Forschung zur Erregungs-Frequenzumrichter für Windturbinen mit variabler Drehzahl und konstanter Frequenz

1 Einführung​
Windenergie ist eine erneuerbare Energiequelle mit großem Entwicklungspotenzial. In den letzten Jahren hat die Windkrafttechnologie weltweit die Aufmerksamkeit von Wissenschaftlern auf sich gezogen. Als wichtige Richtung für die Entwicklung der Windkraft bietet die Drehzahlvariierende Frequenzkonstante (VSCF) Technologie das doppelt gespeiste Windkraftsystem als optimierte Lösung. In diesem System sind die Statorwicklungen des Generators direkt an das Netz angeschlossen, während die VSCF-Steuerung durch die Regulierung der Frequenz, Amplitude, Phase und Phasenfolge der Rotorwicklungsversorgung erreicht wird. Da der Umrichter nur die Schlupfleistung überträgt, kann seine Kapazität erheblich reduziert werden.

Aktuell verwenden doppelt gespeiste Windkraftsysteme hauptsächlich AC/AC- oder AC/DC/AC-Umrichter. AC/AC-Umrichter wurden weitgehend durch Spannungsquellen-AC/DC/AC-Umrichter ersetzt, aufgrund ihrer hohen Ausgangsharmonischen, niedrigen Eingangsleistungsfaktor und zu vielen Leistungselementen. Obwohl Matrixumrichter für doppelt gespeiste Systeme untersucht wurden, beschränken ihre komplexe Struktur, hohe Spannungsfestigkeitsanforderungen und nicht entkoppelte Eingangs-/Ausgangssteuerung ihre Anwendung in der Windkraft.

Diese Studie entwickelt ein spannungsquellen-AC/DC/AC doppelt gespeistes Windkraftsystem, gesteuert durch zwei DSPs. Der Netzzugangs-Umrichter verwendet Spannungsorientierte Vektorsteuerung, und der Rotorzustands-Umrichter verwendet Statorflussorientierte Vektorsteuerung. Experimente bestätigen, dass das System bidirektionale Leistungsflüsse unterstützt, unabhängige Eingangs-/Ausgangsleistungsfaktorregelung, geringe Harmonische, stabile weiträumige Betriebsweise und hochwertige Stromerzeugung aus instabilen Energien wie Wind.

​2 Systemkonfiguration​
Wie in Abbildung 1 gezeigt, besteht das System aus fünf Teilen:

• Doppelt gespeister Generator (gewickelter Rotor-Induktionsgenerator)
• Spannungsquellen-AC/DC/AC bidirektionaler PWM-Umrichter (rück-zu-rück dreiphasiger Gleichrichter/Inverter mit IPM-Modulen)
• Zwei-DSP-Controller (Festkomma-DSP TMS320LF2407A + Gleitkomma-DSP TMS320VC33)
• Netzanschluss-Schutzgerät (Rotor/Stator-Kontakte)
• Virtuelle variable Geschwindigkeit Windturbine (Gleichstrommotor + SIEMENS SIVOREG Thyristor-Geschwindigkeitssteuerungssystem)

​Wesentliche Details​

• Umrichterverbindung: Netzseite über dreiphasige Induktoren; Rotorseite über Schleifringe/Bürsten zum Generatorrotor-Wicklungen.
• Rollen der beiden DSPs: LF2407A übernimmt Datenübertragung, PWM-Erzeugung und Netzsignale; VC33 führt Kernalgorithmen aus; Dual-Port-RAM ermöglicht Echtzeitdatenaustausch; CPLD verarbeitet Adressdekodierung.
• Netzschutz: Bei Fehlern zunächst Statorkontakt trennen und PWM blockieren; Verzögerung bevor Rotorkontakt geöffnet wird.

​3 Vektorsteuerung für den doppelt gespeisten Generator​
​3.1 Steuerungsprinzipien​
Im synchronen rotierenden Bezugssystem (d-Achse ausgerichtet mit Statorfluss), lautet das Modell des doppelt gespeisten Generators:
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​

​Flussgleichungen:​​
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​

​Dreherleichung:​​
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

​Steuerungsstrategie:​​

• Konstanter statorischer allgemeiner Erregungsstrom imsi_{ms}ims​ → Elektromagnetischer Drehmoment Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• Für Einheitsleistungsfaktor wird der Erregungsstrom vollständig vom Rotor bereitgestellt (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​)
• Nach Vorwärtsentkopplungskompensation wird urdu_{rd}urd​ und urqu_{rq}urq​ reguliert, um den Rotorfluss und das Drehmoment zu steuern.

​3.2 Netzsteuerung​

• Weiche Netzverbindung:
1. Wenn die Windgeschwindigkeit den Einschaltwert erreicht, treibt die Turbine den Generator auf die Mindestgeschwindigkeit.
2. Aktiviere den Umrichter, um die Statorspannung an das Netz (Amplitude, Phase, Frequenz) anzupassen.
3. Automatische Synchronisation, wenn die Netzverbindungsbedingungen erfüllt sind.
• Trennung: Entlaste schrittweise auf Leerlaufzustand, bevor getrennt wird. Muss innerhalb des zulässigen Geschwindigkeitsbereichs betrieben werden.

​4 Vektorsteuerung des Netzseiten-Gleichrichters​
Im zweiphasigen synchronen rotierenden Bezugssystem (d-Achse ausgerichtet mit Phase-A-Spannung) lautet das Modell des PWM-Gleichrichters:
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​

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

​Steuerungslogik:​​

• Konstante Netzspannung → Reguliere idi_did​ zur Steuerung der aktiven Leistung; iqi_qiq​ für die reaktive Leistung.
• Steuerungsgleichungen mit Spannungskompensation:
  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 Experimentelle Ergebnisse​
​Wesentliche Überprüfungen:​​

• Zuverlässige weiche Netzverbindung über einen breiten Geschwindigkeitsbereich;
• Unabhängige Leistungsfaktorregelung (Stator/Netzseite erreichen beide Einheit);
• Bidirektionale Leistungsflussfähigkeit des AC/DC/AC-Umrichters entspricht den Erzeugungsanforderungen.

​6 Schlussfolgerung​
Diese Studie entwickelt ein auf zwei DSPs basierendes spannungsquellen-AC/DC/AC doppelt gespeistes Windkraftsystem. Zusammen mit der netzseitigen spannungsorientierten und der rotorseitigen statorflussorientierten Vektorsteuerung zeigen Experimente:

1. Das System erreicht bidirektionale Leistungsflüsse und unabhängige Eingangs-/Ausgangsleistungsfaktorregelung;
2. Geringe Harmonische und hoher Leistungsfaktor gewährleisten die Stromqualität;
3. Weiche Netzverbindung/Trennung reduzieren mechanische/elektrische Belastungen;
4. Anwendbarkeit für Megawatt-Klasse große Windkraftanlagen.