پژوهش درباره تبدیل‌کننده فرکانس برانگیزش برای توربین‌های بادی سرعت متغیر فرکانس ثابت

1 مقدمه​
انرژی باد یک منبع انرژی تجدیدپذیر با پتانسیل توسعه قابل توجه است. در سال‌های اخیر، فناوری بادی برای نیروگیری توجه گسترده‌ای از دانشمندان سراسر جهان را به خود جلب کرده است. به عنوان یک جهت کلیدی در توسعه انرژی باد، فناوری سرعت متغیر-فرکانس ثابت (VSCF) از سیستم بادی دوگذری به عنوان یک راه حل بهینه استفاده می‌کند. در این سیستم، سیم‌پیچ‌های استاتور مستقیماً به شبکه متصل می‌شوند، در حالی که کنترل VSCF از طریق تنظیم فرکانس، دامنه، فاز و توالی فاز سیم‌پیچ‌های روتور انجام می‌شود. چون تبدیل‌کننده فقط انرژی لغزشی را منتقل می‌کند، ظرفیت آن می‌تواند به شدت کاهش یابد.

در حال حاضر، سیستم‌های بادی دوگذری عمدتاً از تبدیل‌کننده‌های AC/AC یا AC/DC/AC استفاده می‌کنند. تبدیل‌کننده‌های AC/AC به دلیل هارمونیک‌های خروجی بالا، ضریب توان ورودی پایین و تعداد زیاد دستگاه‌های توان، تقریباً به تبدیل‌کننده‌های AC/DC/AC با منبع ولتاژ جایگزین شده‌اند. با این وجود، تبدیل‌کننده‌های ماتریسی برای سیستم‌های دوگذری مورد بررسی قرار گرفته‌اند، اما ساختار پیچیده، نیاز به تحمل ولتاژ بالا و کنترل غیرجداشدنی ورودی/خروجی محدودیت‌هایی را در کاربردهای بادی به همراه دارند.

این مطالعه یک سیستم بادی دوگذری با منبع ولتاژ AC/DC/AC کنترل‌شده توسط دو DSP توسعه داده است. تبدیل‌کننده طرف شبکه از کنترل برداری مبتنی بر ولتاژ استفاده می‌کند، در حالی که تبدیل‌کننده طرف روتور از کنترل برداری مبتنی بر فلوکس استاتور استفاده می‌کند. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که این سیستم پشتیبانی از جریان توان دوطرفه، تنظیم مستقل ضریب توان ورودی/خروجی، تحریف هارمونیک پایین، عملکرد پایدار در محدوده گسترده و تولید توان با کیفیت بالا از منابع ناپایدار مانند باد را ارائه می‌دهد.

​2 پیکربندی سیستم​
همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، سیستم شامل پنج بخش است:

• ژنراتور دوگذری (ژنراتور القایی با سیم‌پیچ روتور)
• تبدیل‌کننده AC/DC/AC دوطرفه PWM با منبع ولتاژ (مستطیل‌بندی‌کننده/آزادساز سه‌فاز با مدูล‌های IPM)
• کنترل‌کننده دو-DSP (DSP نقطه ثابت TMS320LF2407A + DSP نقطه شناور TMS320VC33)
• دستگاه محافظ اتصال به شبکه (کنتاکتورهای روتور/استاتور)
• توربین بادی مجازی سرعت متغیر (موتور DC + سیستم کنترل سرعت thyristor SIEMENS SIVOREG)

​جزئیات کلیدی​

• اتصال تبدیل‌کننده: طرف شبکه از طریق سه اندوکتانس سه‌فاز؛ طرف روتور از طریق حلقه‌های لغزشی/پین‌های فرش به سیم‌پیچ‌های روتور ژنراتور.
• نقش‌های دو-DSP: LF2407A مسئول تبادل داده، تولید PWM و سیگنال‌های شبکه است؛ VC33 الگوریتم‌های اصلی را اجرا می‌کند؛ RAM دوپورته به اشتراک گذاری داده‌های زنده را ممکن می‌سازد؛ CPLD پردازش رمزگشایی آدرس را انجام می‌دهد.
• محافظت از شبکه: در صورت بروز خطا، ابتدا کنتاکتور استاتور قطع شده و PWM مسدود می‌شود؛ سپس پس از تأخیر، کنتاکتور روتور باز می‌شود.

​3 کنترل برداری ژنراتور دوگذری​
​3.1 اصول کنترل​
در چارچوب چرخش همزمان (d-محور همسو با فلوکس استاتور)، مدل ژنراتور دوگذری به صورت زیر است:
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​

​معادلات فلوکس:​​
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​

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

با نادیده گرفتن افت ولتاژ مقاومت استاتور، فلوکس استاتور رضایت می‌بخشد:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd​≈usq​/ωs​,ψsq​≈0

​استراتژی کنترل:​​

• جریان تحریک عمومی استاتور ثابت imsi_{ms}ims​ → گشتاور الکترومغناطیسی Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• برای ضریب توان واحد، جریان تحریک کاملاً توسط روتور (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​) تأمین می‌شود.
• بعد از جبران کوپلینگ پیش‌خور، urdu_{rd}urd​ و urqu_{rq}urq​ تنظیم می‌شوند تا به ترتیب فلوکس و گشتاور روتور را کنترل کنند.

​3.2 کنترل شبکه​

• اتصال نرم به شبکه:
1. هنگامی که سرعت باد به مقدار قطع شدن می‌رسد، توربین ژنراتور را به حداقل سرعت می‌راند.
2. فعال کردن تبدیل‌کننده برای هماهنگی ولتاژ استاتور با شبکه (دامنه، فاز، فرکانس).
3. هماهنگی خودکار در صورت برقراری شرایط اتصال به شبکه.
• قطع اتصال: قبل از قطع اتصال به حالت بدون بار تدریجی شدن. باید در محدوده سرعت مجاز عمل کند.

​4 کنترل برداری مستطیل‌بندی‌کننده طرف شبکه​
در چارچوب چرخش دو فاز (d-محور همسو با ولتاژ فاز A)، مدل مستطیل‌بندی‌کننده PWM به صورت زیر است:
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​

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

​منطق کنترل:​​

• ولتاژ شبکه ثابت → تنظیم idi_did​ برای کنترل توان فعال؛ iqi_qiq​ برای کنترل توان واکنشی.
• معادلات کنترل با جبران ولتاژ:
  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 نتایج آزمایشی​
​بررسی‌های کلیدی:​​

• اتصال نرم قابل اعتماد در محدوده گسترده سرعت;
• تنظیم مستقل ضریب توان (طرف استاتور/شبکه هر دو به واحد می‌رسند);
• توانایی جریان توان دوطرفه تبدیل‌کننده AC/DC/AC نیازهای تولید را برآورده می‌کند.

​6 نتیجه‌گیری​
این مطالعه یک سیستم بادی دوگذری با منبع ولتاژ AC/DC/AC مبتنی بر دو-DSP توسعه داده است. با ترکیب کنترل برداری مبتنی بر ولتاژ طرف شبکه و مبتنی بر فلوکس استاتور طرف روتور، آزمایش‌ها نشان می‌دهند:

1. سیستم توانایی جریان توان دوطرفه و تنظیم مستقل ضریب توان ورودی/خروجی را دارد؛
2. هارمونیک پایین و ضریب توان بالا کیفیت توان را تضمین می‌کنند؛
3. اتصال/قطع نرم به شبکه تنش مکانیکی/الکتریکی را کاهش می‌دهد؛
4. قابلیت کاربرد در نصب‌های بادی بزرگ‌مقیاس کلاس مگاوات.