Forskning i Opladningsfrekvensomformer til Vindturbiner med Variabel Hastighed og Konstant Frekvens

1 Introduktion​
Vindenergi er en fornyelig energikilde med betydeligt udviklingspotentiale. I de seneste år har vindkraftteknologi fået stor opmærksomhed fra forskere verden over. Som en vigtig retning for vindkraftudvikling anvender variabelhastighed-konstantfrekvens (VSCF) teknologi den dobbeltfedtede vindkraftsystem som en optimeret løsning. I dette system forbinder generatorens statorvindinger direkte til nettet, mens VSCF-kontrol opnås ved at regulere frekvensen, amplituden, fasen og fasefølgen af rotorvindingernes strømforsyning. Da omformeren kun transmitterer slip-strøm, kan dens kapacitet være betydeligt reduceret.

Nuværende dobbeltfedtede vindkraftsystemer bruger hovedsageligt AC/AC eller AC/DC/AC-omformere. AC/AC-omformere er blevet erstattet af spændingskilde-AC/DC/AC-omformere på grund af deres høje udgangsharmonier, lav input-strømfaktor og overskud af strømkomponenter. Selvom matrix-omformere er blevet undersøgt for dobbeltfedtede systemer, begrænser deres komplekse struktur, høje spændingstålmodenhedskrav og ikke-dekoblede input/output-kontrol deres anvendelse i vindkraftapplikationer.

Dette studie udvikler et spændingskilde-AC/DC/AC-dobbeltfedtet vindkraftsystem styret af to DSP'er. Net-side-omformeren anvender spændingsorienteret vektor kontrol, og rotor-side-omformeren bruger stator-flux-orienteret vektor kontrol. Eksperimenter bekræfter, at systemet understøtter tovejs strømflod, uafhængig justering af input/output-strømfaktor, lav harmonisk forvrængning, stabil bredbåndsdrift og høj kvalitet strømproduktion fra ustabile energikilder som vind.

​2 Systemkonfiguration​
Som vist i figur 1 består systemet af fem dele:

• Dobbeltfedtet generator (spole-rotor induktionsgenerator)
• Spændingskilde-AC/DC/AC tovejs PWM-omformer (back-to-back tre-fase rektifier/inverter ved hjælp af IPM-moduler)
• To-DSP-styring (fastpunkts-DSP TMS320LF2407A + flydende punkts-DSP TMS320VC33)
• Netforbindelsesbeskyttelsesenhed (rotor/stator kontaktorer)
• Virtuel variabelhastighedsvindmølle (DC-motor + SIEMENS SIVOREG thyristor-hastighedsreguleringssystem)

​Nøgleoplysninger​

• Omformerforbindelse: Net-side via tre-fase induktorer; rotor-side via slipringe/pincetre til generatorens rotorvindinger.
• To-DSP roller: LF2407A håndterer dataudveksling, PWM-generering og net-signaler; VC33 udfører kernealgoritmer; dobbelt-port RAM gør realtid-data-deling mulig; CPLD behandler adresseafkodning.
• Netbeskyttelse: Ved fejl, afbryd statorkontaktor og bloker PWM først; vent før åbning af rotorkontaktor.

​3 Vektor kontrol for dobbeltfedtet generator​
​3.1 Kontrolprincipper​
I synkroniseret roterende referenceframe (d-akse alligned med stator flux), er dobbeltfedtet generatormodel:
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​

​Flux ligninger:​​
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​

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

Neglecting stator resistance voltage drop, stator flux satisfies:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd​≈usq​/ωs​,ψsq​≈0

​Kontrolstrategi:​​

• Konstant stator generaliseret opsigelsesstrøm imsi_{ms}ims​ → Elektromagnetisk kraftmoment Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• For enhed strømfaktor, opsigelsesstrøm fuldt leveret af rotor (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​)
• Efter feedforward dekoblet kompensation, reguler urdu_{rd}urd​ og urqu_{rq}urq​ for at kontrollere rotor flux og kraftmoment, hhv.

​3.2 Netkontrol​

• Blød netforbindelse:
1. Når vindhastigheden når cut-in-værdien, driver turbinen generator til minimumshastighed.
2. Aktiver omformer for at matche statorspændingen til nettet (amplitude, fase, frekvens).
3. Automatisk synkronisering, når netforbindelsesbetingelser er opfyldt.
• Frakobligen: Gradvis aflast til ingen belastning tilstand før frakobling. Må operere inden for tilladte hastighedsgrænser.

​4 Net-side rektifier vektor kontrol​
I det tofasede synkroniserede roterende referenceframe (d-akse alligned med fase-A spænding), er PWM rektifiermodel:
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​

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

​Kontrollogik:​​

• Konstant netspænding → Reguler idi_did​ for at kontrollere aktiv effekt; iqi_qiq​ for reaktiv effekt.
• Kontrol ligninger med spændingskompensation:
  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 Eksperimentelle resultater​
​Nøgleverifikationer:​​

• Pålidelig blød netforbindelse over et bredt hastighedsinterval;
• Uafhængig strømfaktorjustering (stator/net side nås begge enhed);
• Tovejs strømflod kapacitet af AC/DC/AC-omformer opfylder produktionskrav.

​6 Konklusion​
Dette studie udvikler et to-DSP-baseret spændingskilde-AC/DC/AC-dobbeltfedtet vindkraftsystem. Kombineret med net-side spændingsorienteret og rotor-side stator-flux-orienteret vektor kontrol, demonstrerer eksperimenter:

1. Systemet opnår tovejs strømflod og uafhængig justering af input/output-strømfaktor;
2. Lave harmoniske og høj strømfaktor sikrer strømkvalitet;
3. Blød netforbindelse/frakobling reducerer mekanisk/eltrisk stress;
4. Anvendelighed til megawatt-klasse store vindkraftinstallationer.