پژوهش درباره تبدیل‌کننده فرکانس برانگیز برای توربین‌های بادی سرعت متغیر و فرکانس ثابت
1 مقدمه
انرژی باد یک منبع انرژی تجدیدپذیر با پتانسیل توسعه قابل توجه است. در سال‌های اخیر، فناوری تولید برق از باد مورد توجه گسترده دانشمندان سراسر جهان قرار گرفته است. به عنوان یک جهت کلیدی برای توسعه انرژی باد، فناوری سرعت متغیر و فرکانس ثابت (VSCF) از سیستم بادی دوگانه‌علیت به عنوان یک راه‌حل بهینه استفاده می‌کند. در این سیستم، پیچک‌های استاتور ژنراتور مستقیماً به شبکه متصل می‌شوند، در حالی که کنترل VSCF از طریق تنظیم فرکانس، دامنه، فاز و توالی فازی تغذیه پیچک‌های روتوری انجام می‌شود. از آنجا که مبدل فقط انرژی لغزشی را منتقل می‌کند، ظرفیت آن می‌تواند به طور قابل توجهی کاهش یابد.
در حال حاضر، سیستم‌های بادی دوگانه‌علیت عمدتاً از مبدل‌های AC/AC یا AC/DC/AC استفاده می‌کنند. مبدل‌های AC/AC به دلیل هارمونیک‌های خروجی بالا، ضریب قدرت ورودی پایین و تعداد زیاد دستگاه‌های قدرت، به طور گسترده‌ای با مبدل‌های AC/DC/AC منبع ولتاژ جایگزین شده‌اند. اگرچه مبدل‌های ماتریسی نیز برای سیستم‌های دوگانه‌علیت مورد بررسی قرار گرفته‌اند، اما ساختار پیچیده، نیاز به تحمل ولتاژ بالا و کنترل ورودی/خروجی غیرهمبسته آنها محدودیت‌هایی برای استفاده در کاربردهای انرژی بادی ایجاد می‌کنند.
این مطالعه یک سیستم بادی دوگانه‌علیت با مبدل AC/DC/AC منبع ولتاژ کنترل‌شده توسط دو DSP توسعه داده است. مبدل سمت شبکه از کنترل برداری مبتنی بر ولتاژ استفاده می‌کند و مبدل سمت روتور از کنترل برداری مبتنی بر فلکس استاتوری استفاده می‌کند. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که این سیستم پشتیبانی از جریان توان دوطرفه، تنظیم مستقل ضریب قدرت ورودی/خروجی، کم‌تر بودن تحریف هارمونیک، عملکرد پایدار در محدوده گسترده و تولید توان با کیفیت بالا از منابع انرژی ناپایدار مانند باد را فراهم می‌کند.
2 پیکربندی سیستم
مانند آنچه در شکل ۱ نشان داده شده است، سیستم شامل پنج بخش است:
- ژنراتور دوگانه‌علیت (ژنراتور القایی با پیچک روتوری)
- مبدل AC/DC/AC دوطرفه PWM منبع ولتاژ (مبدل یک‌سویه سه‌فاز با ماژول‌های IPM)
- کنترل‌کننده دو DSP (DSP نقطه ثابت TMS320LF2407A + DSP نقطه شناور TMS320VC33)
- دستگاه محافظی برای اتصال به شبکه (کنتاکتورهای روتور/استاتور)
- توربین بادی مجازی سرعت متغیر (موتور DC + سیستم کنترل سرعت thyristor SIEMENS SIVOREG)
جزئیات کلیدی
- اتصال مبدل: سمت شبکه از طریق سه‌فاز القایی؛ سمت روتور از طریق حلقه‌های لیز/فرش به پیچک‌های روتوری ژنراتور.
- نقش‌های دو DSP: LF2407A مسئول تبادل داده‌ها، تولید PWM و سیگنال‌های شبکه است؛ VC33 الگوریتم‌های کلیدی را اجرا می‌کند؛ حافظه RAM دو-پورتی امکان به اشتراک گذاشتن داده‌های زنده را فراهم می‌کند؛ CPLD پردازش کدگذاری آدرس را انجام می‌دهد.
- محافظت از شبکه: در صورت بروز خطاهایی، ابتدا کنتاکتور استاتور قطع و سپس PWM بلاک می‌شود؛ بعد از تأخیر، کنتاکتور روتور باز می‌شود.
3 کنترل برداری برای ژنراتور دوگانه‌علیت
3.1 اصول کنترل
در چارچوب چرخان همزمان (محور d همسو با فلکس استاتور)، مدل ژنراتور دوگانه‌علیت به صورت زیر است:
usd=Rsisd+dψsddt−ωsψsq{u_{sd} = R_s i_{sd} + \frac{d\psi_{sd}}{dt} - \omega_s \psi_{sq}}usd=Rsisd+dtdψsd−ωsψsq
usq=Rsisq+dψsqdt+ωsψsd{u_{sq} = R_s i_{sq} + \frac{d\psi_{sq}}{dt} + \omega_s \psi_{sd}}usq=Rsisq+dtdψsq+ωsψsd
urd=Rrird+dψrddt−ωslipψrq{u_{rd} = R_r i_{rd} + \frac{d\psi_{rd}}{dt} - \omega_{\text{slip}} \psi_{rq}}urd=Rrird+dtdψrd−ωslipψrq
urq=Rrirq+dψrqdt+ωslipψrd{u_{rq} = R_r i_{rq} + \frac{d\psi_{rq}}{dt} + \omega_{\text{slip}} \psi_{rd}}urq=Rrirq+dtdψrq+ωslipψrd
معادلات فلکس:
ψsd=Lmims+Lsisd=Lmims{\psi_{sd} = L_m i_{ms} + L_s i_{sd} = L_m i_{ms}}ψsd=Lmims+Lsisd=Lmims
ψsq=−Lmirq{\psi_{sq} = -L_m i_{rq}}ψsq=−Lmirq
ψrd=Lrird+Lmisd{\psi_{rd} = L_r i_{rd} + L_m i_{sd}}ψrd=Lrird+Lmisd
ψrq=Lrirq+Lmisq{\psi_{rq} = L_r i_{rq} + L_m i_{sq}}ψrq=Lrirq+Lmisq
معادله گشتاور:
Te=−npLmimsirqLs{T_e = -\frac{n_p L_m i_{ms} i_{rq}}{L_s}}Te=−LsnpLmimsirq
با نادیده گرفتن قطره ولتاژ مقاومت استاتور، فلکس استاتور به صورت زیر برآورده می‌شود:
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 قدرت یک، جریان تحریک کاملاً توسط روتور (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims=ird) تأمین می‌شود.
- بعد از جبران کوپلینگ فیدفوروارد، urdu_{rd}urd و urqu_{rq}urq را تنظیم کنید تا به ترتیب فلکس و گشتاور روتور را کنترل کنید.
3.2 کنترل شبکه
- اتصال نرم به شبکه:
- وقتی سرعت باد به مقدار قطع ورودی می‌رسد، توربین ژنراتور را به سرعت حداقل می‌راند.
- مبدل را فعال کنید تا ولتاژ استاتور با شبکه (دامنه، فاز، فرکانس) همخوانی یابد.
- همگام‌سازی خودکار در صورت برآورده شدن شرایط اتصال به شبکه.
- قطع اتصال: قبل از قطع اتصال به تدریج به حالت بدون بار برسانید. باید در محدوده سرعت مجاز عمل کند.
4 کنترل برداری مبدل مستطیلی سمت شبکه
در چارچوب دو فاز چرخان همزمان (محور d همسو با ولتاژ فاز A)، مدل مبدل مستطیلی 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−ωsLiq+sdudc
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+ωsLid+squdc
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(sdid+sqiq)−iload
معادلات توان:
P=udid,Q=udiq{P = u_d i_d, \quad Q = u_d i_q}P=udid,Q=udiq
منطق کنترل:
- ولتاژ شبکه ثابت → idi_did را تنظیم کنید تا توان فعال را کنترل کنید؛ iqi_qiq برای 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−ωsLiq+ud
uq∗=(R+Lddt)iq+ωsLid{u_q^* = (R + L\frac{d}{dt})i_q + \omega_s L i_d}uq∗=(R+Ldtd)iq+ωsLid
5 نتایج آزمایشی
تأییدیه‌های کلیدی:
- اتصال نرم قابل اعتماد در محدوده سرعت گسترده؛
- تنظیم مستقل ضریب قدرت (سمت استاتور/شبکه هر دو به یک می‌رسند)؛
- قابلیت جریان توان دوطرفه مبدل AC/DC/AC نیازهای تولید را برآورده می‌کند.
6 نتیجه‌گیری
این مطالعه یک سیستم بادی دوگانه‌علیت با مبدل AC/DC/AC منبع ولتاژ مبتنی بر دو DSP توسعه داده است. با ترکیب کنترل برداری مبتنی بر ولتاژ سمت شبکه و کنترل برداری مبتنی بر فلکس استاتور سمت روتور، آزمایش‌ها نشان می‌دهند:
- سیستم جریان توان دوطرفه و تنظیم مستقل ضریب قدرت ورودی/خروجی را به دست می‌آورد؛
- هارمونیک‌های کم و ضریب قدرت بالا کیفیت توان را تضمین می‌کنند؛
- اتصال/قطع نرم به شبکه تنش مکانیکی/الکتریکی را کاهش می‌دهد؛
- قابلیت استفاده در نصب‌های بزرگ مقیاس مگاواتی انرژی بادی.
