Muutuva sageduse ja muudetava kiiruse tuuliturbinide seenetuse sageduse teisenduri uurimine

1 Sissejuhatus​
Tuuleenergia on taastuv energiaallikas, millel on oluline arendamis potentiaal. Viimastel aastatel on tuuleenergia tehnoloogia saanud palju tähelepanu kogu maailma teadlastelt. Muutuvkiiruseline konstantne sagedus (VSCF) tehnoloogia on oluline suund tuuleenergia arengus ja see kasutab topeltvoorga tuuleenergiaga süsteemi optimeeritud lahendusena. Selles süsteemis ühendatakse generaatori statoripäringid otse võrguga, samas kui VSCF kontrollitakse reguleerides rotoripäringu toite sagedust, amplituudi, faasi ja faasisarja. Kuna muundur edastab ainult lülituspäringut, võib selle kapatsusi oluliselt vähendada.

Praegu kasutatakse topeltvoorga tuuleenergiaga süsteemides peamiselt AC/AC või AC/DC/AC muundurid. AC/AC muundurid on suuresti asendatud pingeallikaga AC/DC/AC muunduritega nende kõrge väljundharmonika, madala sisendi jõudfaktori ja liiga suure võimsuse tõttu. Kuigi maatriksmuundurid on uuritud topeltvoorga süsteemide jaoks, piiravad nende keeruline struktuur, kõrge pingekandeväline nõue ja mitteeraldatav sisendi/väljundi kontroll nende kasutamist tuuleenergia rakendustes.

Selles uuringus on arendatud pingeallikaga AC/DC/AC topeltvoorga tuuleenergiaga süsteem, mis kontrollitakse kahe DSP-ga. Võrgupoolne muundur kasutab pingeesituslikku vektorikontrolli ja rotori-poolne muundur kasutab statorifluxi-esituslikku vektorikontrolli. Katseanded kinnitavad, et süsteem toetab kahepoolset energiavahetust, sõltumatut sisendi/väljundi jõudfaktori reguleerimist, madalat harmonikade distorsiooni, stabiilset laiaulatuslikku tööd ja kõrget kvaliteediga elektri tootmist ebastabiilsetest energiaallikatest, nagu tuul.

​2 Süsteemi konfiguratsioon​
Nagu näha joonis 1, koosneb süsteem viiest osast:

• Topeltvoorga generaator (pöördvõrgu induktioongeneraator)
• Pingeallikaga AC/DC/AC kahepoolne PWM muundur (tagurpidi kolmfaaselised rektifiit/inverter IPM moodulitega)
• Kahe-DSP juhtimissüsteem (fikseeritud punkt DSP TMS320LF2407A + liuguvpunkt DSP TMS320VC33)
• Võrguühenduse kaitse seade (rotori/stator kontaktorid)
• Virtualne muutuvkiiruseline tuuleturbine (DC mootor + SIEMENS SIVOREG thyristor kiiruskontrollisüsteem)

​Olulised üksikasjad​

• Muunduri ühendused: võrgupoolne kolmfaasiliste induktorite kaudu; rotori-poolne slip rinntega/gaasidel generaatoriga.
• Kahe-DSP rollid: LF2407A haldab andmevahetust, PWM genereerimist ja võrgusignaale; VC33 täidab peamisi algoritme; kaheportaalne RAM võimaldab reaalajas andmete jagamist; CPLD töötleb aadresside dekodeerimist.
• Võrgukaitse: Veateadete korral katkestatakse esmalt statorikontaktor ja blokeeritakse PWM, hiljem avatakse rotori-kontaktor.

​3 Topeltvoorga generaatori vektorikontroll​
​3.1 Kontrolliprinitsiped​
Sünkroonse pöördva raami (d-teljega statorifluxiga vastavuses) topeltvoorga generaatori mudel on:
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​

​Fluxi võrrandid:​​
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​

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

Statoripindresistantsi pingevalamu eiramisel rahuldab statoriflux järgmist:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd​≈usq​/ωs​,ψsq​≈0

​Kontrollstrateegia:​​

• Püsiv stator üldistatud exciteerimispäring ims → Elektromagnetiline pöörlemoment Te ∝ irq
• Ühiku jõudfaktori korral on exciteerimispäring täielikult rotorist (ims = ird)
• Eelkorrigeeriva eraldamise kompensatsiooni järel reguleeritakse urd ja urq, et kontrollida rotori fluxi ja pöörlemomenti vastavalt.

​3.2 Võrgukontroll​

• Pehme võrguühendus:
1. Kui tuulesuurus jõuab ühenduse sisseviimise väärtuseni, käivitab turbin generaatoriga minimaalsel kiirusel.
2. Aktiveeritakse muundur, et ühendada statoripinge võrguga (amplituud, faas, sagedus).
3. Automaatne sinkroniseerimine, kui täidetakse võrguühenduse tingimused.
• Ühenduse katkestamine: Järk-järgult lahutatakse nullkoormatud olekus enne ühenduse katkestamist. Töötama tuleb lubatud kiiruses.

​4 Võrgupoolse rektifiidi vektorikontroll​
Kahesfaasilises sünkroonse pöördva raamis (d-teljega faasi A voltaga vastavuses) PWM rektifiidi mudel on:
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​

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

​Kontrollilogika:​​

• Püsiv võrgupinge → Reguleeritakse idi_did​ aktiivse jõudu kontrollimiseks; iqi_qiq​ reageeriva jõudu kontrollimiseks.
• Kontrollvõrrandid pingekompensatsiooniga:
  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 Katseandmed​
​Olulised verifikatsioonid:​​

• Usaldusväärne pehme võrguühendus laia kiiruse valdkonnas;
• Sõltumatu jõudfaktori reguleerimine (stator/pingevõrgu poolt saavutatakse ühik);
• AC/DC/AC muunduri kahepoolne jõudvahetusvõime vastab tootmise nõudmistele.

​6 Järeldused​
Selles uuringus on arendatud kahe-DSP-põhine pingeallikaga AC/DC/AC topeltvoorga tuuleenergiaga süsteem. Kombineerides võrgupoolse pingeesitusliku ja rotori-poolse statorifluxi-esitusliku vektorikontrolli, kinnitavad katseanded:

1. Süsteem saavutab kahepoolse jõudvahetuse ja sõltumatud sisendi/väljundi jõudfaktori reguleerimise;
2. Madalad harmonikad ja kõrge jõudfaktor tagavad elektrikvaliteedi;
3. Pehme võrguühenduse/katkestamise vähendab mehaanilist/elektrilist pinget;
4. Rakendatavus megawatti-klasiga suurte tuuleenergiaseadmete jaoks.