Változó sebességű, állandó frekvenciás szélturbinák izgaltsági frekvenciaátalakítójának kutatása

1 Bevezetés​
A szélerő forrása megújuló energiaforrás, amely jelentős fejlesztési potenciállal rendelkezik. Az elmúlt években a szélerő technológia világszerte nagy figyelmet kapott a tudósok körében. A változó sebességű állandó frekvenciás (VSCF) technológia a szélerő fejlesztés egyik fő irányát képezi, melynek optimalizált megoldása a kétszeresen ellátott szélerő-rendszer. Ebben a rendszerben a generátor státora közvetlenül csatlakozik a hálózathoz, míg a VSCF-irányítást a rotortöltő tápellátás frekvenciájának, amplitúdójának, fázisának és fázissorrendjének szabályozásával valósítjuk meg. Mivel a konverter csak csúszóerőt továbbít, ezáltal jelentősen csökkenthető a kapacitása.

Jelenleg a kétszeresen ellátott szélerő-rendszerek főként AC/AC vagy AC/DC/AC-konvertálókat használnak. Az AC/AC-konvertálók a magas kimeneti harmonikusok, az alacsony bemeneti erőfaktor és a túlzott erőgépek miatt leginkább a feszültség-forrású AC/DC/AC-konvertálókkal helyettesítik. Bár a mátrixkonvertálók is vizsgálat alá kerültek a kétszeresen ellátott rendszerekhez, összetett szerkezete, a magas feszülteremelési követelmények és a nem dekuplált bemeneti/kimeneti ellenállás korlátozza alkalmazását a szélerő területén.

E tanulmányban egy feszültség-forrású AC/DC/AC kétszeresen ellátott szélerő-rendszert fejlesztünk, amelyet két DSP vezérel. A hálózati oldali konvertáló feszültség-orientált vektorszabályozást, míg a rotor oldali konvertáló státortér-orientált vektorszabályozást használ. Az experimentumok megerősítik, hogy a rendszer támogatja a kétirányú energiaáramlást, a független bemeneti/kimeneti erőfaktor-szabályozást, az alacsony harmonikus torzítást, a stabil széles tartományú működést, valamint a szél ilyen instabil energiaforrásból minőségi energia-termelést.

​2 Rendszer konfigurációja​
Ahogy a 1. ábra mutatja, a rendszer öt részből áll:

• Kétszeresen ellátott generátor (csavarosrotorú indukciós generátor)
• Feszültség-forrású AC/DC/AC kétszeres PWM konvertáló (háromfázisú IPM modulokkal ellátott visszafedező rectifikátor/inverzor)
• Két DSP vezérlő (fixpontos DSP TMS320LF2407A + lebegőpontos DSP TMS320VC33)
• Hálózati csatlakoztatási védelmi eszköz (rotor/stator kapcsolók)
• Virtuális változósebességű szélerőgép (DC motor + SIEMENS SIVOREG thyristor-sebesség-szabályozó rendszer)

​Kulcspontok​

• Konvertáló kapcsolódás: Hálózati oldalon háromfázisú tekercsekkel; rotor oldalon csúszógyűrők/pincselők révén a generátor rotor térfogójához.
• Két DSP szerepe: LF2407A adatcserére, PWM generálásra, hálózati jelekre; VC33 alapvető algoritmusok végrehajtására; kétportú RAM valós idejű adatmegosztásra; CPLD címdekódolásra.
• Hálózati védelem: Hibák esetén először a stator kapcsolót és a PWM-t blokkoljuk; késleltetés után a rotor kapcsolót nyitjuk meg.

​3 Kétszeresen ellátott generátor vektorszabályozása​
​3.1 Szabályozási elvek​
A szinkron forgó koordinátarendszerben (d-tengely a státortérrel egyező), a kétszeresen ellátott generátor modellje:
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​

​Mágneses tér egyenletei:​​
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​

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

A státor ellenállásának feszültségvesztése figyelembe vétele nélkül, a státor mágneses tér kielégíti:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd​≈usq​/ωs​,ψsq​≈0

​Szabályozási stratégia:​​

• Állandó státor általánosított izgalóáram imsi_{ms}ims​ → Elektromos nyomaték Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• Egységes erőfaktor esetén a rotor teljesen ellátja az izgalóáramot (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​)
• Az előreigazított dekupláló kompenzáció után urdu_{rd}urd​ és urqu_{rq}urq​ szabályozásával irányítjuk a rotor mágneses térét és nyomatékát.

​3.2 Hálózati szabályozás​

• Lassú hálózati csatlakozás:
1. Amikor a szélszín eléri a bekapcsolási értéket, a turbina a generátort minimális sebességre hajtja.
2. A konvertáló aktiválása, hogy a státor feszültsége illeszkedjen a hálózathoz (amplitúdó, fázis, frekvencia).
3. Automatikus szinkronizálás, ha a hálózati csatlakozási feltételek teljesülnek.
• Csatlakozás megszüntetése: Fokozatos töltéslevonás üresjáratos állapotba, majd a leválasztás. A megengedett sebességi tartományon belül kell működni.

​4 Hálózati oldali rectifikátor vektorszabályozása​
A kétfázisú szinkron forgó koordinátarendszerben (d-tengely a fázis-A feszültséggel egyező), a PWM rectifikátor modellje:
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​

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

​Irányítási logika:​​

• Állandó hálózati feszültség → idi_did​ szabályozása a aktív teljesítmény szabályozásához; iqi_qiq​ a reaktív teljesítmény szabályozásához.
• Szabályozási egyenletek feszültségkompenzációval:
  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 Kísérleti eredmények​
​Főbb ellenőrzések:​​

• Reliábilis lassú hálózati csatlakozás széles sebességi tartományon;
• Független erőfaktor-szabályozás (a státor/hálózati oldal egységes erőfaktorra);
• Az AC/DC/AC konvertáló kétirányú energiaáramlás képessége kielégíti a termelési igényeket.

​6 Következtetés​
Ebben a tanulmányban egy két DSP-alapú feszültség-forrású AC/DC/AC kétszeresen ellátott szélerő-rendszert fejlesztünk. A hálózati oldali feszültség-orientált és a rotor oldali státortér-orientált vektorszabályozás kombinációjával a kísérletek megmutatják:

1. A rendszer kétirányú energiaáramlást és független bemeneti/kimeneti erőfaktor-szabályozást valósít meg;
2. Alacsony harmonikusok és magas erőfaktor garantálja a teljesítmény minőségét;
3. A lassú hálózati csatlakozás és a leválasztás csökkenti a mechanikai/elektromos stresszhatást;
4. Alkalmazható megawatt-os nagy léptékű szélerő telepítésekhez.