Výzkum čidlo frekvenčního měniče pro větrné turbíny s proměnnou rychlostí a konstantní frekvencí

1 Úvod​
Větrná energie je obnovitelný zdroj energie s významným rozvojovým potenciálem. V posledních letech získala technologie větrné energie rozsáhlou pozornost u odborníků po celém světě. Jako klíčový směr pro rozvoj větrné energie se ukazuje technologie proměnné rychlosti a konstantní frekvence (VSCF), která používá dvojitě napájený systém větrné energie jako optimalizované řešení. V tomto systému jsou statorové vinutí generátoru připojeny přímo k síti, zatímco kontrola VSCF je dosažena regulací frekvence, amplitudy, fáze a pořadí fází napájecího proudu rotorových vinutí. Protože převodník přenáší pouze kluzu, může být jeho kapacita výrazně snížena.

Současně dvojitě napájené systémy větrné energie primárně využívají převodníky AC/AC nebo AC/DC/AC. Převodníky AC/AC byly téměř kompletně nahrazeny převodníky AC/DC/AC s napájením ze zdroje napětí kvůli vysokému obsahu harmonických složek, nízkému faktoru vstupní moci a nadměrnému počtu silnoproudých zařízení. Ačkoli byly pro dvojitě napájené systémy zkoumány i matice převodníků, jejich komplexní struktura, vysoké požadavky na výdrž napětí a nerozdělená vstupně-výstupní kontrola omezují jejich použití v aplikacích větrné energie.

Tato studie vyvíjí dvojitě napájený systém větrné energie s napájením ze zdroje napětí řízený dvěma DSP. Síťový převodník používá vektorovou kontrolu orientovanou na napětí, zatímco rotorový převodník využívá vektorovou kontrolu orientovanou na statorový tok. Experimenty potvrzují, že systém podporuje obousměrný tok energie, nezávislou regulaci faktoru vstupní moci, nízkou harmonickou deformaci, stabilní širokospektrální provoz a vysokou kvalitu výroby elektřiny z nestabilních zdrojů energie, jako je vítr.

​2 Konfigurace systému​
Jak je znázorněno na obrázku 1, systém se skládá ze pěti částí:

• Dvojitě napájený generátor (generátor s vinutím na rotoru)
• Převodník AC/DC/AC s bidirekčním PWM (back-to-back trojfázový rectifikátor/inverzní modul IPM)
• Řadič s dvojitým DSP (pevnopozicový DSP TMS320LF2407A + plovoucí desetinnou čárku DSP TMS320VC33)
• Zařízení pro ochranu při připojení k síti (rotorové/statorové kontaktní spínání)
• Virtuální variabilní větrná turbína (stejnosměrný motor + systém řízení rychlosti thyristorů SIEMENS SIVOREG)

​Klíčové detaily​

• Připojení převodníků: síťový převodník přes trojfázové cívky; rotorový převodník přes kolíkové okruhy/čepičky k rotorovým vinutím generátoru.
• Roly dvojitého DSP: LF2407A zajišťuje výměnu dat, generování PWM a síťové signály; VC33 provádí jádrové algoritmy; dvojportová RAM umožňuje reálně časové sdílení dat; CPLD zpracovává dekódování adres.
• Ochrana při připojení k síti: v případě poruch odpojte nejdříve statorové kontaktní spínání a blokujte PWM; po prodlevě odpojte rotorové kontaktní spínání.

​3 Vektorová kontrola dvojitě napájeného generátoru​
​3.1 Principy řízení​
V synchronním rotačním rámci (d-osa zarovnaná s tokem statoru) je model dvojitě napájeného generátoru:
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​

​Equace toku:​​
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​

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

Při zanedbání poklesu napětí statorového odpory splňuje tok statoru:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd​≈usq​/ωs​,ψsq​≈0

​Strategie řízení:​​

• Konstantní zobecněný excitující proud statoru imsi_{ms}ims​ → Elektromagnetický točivý moment Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• Pro jednotkový faktor moci je excitující proud plně dodáván rotoru (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​)
• Po předpředávací kompenzaci dekouplingu se reguluje urdu_{rd}urd​ a urqu_{rq}urq​ pro řízení rotorového toku a točivého momentu, v tomto pořadí.

​3.2 Síťové řízení​

• Měkké připojení k síti:
1. Po dosažení rychlosti větru hodnoty zapojení turbína pohání generátor do minimální rychlosti.
2. Aktivujte převodník pro vyrovnání statorového napětí s sítí (amplituda, fáze, frekvence).
3. Automatická synchronizace po splnění podmínek připojení k síti.
• Odpojení: Postupně odložte do stavu bez zátěže před odpojením. Musí být provedeno v povoleném rozsahu rychlostí.

​4 Vektorová kontrola síťového rectifikátoru​
V dvoufázovém synchronním rotačním rámci (d-osa zarovnaná s napětím fáze A) je model PWM rectifikátoru:
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​

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

​Logika řízení:​​

• Konstantní síťové napětí → Regulace idi_did​ pro kontrolu aktivní moci; iqi_qiq​ pro reaktivní moc.
• Řídicí equace s kompenzací napětí:
  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 Experimentální výsledky​
​Klíčové ověření:​​

• Spolehlivé měkké připojení k síti v širokém rozsahu rychlostí;
• Nezávislá regulace faktoru moci (statorová/síťová strana obě dosahují jednotkového faktoru moci);
• Schopnost obousměrného toku energie převodníkem AC/DC/AC splňuje požadavky na výrobu elektřiny.

​6 Závěr​
Tato studie vyvíjí dvojitě napájený systém větrné energie s napájením ze zdroje napětí založený na dvou DSP. Spolu s síťovou vektorovou kontrolou orientovanou na napětí a rotorovou vektorovou kontrolou orientovanou na statorový tok experimenty demonstrovaly:

1. Systém dosahuje obousměrného toku energie a nezávislé regulace faktoru vstupní a výstupní moci;
2. Nízké harmonické složky a vysoký faktor moci zajišťují kvalitu energie;
3. Měkké připojení a odpojení k síti snižují mechanické a elektrické zatěžování;
4. Užití pro velké instalace větrné energie ve třídě megawattů.