מחקר על מبدل תדרי הפעלה עבור טורבינות רוח בקצב קבוע ותדר משתנה

1 מבוא​
אנרגיה רוח היא מקור אנרגיה מתחדש עם פוטנציאל לפיתוח משמעותי. בשנים האחרונות, טכנולוגיית אנרגיה רוח קיבלה תשומת לב נרחבת מלומדים ברחבי העולם. ככיוון מפתח עבור פיתוח אנרגיה רוח, טכנולוגיית מהירות משתנה תדר קבוע (VSCF) משתמשת במערכת רוח דו-הנעה כתפיסה מיטבית. במערכת זו, הסטטור של המנוע מחובר ישירות לרשת, וניהול VSCF מתבצע על ידי בקרה של התדר, המשקל, הפאזה והסדר של הפאזה של חשמל הספק לסליל הרוטור. מאחר שהממיר מעביר רק את הכוח הנעדר, יכולת הממיר יכולה להיות מופחתת באופן משמעותי.

כיום, מערכות רוח דו-הנעה משתמשות בעיקר ממירים AC/AC או AC/DC/AC. ממירים AC/AC הוחלפו ברובם ממירים AC/DC/AC של מקור מתח בשל הרמוניות גבוהות של הפלט, גורם עוצמה נמוך של הכניסה ומכשירי עוצמה מוגזמים. למרות שנבדקו ממירים מטריציים למערכות דו-הנעה, המבנה המורכב שלהם, דרישות סובלנות מתח גבוהות ובקרה שאינה מופרדת של כניסה/יציאה מגביל את השימוש בהם במערכות אנרגיה רוח.

מחקר זה מפתח מערכת אנרגיה רוח דו-הנעה AC/DC/AC של מקור מתח הנשלטת על ידי שני מעבדים DSP. הממיר צד הרשת אימץ בקרה וקטורית מכוון מתח, והממיר צד הרוטור השתמש בבקרה וקטורית מכוון זרם סטטורי. ניסויים אישרו כי המערכת תומכת בנוקשות כיוון כוח, בקרה עצמאית של גורם העוצמה של הכניסה והיציאה, רמת הרמוניות נמוכה, פעולה יציבה במגוון רחב, ויצור אנרגיה איכותית מקורות לא יציבים כמו רוח.

​2 תצורת מערכת​
כפי שמוצג בתמונה 1, המערכת כוללת חמישה חלקים:

• מבער דו-הנעה (מבער השראה עם סליל רוטור)
• ממיר AC/DC/AC דו כיווני של מקור מתח (ממיר תלת-פאזי אחורי/קדמי באמצעות מודולים IPM)
• מפעיל Dual-DSP (DSP נקודה קבועה TMS320LF2407A + DSP נקודה צפה TMS320VC33)
• מכשיר הגנה על החיבור לרשת (מגנטים סטטורים/רוטורים)
• מבער רוח מדומה במהירות משתנה (מבער DC + מערכת בקרה של SIEMENS SIVOREG)

​פרטים מרכזיים​

• חיבור ממיר: צד הרשת דרך אינדוקטורים תלת-פאזיים; צד הרוטור דרך טבעות החלקה/כינים לסליל הרוטור של המנוע.
• תפקידים של Dual-DSP: LF2407A מטפל בהחלפת נתונים, ייצור PWM ואותות רשת; VC33 מבצע אלגוריתמים מרכזיים; RAM דו-פורט מאפשר שיתוף נתונים בזמן אמת; CPLD מטפל בפענוח כתובות.
• הגנה על הרשת: במקרה של תקלה, ניתוק מגנט הסטטור וחסימת PWM קודם כל; המתנה לפני פתיחת מגנט הרוטור.

​3 בקרה וקטורית למבער דו-הנעה​
​3.1 עקרונות הבקרה​
מסגרת סיבוב סינכרונית (d-ציר מכוון עם זרם הסטטור), המודל של מבער דו-הנעה הוא:
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​

​משוואות זרם מגנטי:​​
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​

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

בהזנחת נפילת מתח 저ومة הסטטור, זרם מגנטי הסטטור מקיים:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd​≈usq​/ωs​,ψsq​≈0

​אסטרטגית בקרה:​​

• זרם מגנטי כללי קבוע של הסטטור imsi_{ms}ims​ → מומנט אלקטרומגנטי Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• עבור גורם עוצמה אחד, זרם מגנטי מוזן לחלוטין על ידי הרוטור (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​)
• אחרי פיצוי שלישתי, נוהל urdu_{rd}urd​ ו-urqu_{rq}urq​ כדי לשלוט בזרם מגנטי ומומנט הרוטור, בהתאמה.

​3.2 בקרה על הרשת​

• חיבור רך לרשת:
1. כאשר מהירות הרוח מגיעה לערך ההתחלה, הטורבינה מובילה את המנוע למהירות מינימלית.
2. הפעלת הממיר להתאים את מתח הסטטור לרשת (משקל, פאזה, תדר).
3. סינכרון אוטומטי כאשר מתקיימות התנאים להתחבר לרשת.
• ניתוק: הפשרה הדרגתית מצב ללא עומס לפני ניתוק. חייב לפעול בתוך טווח המהירויות המותר.

​4 בקרה וקטורית ממיר צד הרשת​
מסגרת סיבוב דו-פאזית סינכרונית (d-ציר מכוון עם מתח פאזה A), המודל של ממיר PWM הוא:
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​

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

​לוגיקה של הבקרה:​​

• מתח רשת קבוע → נוהל idi_did​ כדי לשלוט בכוח פעיל; iqi_qiq​ עבור כוח реактивный.
• משוואות הבקרה עם פיצוי מתח:
  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 תוצאות ניסוייות​
​אימותים מרכזיים:​​

• חיבור רך אמין לאורך טווח מהירויות רחב;
• בקרה עצמאית של גורם העוצמה (צד הסטטור והרשת מגיעים ל-1);
• יכולת נוקשות כיוון כוח של הממיר AC/DC/AC עונה על דרישות ייצור.

​6 סיכום​
מחקר זה מפתח מערכת אנרגיה רוח דו-הנעה AC/DC/AC מבוססת Dual-DSP. בשילוב עם בקרה וקטורית מכוון מתח צד הרשת ובקרה וקטורית מכוון זרם סטטורי צד הרוטור, ניסויים מראים:

1. המערכת מגיעה לנוקשות כיוון כוח ובקרה עצמאית של גורם העוצמה של הכניסה והיציאה;
2. רמת הרמוניות נמוכה וגורם עוצמה גבוה מבטיחים איכות אנרגיה;
3. חיבור/ניתוק רך מוריד מתח מכני ואלקטרי;
4. מתאימה לתצורות אנרגיה רוח גדולות בסולם מגה-וואט.