Recerca del conversor de freqüència d'excitació per a aerogeneradors de velocitat variable i freqüència constant

1 Introducció​
L'energia eòlica és una font d'energia renovable amb un potencial de desenvolupament significatiu. En els darrers anys, la tecnologia eòlica ha atraït l'atenció extensiva dels savants arreu del món. Com a direcció clau per al desenvolupament de l'energia eòlica, la tecnologia de velocitat variable i freqüència constant (VSCF) utilitza el sistema eòlic de doble alimentació com a solució optimitzada. En aquest sistema, les bobines de l'estator es connecten directament a la xarxa, mentre que el control VSCF s'aconsegueix regulant la freqüència, l'amplitud, la fase i la seqüència de fase de l'abastament de la bobina del rotor. Com que el convertidor només transmet la potència de lliscament, la seva capacitat es pot reduir significativament.

Actualment, els sistemes eòlics de doble alimentació utilitzen principalment convertidors AC/AC o AC/DC/AC. Els convertidors AC/AC han estat en gran part substituïts pels convertidors de corrent contínua de tensió AC/DC/AC degut als seus hàrmonics d'eixida alts, factor de potència d'entrada baix i dispositius de potència excessius. Encara que s'han explorat els convertidors matriu per als sistemes de doble alimentació, la seva estructura complexa, requisits elevats de resistència a la tensió i control d'entrada/sortida no desacoblats limiten la seva adopció en aplicacions eòliques.

Aquest estudi desenvolupa un sistema eòlic de doble alimentació de corrent contínua de tensió AC/DC/AC controlat per dos DSP. El convertidor del costat de la xarxa adopta el control vectorial orientat a la tensió, i el convertidor del costat del rotor utilitza el control vectorial orientat al flux de l'estator. Les experiments confirman que el sistema suporta el flux de potència bidireccional, la regulació independent del factor de potència d'entrada/sortida, la distorsió harmònica baixa, l'operació estable en un ampli rang i la generació d'energia de qualitat a partir de fonts d'energia inestables com el vent.

​2 Configuració del sistema​
Com es mostra a la Figura 1, el sistema consta de cinc parts:

• Generador de doble alimentació (generador d'inducció amb rotor enrolat)
• Convertidor AC/DC/AC bidireccional de tensió (rectificador/inversor de tres fases en paral·lel utilitzant mòduls IPM)
• Controlador dual-DSP (DSP de punt fix TMS320LF2407A + DSP de coma flotant TMS320VC33)
• Dispositiu de protecció de connexió a la xarxa (contactors del rotor/estator)
• Turbina eòlica virtual de velocitat variable (mòtor DC + sistema de control de velocitat de tiristors SIEMENS SIVOREG)

​Detalls clau​

• Connexió del convertidor: Costat de la xarxa a través d'inductors trifàsics; costat del rotor a través d'anells de lliscament/pins a les bobines del rotor del generador.
• Rols dels dual-DSP: LF2407A gestiona l'intercanvi de dades, la generació de PWM i els senyals de la xarxa; VC33 executa els algoritmes bàsics; la RAM de doble port permet la compartició de dades en temps real; CPLD processa el descodificació d'adreces.
• Protecció de la xarxa: En cas de falles, desconecta primer el contactor de l'estator i bloqueja el PWM; després, espera abans d'obrir el contactor del rotor.

​3 Control vectorial del generador de doble alimentació​
​3.1 Principis de control​
En el marc de rotació síncrona (eix d alineat amb el flux de l'estator), el model del generador de doble alimentació és:
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​

​Equacions de flux:​​
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​

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

Ometent la caiguda de tensió de la resistència de l'estator, el flux de l'estator compleix:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd​≈usq​/ωs​,ψsq​≈0

​Estratègia de control:​​

• Corrent generalitzat d'excitació de l'estator constant imsi_{ms}ims​ → Torque electromagnètic Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• Per a un factor de potència unitari, el corrent d'excitació es proporciona totalment pel rotor (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​)
• Després de la compensació de desacoblament per retroalimentació, reguleu urdu_{rd}urd​ i urqu_{rq}urq​ per controlar el flux del rotor i el torque, respectivament.

​3.2 Control de la xarxa​

• Connexió suau a la xarxa:
1. Quan la velocitat del vent arriba al valor de tall, la turbina porta el generador a la velocitat mínima.
2. Activa el convertidor per igualar la tensió de l'estator a la xarxa (amplitud, fase, freqüència).
3. Sincronització automàtica quan es compleixen les condicions de connexió a la xarxa.
• Desconnexió: Descarrega gradual fins a l'estat sense càrrega abans de desconectar. Ha de funcionar dins del rang de velocitat permès.

​4 Control vectorial del rectificador del costat de la xarxa​
En el marc de rotació síncrona de dues fases (eix d alineat amb la tensió de la fase A), el model del rectificador PWM és:
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​

​Equacions de potència:​​
P=udid,Q=udiq{P = u_d i_d, \quad Q = u_d i_q}P=ud​id​,Q=ud​iq​

​Lògica de control:​​

• Tensió de la xarxa constant → Regula idi_did​ per controlar la potència activa; iqi_qiq​ per la potència reactiva.
• Equacions de control amb compensació de tensió:
  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 Resultats experimentals​
​Verificacions clau:​​

• Connexió suau a la xarxa fiable en un ampli rang de velocitats;
• Regulació independent del factor de potència (el costat de l'estator i la xarxa arriben a la unitat);
• Capacitat de flux de potència bidireccional del convertidor AC/DC/AC compleix les necessitats de generació.

​6 Conclusió​
Aquest estudi desenvolupa un sistema eòlic de doble alimentació de corrent contínua de tensió AC/DC/AC basat en dos DSP. Combinat amb el control vectorial orientat a la tensió del costat de la xarxa i el control vectorial orientat al flux de l'estator del costat del rotor, els experiments demostraran:

1. El sistema aconsegueix un flux de potència bidireccional i una regulació independent del factor de potència d'entrada/sortida;
2. La distorsió harmònica baixa i el factor de potència elevat asseguren la qualitat de l'energia;
3. La connexió/desconnexió suau a la xarxa redueix l'estrés mecànic/elèctric;
4. Adequació a instal·lacions eòliques de gran escala de classe megavat.