Έρευνα στον μετατροπέα διάσπασης για ανεμογεννήτριες με σταθερή συχνότητα και μεταβλητή ταχύτητα

1 Εισαγωγή​
Η αεριοδυναμική ενέργεια είναι μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας με σημαντικό δυναμικό ανάπτυξης. Τα τελευταία χρόνια, η τεχνολογία αεριοδυναμικής ενέργειας έχει προσελκύσει εκτεταμένη προσοχή από επιστήμονες σε παγκόσμιο επίπεδο. Ως κύρια κατεύθυνση για την ανάπτυξη της αεριοδυναμικής ενέργειας, η τεχνολογία μεταβαλλόμενης ταχύτητας και σταθερής συχνότητας (VSCF) χρησιμοποιεί το διπλώς εφοδιασμένο σύστημα αεριοδυναμικής ενέργειας ως βελτιωμένη λύση. Σε αυτό το σύστημα, οι στατικές στροφές του γεννήτρια συνδέονται άμεσα με το δίκτυο, ενώ η ελεγχούμενη VSCF επιτυγχάνεται μέσω της ρύθμισης της συχνότητας, της έντασης, της φάσης και της ακολουθίας φάσης της εφοδιασμού των στροφών του ρότορα. Επειδή ο μετατροπέας μεταφέρει μόνο την ισχύ της διάφορης ταχύτητας, η δυνατότητά του μπορεί να μειωθεί σημαντικά.

Τρέχον, τα διπλώς εφοδιασμένα συστήματα αεριοδυναμικής ενέργειας χρησιμοποιούν κυρίως μετατροπείς AC/AC ή AC/DC/AC. Οι μετατροπείς AC/AC έχουν αντικατασταθεί σε μεγάλο βαθμό από τους μετατροπείς AC/DC/AC με πηγή τάσης, λόγω των υψηλών αρμονικών της έξοδου, του χαμηλού παράγοντα δύναμης της εισόδου και των υπερβολικών ενεργειακών συσκευών. Παρ' όλα αυτά, οι μετατροπείς μήτρας έχουν εξεταστεί για τα διπλώς εφοδιασμένα συστήματα, αλλά η περίπλοκη δομή, οι υψηλές απαιτήσεις αντοχής σε τάση και ο μη αποσυνδεδεμένος έλεγχος εισόδου/έξοδου περιορίζουν την εφαρμογή τους σε εφαρμογές αεριοδυναμικής ενέργειας.

Αυτή η μελέτη αναπτύσσει ένα διπλώς εφοδιασμένο σύστημα αεριοδυναμικής ενέργειας με πηγή τάσης AC/DC/AC, ελεγχόμενο από δύο DSPs. Ο μετατροπέας της πλευράς δικτύου χρησιμοποιεί ελεγχό με διανυσματική προσέγγιση, ενώ ο μετατροπέας της πλευράς ρότορα χρησιμοποιεί ελεγχό με διανυσματική προσέγγιση προσανατολισμένη στην στατική διατροπή. Οι πειραματικές επιβεβαιώσεις αποδεικνύουν ότι το σύστημα υποστηρίζει δικτυακό ρεύμα διπλής κατεύθυνσης, ανεξάρτητη ρύθμιση του παράγοντα δύναμης της εισόδου/έξοδου, χαμηλή διαστροφή αρμονικών, σταθερή λειτουργία σε ευρύ φάσμα, και υψηλή ποιότητα παραγωγής ενέργειας από ασταθείες πηγές, όπως ο αέρας.

​2 Διάταξη του Συστήματος​
Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1, το σύστημα αποτελείται από πέντε μέρη:

• Διπλώς εφοδιασμένος γεννήτρια (γεννήτρια με στροφόρο)
• Μετατροπέας πηγής τάσης AC/DC/AC διπλής κατεύθυνσης PWM (μετατροπέας ορθογωνικής μορφής ανάθεσης/επιστροφής τριφασικών ρευστών με IPM μόνιμα μαγνητικά)
• Ελεγκτής διπλών DSP (σταθερού σημείου DSP TMS320LF2407A + κινητού σημείου DSP TMS320VC33)
• Συσκευή προστασίας σύνδεσης με το δίκτυο (επαφές ρότορα/στατικού)
• Εικονικός αεριοδυναμικός γεννήτριας μεταβαλλόμενης ταχύτητας (DC μοτέρ + σύστημα ρύθμισης ταχύτητας SIEMENS SIVOREG με θυρίστες)

​Κύρια Λεπτομέρειες​

• Σύνδεση μετατροπέα: Πλευρά δικτύου μέσω τριφασικών αντιδρών; πλευρά ρότορα μέσω σλάινγκ/πένες στις στροφές του ρότορα.
• Ρόλοι διπλών DSP: LF2407A επεξεργάζεται ανταλλαγή δεδομένων, δημιουργία PWM, και σήματα δικτύου; VC33 εκτελεί βασικά αλγόριθμα; διπλή RAM επιτρέπει ανταλλαγή δεδομένων σε πραγματικό χρόνο; CPLD επεξεργάζεται αποκωδικοποίηση διευθύνσεων.
• Προστασία δικτύου: Σε περίπτωση σφάλματος, αποσυνδέστε την επαφή του στατικού και μπλοκάρετε το PWM πρώτα; καθυστερήστε πριν ανοίξετε την επαφή του ρότορα.

​3 Διανυσματικός Έλεγχος για Διπλώς Εφοδιασμένο Γεννήτρια​
​3.1 Αρχές Ελέγχου​
Στο συντεταγμένο σύστημα συνδρομής (d-άξονα συντεταγμένη με την στατική διατροπή), το μοντέλο του διπλώς εφοδιασμένου γεννήτρια είναι:
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​

​Εξισώσεις διατροπής:​​
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​

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

Αγνοώντας την πτώση τάσης στον στατικό αντίστατη, η στατική διατροπή ικανοποιεί:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd​≈usq​/ωs​,ψsq​≈0

​Στρατηγική έλεγχου:​​

• Σταθερή γενικευμένη ροή εφόδιασης του στατικού imsi_{ms}ims​ → Ηλεκτρομαγνητική ροπή Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• Για μοναδικό παράγοντα δύναμης, η ροή εφόδιασης παρέχεται πλήρως από τον ρότορα (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​)
• Μετά την αντιστροφή αποσυνδεδεμένης αντιστάσεως, ρυθμίστε το urdu_{rd}urd​ και το urqu_{rq}urq​ για τον έλεγχο της διατροπής του ρότορα και της ροπής, αντίστοιχα.

​3.2 Έλεγχος Δικτύου​

• Μαλακή Σύνδεση με το Δίκτυο:
1. Όταν η ταχύτητα του αέρα φτάνει στην τιμή έναρξης, ο ανεμογεννήτριας οδηγεί τον γεννήτρια στην ελάχιστη ταχύτητα.
2. Ενεργοποιήστε τον μετατροπέα για να εξισορροπήσετε την τάση του στατικού με το δίκτυο (άμπλιτουντ, φάση, συχνότητα).
3. Αυτόματη συγχρονισμένη σύνδεση με το δίκτυο όταν επιτευχθούν οι προϋποθέσεις σύνδεσης.
• Αποσύνδεση: Φορτώστε σταδιακά σε κατάσταση χωρίς φορτίο πριν από την αποσύνδεση. Πρέπει να λειτουργεί εντός του επιτρεπόμενου φάσματος ταχύτητας.

​4 Διανυσματικός Έλεγχος του Ρεκτιφαέρ της Πλευράς Δικτύου​
Στο συντεταγμένο σύστημα διπλής συνδρομής (d-άξονα συντεταγμένη με την τάση φάσης A), το μοντέλο του PWM ρεκτιφαέρ είναι:
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​−&ω;s​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​+&ω;s​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​

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

​Λογική Έλεγχου:​​

• Σταθερή τάση δικτύου → Ρυθμίστε το idi_did​ για τον έλεγχο της ενεργού ισχύος; το iqi_qiq​ για την ρυθμίση της ανενεργού ισχύος.
• Εξισώσεις ελέγχου με αντιστάθμιση τάσης:
  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​−&ω;s​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​+&ω;s​Lid​

​5 Πειραματικά Αποτελέσματα​
​Κύριες Επιβεβαιώσεις:​​

• Βασική μαλακή σύνδεση με το δίκτυο σε ευρύ φάσμα ταχύτητας;
• Ανεξάρτητη ρύθμιση του παράγοντα δύναμης (η πλευρά του στατικού και του δικτύου φτάνουν σε μοναδική);
• Ικανότητα ρεύματος διπλής κατεύθυνσης του μετατροπέα AC/DC/AC πληροί τις απαιτήσεις παραγωγής.

​6 Συμπέρασμα​
Αυτή η μελέτη αναπτύσσει ένα σύστημα διπλώς εφοδιασμένης αεριοδυναμικής ενέργειας με πηγή τάσης AC/DC/AC, βασισμένο σε δύο DSP. Σε συνδυασμό με τον διανυσματικό έλεγχο προσανατολισμένο στην τάση της πλευράς δικτύου και την προσανατολισμένη στην στατική διατροπή, οι πειραματικές επιβεβαιώσεις δείχνουν:

1. Το σύστημα επιτυγχάνει ρεύμα διπλής κατεύθυνσης και ανεξάρτητη ρύθμιση του παράγοντα δύναμης της εισόδου/έξοδου;
2. Χαμηλές αρμονικές και υψηλός παράγοντας δύναμης εξασφαλίζουν την ποιότητα της ενέργειας;
3. Η μαλακή σύνδεση/αποσύνδεση μειώνει την μηχανική/ηλεκτρική ένταση;
4. Εφαρμοστικότητα σε εγκαταστάσεις μεγάλης κλίμακας αεριοδυναμικής ενέργειας τάξης μεγάλων μεγαβατών.