चर गति स्थिर आवृत्ति वाले पवन टरबाइन के लिए उत्तेजन आवृत्ति कन्वर्टर पर शोध

1 परिचय​
वायु ऊर्जा एक नवीकरणीय ऊर्जा स्रोत है जिसमें महत्वपूर्ण विकास की क्षमता है। हाल के वर्षों में, वायु ऊर्जा प्रौद्योगिकी विश्वभर के विद्वानों से व्यापक ध्यान आकर्षित कर रही है। वायु ऊर्जा विकास की एक महत्वपूर्ण दिशा के रूप में, चर-गति नियत-आवृत्ति (VSCF) प्रौद्योगिकी डबली-फ़ीड वायु ऊर्जा प्रणाली का उपयोग एक अनुकूल समाधान के रूप में किया जाता है। इस प्रणाली में, जनित्र की स्टेटर वाइंडिंग सीधे ग्रिड से जुड़ी होती है, जबकि VSCF नियंत्रण रोटर वाइंडिंग विद्युत सप्लाई की आवृत्ति, आयाम, दशा और दशा अनुक्रम को नियंत्रित करके प्राप्त किया जाता है। कन्वर्टर केवल स्लिप पावर का संचार करता है, इसलिए इसकी क्षमता में बहुत कमी की जा सकती है।

वर्तमान में, डबली-फ़ीड वायु ऊर्जा प्रणालियों में मुख्य रूप से AC/AC या AC/DC/AC कन्वर्टर का उपयोग किया जाता है। AC/AC कन्वर्टर उच्च आउटपुट हार्मोनिक्स, कम इनपुट पावर फैक्टर और अत्यधिक विद्युत उपकरणों के कारण वोल्टेज-स्रोत AC/DC/AC कन्वर्टर द्वारा बदल दिए गए हैं। हालांकि डबली-फ़ीड प्रणालियों के लिए मैट्रिक्स कन्वर्टरों का अध्ययन किया गया है, लेकिन उनकी जटिल संरचना, उच्च वोल्टेज सहनशीलता की आवश्यकता और इनपुट/आउटपुट नियंत्रण का अन-डिकप्लेक्ड रूप उन्हें वायु ऊर्जा अनुप्रयोगों में अपनाने से रोकता है।

यह अध्ययन डबल-डीएसपी द्वारा नियंत्रित वोल्टेज-स्रोत AC/DC/AC डबली-फ़ीड वायु ऊर्जा प्रणाली का विकास करता है। ग्रिड-पक्ष कन्वर्टर वोल्टेज-ओरिएंटेड वेक्टर नियंत्रण का उपयोग करता है, और रोटर-पक्ष कन्वर्टर स्टेटर-फ्लक्स-ओरिएंटेड वेक्टर नियंत्रण का उपयोग करता है। प्रयोग यह पुष्टि करते हैं कि प्रणाली दो-दिशाओं में पावर फ्लो, स्वतंत्र इनपुट/आउटपुट पावर फैक्टर नियंत्रण, कम हार्मोनिक विकृति, स्थिर व्यापक-रेंज ऑपरेशन और वायु जैसे अस्थिर ऊर्जा स्रोतों से उच्च गुणवत्ता वाली विद्युत उत्पादन की समर्थन करती है।

​2 प्रणाली की व्यवस्था​
आकृति 1 में दिखाया गया है, प्रणाली पाँच भागों से बनी है:

• डबली-फ़ीड जनित्र (वाइंड-रोटर इंडक्शन जनित्र)
• वोल्टेज-स्रोत AC/DC/AC दो-दिशा PWM कन्वर्टर (IPM मॉड्यूलों का उपयोग करके बैक-टू-बैक तीन-धारा रेक्टिफायर/इनवर्टर)
• डबल-डीएसपी नियंत्रक (फिक्स्ड-पॉइंट डीएसपी TMS320LF2407A + फ्लोटिंग-पॉइंट डीएसपी TMS320VC33)
• ग्रिड-संपर्क रक्षण उपकरण (रोटर/स्टेटर कन्टैक्टर)
• आभासी चर-गति वायु टरबाइन (DC मोटर + SIEMENS SIVOREG थाय्रिस्टर गति नियंत्रण प्रणाली)

​महत्वपूर्ण विवरण​

• कन्वर्टर कनेक्शन: ग्रिड-पक्ष तीन-धारा इंडक्टर्स के माध्यम से; रोटर-पक्ष स्लिप रिंग्स/ब्रशेस के माध्यम से जनित्र रोटर वाइंडिंग तक।
• डबल-डीएसपी की भूमिकाएं: LF2407A डेटा एक्सचेंज, PWM उत्पादन, और ग्रिड सिग्नल्स संभालता है; VC33 मुख्य एल्गोरिदम को निष्पादित करता है; डुअल-पोर्ट RAM वास्तविक समय में डेटा साझाकरण की सुविधा प्रदान करता है; CPLD पता डिकोडिंग का प्रक्रियाकरण करता है।
• ग्रिड रक्षण: दोष की स्थिति में, स्टेटर कन्टैक्टर और PWM को पहले बंद करें; फिर रोटर कन्टैक्टर को खोलने से पहले देरी करें।

​3 डबली-फ़ीड जनित्र के लिए वेक्टर नियंत्रण​
​3.1 नियंत्रण सिद्धांत​
संक्रमण घूर्णन फ़्रेम (d-अक्ष स्टेटर फ्लक्स के साथ एलाइन्ड) में, डबली-फ़ीड जनित्र मॉडल है:
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​

​फ्लक्स समीकरण:​​
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​

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

स्टेटर प्रतिरोध वोल्टेज गिरावट को नगण्य मानते हुए, स्टेटर फ्लक्स संतुष्ट होता है:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd​≈usq​/ωs​,ψsq​≈0

​नियंत्रण रणनीति:​​

• नियत स्टेटर व्यापक उत्तेजन धारा imsi_{ms}ims​ → विद्युत टोक Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• एकता पावर फैक्टर के लिए, उत्तेजन धारा पूरी तरह से रोटर द्वारा आपूरित (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​)
• फीडफोरवर्ड डिकोप्लिंग संशोधन के बाद, urdu_{rd}urd​ और urqu_{rq}urq​ को नियंत्रित करके रोटर फ्लक्स और टोक को क्रमशः नियंत्रित किया जाता है।

​3.2 ग्रिड नियंत्रण​

• सॉफ्ट ग्रिड-संपर्क:
1. जब वायु गति कट-इन मूल्य पर पहुंचती है, तो टरबाइन जनित्र को न्यूनतम गति पर ले जाती है।
2. कन्वर्टर को सक्रिय करें ताकि स्टेटर वोल्टेज को ग्रिड (आयाम, दशा, आवृत्ति) से मेल खाता हो।
3. ग्रिड-संपर्क की शर्तों को पूरा करने पर स्वचालित संक्रमण।
• डिसकनेक्शन: डिसकनेक्शन से पहले धीरे-धीरे नो-लोड स्थिति में अनलोड करें। अनुमत प्रवाह गति सीमा के भीतर संचालित करना चाहिए।

​4 ग्रिड-पक्ष रेक्टिफायर वेक्टर नियंत्रण​
दो-दिशा संक्रमण घूर्णन फ़्रेम (d-अक्ष फेज-A वोल्टेज के साथ एलाइन्ड) में, PWM रेक्टिफायर मॉडल है:
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​

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

​नियंत्रण तर्क:​​

• नियत ग्रिड वोल्टेज → idi_did​ को नियंत्रित करके सक्रिय पावर को नियंत्रित करें; iqi_qiq​ को असक्रिय पावर के लिए।
• वोल्टेज संशोधन के साथ नियंत्रण समीकरण:
  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 प्रयोगात्मक परिणाम​
​महत्वपूर्ण सत्यापन:​​

• व्यापक गति सीमा में विश्वसनीय सॉफ्ट ग्रिड-संपर्क;
• स्वतंत्र पावर फैक्टर नियंत्रण (स्टेटर/ग्रिड पक्ष दोनों एकता पहुंचते हैं);
• AC/DC/AC कन्वर्टर की दो-दिशा पावर फ्लो क्षमता उत्पादन आवश्यकताओं को पूरा करती है।

​6 निष्कर्ष​
यह अध्ययन डबल-डीएसपी-आधारित वोल्टेज-स्रोत AC/DC/AC डबली-फ़ीड वायु ऊर्जा प्रणाली का विकास करता है। ग्रिड-पक्ष वोल्टेज-ओरिएंटेड और रोटर-पक्ष स्टेटर-फ्लक्स-ओरिएंटेड वेक्टर नियंत्रण के साथ, प्रयोग दिखाते हैं:

1. प्रणाली दो-दिशा पावर फ्लो और स्वतंत्र इनपुट/आउटपुट पावर फैक्टर नियंत्रण प्राप्त करती है;
2. कम हार्मोनिक और उच्च पावर फैक्टर पावर गुणवत्ता को सुनिश्चित करते हैं;
3. सॉफ्ट ग्रिड-संपर्क/डिसकनेक्शन मैकेनिकल/इलेक्ट्रिकल तनाव को कम करता है;
4. मेगावाट-स्तर के बड़े पैमाने की वायु ऊर्जा स्थापनाओं के लिए योग्य।