Istraživanje pretvarača pobude za vjetroelektrane s varijabilnom brzinom i konstantnom frekvencijom

1 Uvod​
Vjetar je obnovljiv izvor energije s značajnim potencijalom za razvoj. U posljednjih nekoliko godina tehnologija vjetroelektrane privukla je široku pažnju znanstvenika diljem svijeta. Kao ključni smjer u razvoju vjetroelektrana, tehnologija promjenjive brzine i konstantne frekvencije (VSCF) koristi sustav dvostruko premaženog generatora kao optimizirano rješenje. U ovom sustavu, statorski zavojnice direktno su povezane s mrežom, dok se VSCF kontrola postiže regulacijom frekvencije, amplituda, faze i redoslijeda faze napajanja rotornih zavojnica. Budući da pretvarač prenosi samo klizićnu snagu, njegova kapacitet može biti značajno smanjen.

Trenutno, sustavi dvostruko premaženih vjetroelektrana uglavnom koriste AC/AC ili AC/DC/AC pretvarače. AC/AC pretvarači doveli su do visokih harmonika na izlazu, niskeg faktora snage na ulazu i prevelikog broja snaga uređaja, zbog čega su većinom zamijenjeni s naponskim izvorima AC/DC/AC pretvarača. Iako su matricni pretvarači istraženi za upotrebu u sustavima s dvostrukim premaženjem, njihova složena struktura, visoki zahtjevi za otpornost na napon i nedekuplovljena kontrola ulaza/izlaza ograničavaju njihovu primjenu u vjetroenergetskim aplikacijama.

Ova studija razvija naponski izvor AC/DC/AC sustava dvostrukog premaženja vjetroelektrane kontroliranog dvostrukim DSP-ovima. Mrežni pretvarač koristi kontrolu orijentiranu prema naponu, a pretvarač rotorne strane koristi kontrolu orijentiranu prema fluksu statora. Eksperimenti potvrđuju da sustav podržava dvosmjerni tok snage, neovisnu regulaciju faktora snage na ulazu/izlazu, niske harmonike, stabilnu radnu opsežnost i visokokvalitetnu proizvodnju električne energije iz nestabilnih izvora poput vjetra.

​2 Konfiguracija sustava​
Kao što je prikazano na slici 1, sustav se sastoji od pet dijelova:

• Dvostruko premaženi generator (generator sa zavojnicama na rotoru)
• Naponski izvor AC/DC/AC bidirekcionalnog PWM pretvarača (back-to-back trofazni rektifikator/inverzor koristi IPM module)
• Dvostruki DSP kontroler (fiksni točkasti DSP TMS320LF2407A + pomični točkasti DSP TMS320VC33)
• Zaštitni uređaj za spoj na mrežu (kontakti rotor/stator)
• Virtuelni sustav promjenjive brzine vjetroturbine (DC motor + SIEMENS SIVOREG tiristor sistema kontrole brzine)

​Ključni detalji​

• Spoj pretvarača: Mrežni dio putem trofaznih induktivnosti; rotor skroz putem slip prstenaca/četkica na zavojnice rotora.
• Uloge dvostrukog DSP-a: LF2407A obrađuje razmjenu podataka, generiranje PWM signala i mrežne signale; VC33 izvršava temeljne algoritme; dual-port RAM omogućuje real-time razmjenu podataka; CPLD obrađuje dekodiranje adresa.
• Zaštita mreže: U slučaju grešaka, najprije isključiti kontakt statora i blokirati PWM; nakon kašnjenja otvoriti kontakt rotora.

​3 Vektorska kontrola dvostrukog premaženog generatora​
​3.1 Principi kontrole​
U sinkronom rotirajućem okviru (d-os poravnata s fluksom statora), model dvostrukog premaženog generatora je:
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​

​Jednadžbe fluksa:​​
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​

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

Zanemarujući pad napona statorskog otpora, statorski fluks zadovoljava:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd​≈usq​/ωs​,ψsq​≈0

​Strategija kontrole:​​

• Konstantan statorski generalizirani struja imsi_{ms}ims​ → Elektromagnetski moment Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• Za jedinični faktor snage, struja pobude potpuno se dobiva od rotora (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​)
• Nakon nadopune dekuplovanja, regulira se urdu_{rd}urd​ i urqu_{rq}urq​ kako bi se kontrolirali rotorfluks i moment, redom.

​3.2 Kontrola mreže​

• Mekano spoj na mrežu:
1. Kada brzina vjetra doseže vrijednost za ulaz, turbine pokreće generator na minimalnu brzinu.
2. Aktivirati pretvarač kako bi se uskladio napon statora s mrežom (amplituda, faza, frekvencija).
3. Automatsko sinhroniziranje kada su ispunjeni uvjeti za spoj na mrežu.
• Odsjekivanje: Postepeno oduzeti opterećenje do stanja bez opterećenja prije odsjekivanja. Morate raditi unutar dopuštenog raspona brzina.

​4 Vektorska kontrola mrežnog rektifikatora​
U dvofaznom sinkronom rotirajućem okviru (d-os poravnata s naponom faze A), model PWM rektifikatora je:
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​

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

​Logika kontrole:​​

• Konstantan napon mreže → Regulirati idi_did​ kako bi se kontrolirala aktivna snaga; iqi_qiq​ za reaktivnu snagu.
• Jednadžbe kontrole s nadopunom napona:
  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 Eksperimentalni rezultati​
​Ključna provjera:​​

• Pouzdano mekano spoj na mrežu u širokom rasponu brzina;
• Neovisna regulacija faktora snage (statorska/mrežna strana dostižu jedinicu);
• Dvosmjerna sposobnost toka snage AC/DC/AC pretvarača zadovoljava zahtjeve proizvodnje.

​6 Zaključak​
Ova studija razvija sustav dvostrukog premaženog vjetroelektrane baziran na dvostrukom DSP-u. U kombinaciji s mrežnom kontrolom orijentiranom prema naponu i kontrolom orijentiranom prema fluksu statora na rotoru, eksperimenti pokazuju:

1. Sustav postiže dvosmjerni tok snage i neovisnu regulaciju faktora snage na ulazu/izlazu;
2. Niske harmonike i visoki faktor snage osiguravaju kvalitetu snage;
3. Mekano spoj/odsječivanje smanjuje mehanički/električki stres;
4. Primjenjivost na instalacije velikih vjetroelektrana megavatne snage.