Investigación sobre o convertidor de frecuencia de excitación para aerxeneradores de velocidade variable e frecuencia constante

1 Introdución​
A enerxía eólica é unha fonte de enerxía renovábel coa significativa potencialidade de desenvolvemento. Nos últimos anos, a tecnoloxía eólica xurdiu ampla atención por parte dos estudiosos de todo o mundo. Como unha dirección clave para o desenvolvemento da enerxía eólica, a tecnoloxía de velocidade variable con frecuencia constante (VSCF) emprega o sistema eólico de dobre alimentación como solución optimizada. Neste sistema, as bobinas do estator do xerador conectanse directamente á rede, mentres que o control VSCF lograse rexulando a frecuencia, amplitud, fase e secuencia de fase do aprovisionamento de enerxía das bobinas do rotor. Dado que o conversor só transmite a potencia de deslizamento, a súa capacidade pode reducirse significativamente.

Actualmente, os sistemas eólicos de dobre alimentación usan principalmente conversores AC/AC ou AC/DC/AC. Os conversores AC/AC foron en gran medida substituídos polos conversores AC/DC/AC de fonte de tensión debido ás súas altas harmónicas de saída, baixo factor de potencia de entrada e exceso de dispositivos de potencia. Aínda que se exploraron os conversores matriciais para sistemas de dobre alimentación, a súa estrutura complexa, os elevados requisitos de resistencia a voltaxes e o control de entrada/saída non descoplado limitan a súa adopción nas aplicacións eólicas.

Este estudo desenvolve un sistema eólico de dobre alimentación AC/DC/AC de fonte de tensión controlado por dous DSPs. O conversor lado-rede adopta o control vectorial orientado á tensión, e o conversor lado-rotor usa o control vectorial orientado ao fluxo do estator. As experimentacións confirmaron que o sistema soporta o flujo de potencia bidireccional, a rexulación independente do factor de potencia de entrada/saída, a baixa distorsión harmónica, a operación estable en amplo rango e a xeración de enerxía de alta calidade a partir de fuentes de enerxía inestables como o vento.

​2 Configuración do Sistema​
Como se mostra na Figura 1, o sistema compónse de cinco partes:

• Xerador de dobre alimentación (xerador de indución de rotor bobinado)
• Conversor AC/DC/AC bidireccional de fonte de tensión PWM (rectificador/inversor de tres fases cara a cara usando módulos IPM)
• Controlador de dous DSPs (DSP de punto fixo TMS320LF2407A + DSP de coma flotante TMS320VC33)
• Dispositivo de protección de conexión á rede (contactores rotor/estator)
• Aerogenerador virtual de velocidade variable (motor DC + sistema de control de velocidade de tiristores SIEMENS SIVOREG)

​Detalles Clave​

• Conexión do conversor: Lado-rede a través de indutancias de tres fases; lado-rotor a través de anéis de deslizamento/cerdas ás bobinas do rotor do xerador.
• Papeis dos dous DSPs: LF2407A xestiona o intercambio de datos, a xeración de PWM e as señais de rede; VC33 executa os algoritmos centrais; RAM de dúas portas permite a compartición de datos en tempo real; CPLD procesa a decodificación de enderezos.
• Protección de rede: Ante fallos, desconecta primeiro o contactor do estator e bloquea o PWM; atraso antes de abrir o contactor do rotor.

​3 Control Vectorial para Xerador de Dobre Alimentación​
​3.1 Principios de Control​
No marco de rotación síncrona (d-eixo alineado co fluxo do estator), o modelo do xerador de dobre alimentación é:
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​

​Ecuacións de fluxo:​​
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​

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

Desprezando a caída de tensión debido á resistencia do estator, o fluxo do estator satisfai:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd​≈usq​/ωs​,ψsq​≈0

​Estratexia de control:​​

• Corrente de excitación generalizada constante do estator imsi_{ms}ims​ → Par electromagnético Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• Para un factor de potencia unitario, a corrente de excitación suministrada completamente polo rotor (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​)
• Después da compensación de descoplo de avance, regula urdu_{rd}urd​ e urqu_{rq}urq​ para controlar o fluxo e o par do rotor, respectivamente.

​3.2 Control de Rede​

• Conexión suave á rede:
1. Cando a velocidade do vento alcanza o valor de corte, o aerogenerador impulsa o xerador á mínima velocidade.
2. Activa o conversor para igualar a tensión do estator á rede (amplitude, fase, frecuencia).
3. Sincronización automática cando se cumpren as condicións de conexión á rede.
• Desconexión: Descarga gradualmente ata un estado sen carga antes de desconectar. Debe operar dentro do rango de velocidade permitido.

​4 Control Vectorial do Rectificador Lado-Rede​
No marco de rotación síncrona de dúas fases (d-eixo alineado coa tensión de fase A), o modelo do rectificador PWM é:
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​

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

​Lóxica de control:​​

• Tensión constante da rede → Rexula idi_did​ para controlar a potencia activa; iqi_qiq​ para a potencia reactiva.
• Ecuacións de control con compensación de tensión:
  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 Resultados Experimentais​
​Verificacións Claves:​​

• Conexión suave á rede fiable nun amplo rango de velocidades;
• Rexulación independente do factor de potencia (lado-estator/lado-rede ambos alcanzan a unidade);
• Capacidade de flujo de potencia bidireccional do conversor AC/DC/AC atende as demandas de xeración.

​6 Conclusión​
Este estudo desenvolve un sistema eólico de dobre alimentación AC/DC/AC de fonte de tensión baseado en dous DSPs. Combinado co control vectorial orientado á tensión lado-rede e co control vectorial orientado ao fluxo do estator lado-rotor, as experimentacións demostraron:

1. O sistema logra o flujo de potencia bidireccional e a rexulación independente do factor de potencia de entrada/saída;
2. As baixas harmónicas e o alto factor de potencia aseguran a calidade da potencia;
3. A conexión/desconexión suave á rede reduce o estrés mecánico/eléctrico;
4. A aplicabilidade a instalacións eólicas de gran escala de clase megavatio.