния прием в приложенията за вятърна енергия.

Това проучване развива двойно подхранвана вятърна система с напряжение AC/DC/AC, която се контролира от двойно DSP. Преобразувателят на страната на мрежата използва векторен контрол, ориентиран към напрежението, а преобразувателят на страната на ротора използва векторен контрол, ориентиран към флуидното поле на статора. Експериментите потвърждават, че системата поддържа двупосочен поток на мощност, независим контрол на фактора на мощност при вход/изход, ниска хармонична деформация, стабилна работа в широк диапазон и висококачествено производство на електроенергия от нестабилни източници като вятъра.

​2 Конфигурация на системата​
Както е показано на Фигура 1, системата се състои от пет части:

• Двойно подхранван генератор (генератор с обмотки на ротора)
• Преобразувател с напряжение AC/DC/AC (двустранен трифазен выпрямител/инвертор с модули IPM)
• Двойно DSP контролно устройство (фиксна точка DSP TMS320LF2407A + плаваща точка DSP TMS320VC33)
• Защитно устройство за свързване с мрежата (контактори на ротора/статора)
• Виртуален вятърен турбин с променлива скорост (DC мотор + SIEMENS SIVOREG тиристорна система за регулиране на скоростта)

​Ключови детайли​

• Свързване на преобразувателя: Страната на мрежата чрез трифазни индуктори; страната на ротора чрез сърпачни пръстени/щепки до обмотките на ротора на генератора.
• Роли на двойно DSP: LF2407A обработва размяната на данни, генериране на PWM и сигнали от мрежата; VC33 изпълнява основните алгоритми; двупортовата RAM осигурява реално време разделяне на данни; CPLD обработва декодиране на адреси.
• Защита на мрежата: При дефекти, първо се отключват контактите на статора и блокира PWM; след забавяне се отварят контактите на ротора.

​3 Векторен контрол за двойно подхранван генератор​
​3.1 Принципи на контрола​
В синхронната въртяща се координатна система (d-осът съвпада с флуидното поле на статора), моделът на двойно подхранван генератор е:
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​

​Уравнения за флуидното поле:​​
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​

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

При игнориране на падането на напрежението от съпротивлението на статора, флуидното поле на статора удовлетворява:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd​≈usq​/ωs​,ψsq​≈0

​Стратегия на контрола:​​

• Постоянен общ екситационен ток на статора imsi_{ms}ims​ → Електромагнитен момент Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• За единичен фактор на мощност, екситационният ток е изцяло доставен от ротора (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​)
• След компенсация на декуплирането, регулирайте urdu_{rd}urd​ и urqu_{rq}urq​ за контрол на флуидното поле и момента на ротора, съответно.

​3.2 Контрол на мрежата​

• Меко свързване с мрежата:
1. Когато скоростта на вятъра достигне стойността за включване, турбината води генератора до минимална скорост.
2. Активирайте преобразувателя, за да съвпадне напрежението на статора с мрежата (амплитуда, фаза, честота).
3. Автоматично синхронизиране, когато са изпълнени условията за свързване с мрежата.
• Отключване: Постепенно разтоварете до безнагласно състояние, преди да се отключите. Трябва да работите в допустимия диапазон на скорости.

​4 Векторен контрол на выпрямителя на страната на мрежата​
В двуфазната синхронна въртяща се координатна система (d-осът съвпада с напрежението на фаза A), моделът на PWM выпрямителя е:
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​

​Уравнения за мощността:​​
P=udid,Q=udiq{P = u_d i_d, \quad Q = u_d i_q}P=ud​id​,Q=ud​iq​

​Логика на контрола:​​

• Постоянно напрежение на мрежата → Регулирайте idi_did​ за контрол на активната мощност; iqi_qiq​ за реактивната мощност.
• Уравнения за контрол с компенсация на напрежението:
  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 Експериментални резултати​
​Ключови проверки:​​

• Надеждно меко свързване с мрежата в широк диапазон на скорости;
• Независим регулация на фактора на мощност (страната на статора/мрежата достигат единица);
• Двупосочна способност за поток на мощност на преобразувателя AC/DC/AC отговаря на нуждите на производството.

​6 Заключение​
Това проучване развива двойно DSP-основана двойно подхранвана вятърна система с напряжение AC/DC/AC. Комбинирана с векторен контрол, ориентиран към напрежението на страната на мрежата и векторен контрол, ориентиран към флуидното поле на статора на страната на ротора, експериментите демонстрират:

1. Системата постига двупосочен поток на мощност и независим регулация на фактора на мощност при вход/изход;
2. Ниски хармоники и висок фактор на мощност гарантират качеството на електроенергията;
3. Меко свързване/отключване с мрежата намалява механичните и електрическите напрежения;
4. Приложимост в мегаватови, големи вятърни инсталации.