Muuttuvan nopeuden ja vakion taajuuden tuuliturbiinien ajausfrekvenssikääntäjän tutkimus

1 Johdanto​
Tuulivoima on uusiutuva energialähde, jolla on merkittävä kehityspotentiaali. Viime vuosina tuulivoimatekniikka on herättänyt laajaa kiinnostusta tutkijoiden keskuudessa ympäri maailmaa. Vaihtelevan nopeuden ja vakion taajuuden (VSCF) teknologia on tärkeä suunta tuulivoiman kehityksessä, ja kaksinkertaisesti syöttävä tuulivoimajärjestelmä toimii optimoituuna ratkaisuna tässä yhteydessä. Tässä järjestelmässä generaattorin statoripyryhdys liitetään suoraan sähköverkkoon, kun taas VSCF-ohjaus saavutetaan säätämällä rotoripyryhdyksen virtalähteen taajuutta, amplitudia, vaihekulmaa ja vaihejärjestystä. Koska muuntaja välittää vain luistevan tehon, sen kapasiteetti voidaan huomattavasti vähentää.

Tällä hetkellä kaksinkertaisesti syöttäviä tuulivoimajärjestelmiä käytetään pääasiassa AC/AC- tai AC/DC/AC-muuntajissa. AC/AC-muuntajat ovat suurelta osin korvautuneet jännitelähteen AC/DC/AC-muuntajilla niiden korkean ulostulo-harmonismin, alhaisen syöte-tehokkuuskerroin ja liian monimutkaisen rakenne vuoksi. Vaikka matriisi-muuntajia on tutkittu kaksinkertaisesti syöttäville järjestelmille, niiden monimutkainen rakenne, korkeat jänniteluokkavaatimukset ja epäyhtenäinen syöte/tuloste-ohjaus rajoittavat niiden käyttöä tuulivoimahankkeissa.

Tämä tutkimus kehittää jännitelähteen AC/DC/AC-kaksinkertaisesti syöttävän tuulivoimajärjestelmän, jota ohjataan kahdella DSP:llä. Verkkopuolen muuntaja hyödyntää jännite-orientoituvektori-ohjausta, ja rotorpohjainen muuntaja käyttää statorifluxi-orientoituvektori-ohjausta. Kokeet osoittavat, että järjestelmä tukee kaksisuuntaista tehoturvaa, riippumaton syöte/tuloste-tehokkuuskerroinregulaatiota, alhaisia harmonisvinoutuja, vakaita laajan levyn operaatioita ja korkealaatuista sähköntuotantoa epävakaita energialähteitä, kuten tuulet.

​2 Järjestelmän konfiguraatio​
Kuvio 1 osoittaa, että järjestelmä koostuu viidestä osasta:

• Kaksinkertaisesti syöttävä generaattori (pyörivä rotorin induktiogeneraattori)
• Jännitelähteen AC/DC/AC-kaksisuuntainen PWM-muuntaja (back-to-back kolmivaiheinen suodatin/inverteri IPM-moduuleilla)
• Kaksi-DSP-ohjain (kiintopiste-DSP TMS320LF2407A + liukupiste-DSP TMS320VC33)
• Verkon yhteyshaitari (rotor/stator-kontaktit)
• Virtuaalinen vaihtelevan nopeuden tuuliturbiini (DC-moottori + SIEMENS SIVOREG thyristorinopeudenohjausjärjestelmä)

​Tärkeät yksityiskohdat​

• Muuntajan yhteys: Verkkopuoli kolmivaiheisen induktiorin kautta; rotoripuoli slip rinnettä/varsia generatorin rotoripyryhyksiin.
• Kaksi-DSP:n roolit: LF2407A hoitaa tiedonsiirron, PWM-generoinnin ja verkkosignaalit; VC33 suorittaa ytimekkäät algoritmit; kaksiportainen RAM mahdollistaa reaaliaikaisen tiedonjakamisen; CPLD käsittelee osoitepurkua.
• Verkon suojaus: Havaittujen virheiden tapauksessa katkaise statorikontakti ja estä PWM ensin; avaa sitten rotorikontakti viiveen jälkeen.

​3 Kaksinkertaisesti syöttävän generaattorin vektori-ohjaus​
​3.1 Ohjauksen periaatteet​
Samanfaseisessa pyörimissuunnassa (d-akseli tasapainossa statorifluxin kanssa), kaksinkertaisesti syöttävän generaattorin malli 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​

​Fluxiyhtälöt:​​
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​

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

Huomiotta jättäen statorin vastustusjännitteet, statorifluxi toteuttaa:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd​≈usq​/ωs​,ψsq​≈0

​Ohjausstrategia:​​

• Vakio statorin yleistetty virran imsi_{ms}ims​ → Sähkömagneettinen potentia Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• Yhden yksikön tehokkuuskerroin, virran tarjoaminen kokonaan rotorin kautta (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​)
• Etujen purkautumisen kompensoinnin jälkeen, säännellään urdu_{rd}urd​ ja urqu_{rq}urq​ kontrolloimaan rotorin fluxia ja potentiaa.

​3.2 Verkon ohjaus​

• Pehmeä verkon yhteys:
1. Kun tuulen nopeus saavuttaa leikkauspistearvon, turbiini ajaa generaattoria miniminopeuteen.
2. Aktivoi muuntaja sovittamaan statorin jännitteen verkkoon (amplitudi, vaihe, taajuus).
3. Automaattinen synkronointi, kun verkon yhteysolosuhteet täyttyvät.
• Eristäminen: Purkaa asteittain tyhjälle tilalle ennen eristämistä. On toimittava sallitussa nopeuserossa.

​4 Verkkopuolen suodattimen vektori-ohjaus​
Kaksivaiheisessa samanfaseisessa pyörimissuunnassa (d-akseli tasapainossa vaihe-A jännitteen kanssa), PWM-suodattimen malli on:
ud=Ldiddt+Rid−ωsLiq+sduc{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+squc{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(sdidiq)−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​

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

​Ohjauslogiikka:​​

• Vakio verkon jännite → Säännellään idi_did​ aktiivisen tehon hallintaan; iqi_qiq​ reaktiivisen tehon hallintaan.
• Ohjausyhtälöt jännitekompensoinnilla:
  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 Kokeelliset tulokset​
​Tärkeät varmistukset:​​

• Luotettava pehmeä verkon yhteys laajalla nopeuserolla;
• Riippumaton tehokkuuskerroinregulaatio (stator/verkkopuoli molemmat saavuttavat yhden yksikön);
• AC/DC/AC-muuntajan kaksisuuntainen tehoturvaa vastaa tuotantovaatimuksia.

​6 Johtopäätös​
Tämä tutkimus kehittää kaksinkertaisesti syöttävän jännitelähteen AC/DC/AC-tuulivoimajärjestelmän, jota ohjataan kahdella DSP:llä. Yhdistettynä verkkopuolen jännite-orientoituvektori-ohjaus ja rotoripuolen statorifluxi-orientoituvektori-ohjaus, kokeet osoittavat:

1. Järjestelmä saavuttaa kaksisuuntaisen tehoturvaa ja riippumattoman syöte/tuloste-tehokkuuskerroinregulaation;
2. Alhaiset harmonisvinoutut ja korkea tehokkuuskerroin takaa sähköntuotannon laadun;
3. Pehmeä verkon yhteys/eristyminen vähentää mekaanisia/sähköisiä rasituksia;
4. Soveltuvuus megawattiluokan suuriin tuulivoimahankkeisiin.