Փոփոխական արագության կաստան հաճախականության վետրային էներգաստանցուցանելիների համար քարշադիր հաճախականության կոնվերտերի հետազոտություն

1 ներածություն​
Եղանակը է վերացման էներգիայի աղբյուր հսկայական զարգացման պոտենցիալով: Վերջին տարիներում եղանակային էներգիայի տեխնոլոգիան հավաքել է շարունակական ուշադրություն աշխարհի գիտնականների կողմից: Որպես եղանակային էներգիայի զարգացման կարևոր ուղղություն, փոփոխական արագության կարգավոր հաճախականության (VSCF) տեխնոլոգիան օգտագործում է երկակի կենտրոնացած եղանակային համակարգը ոպտիմալ լուծում որպես: Այս համակարգում գեներատորի ստատորի կողմնային կապումները կապված են ուղեկցի հետ, իսկ VSCF կառավարումը հասնում է կողմնային կապումների հզորության հաճախականության, ամպլիտուդի, փուլի և փուլային հաջորդականության կարգավորումով: Քանի որ կոնվերտորը միայն տեղափոխում է սլիպ հզորությունը, նրա տարողությունը կարող է կարգավոր նվազել:

Այժմ երկակի կենտրոնացած եղանակային համակարգերը հիմնականում օգտագործում են AC/AC կամ AC/DC/AC կոնվերտորներ: AC/AC կոնվերտորները մի մասնավոր չափով փոխարինվել են լարման աղբյուր AC/DC/AC կոնվերտորներով իրենց բարձր արտադուր հարմոնիկների, ցածր մուտքային հզորության գործակցի և ավելորդ հզորության սարքերի պատճառով: Չնայած մատրիցային կոնվերտորները երկակի համակարգերի համար հետազոտվել են, նրանց բարդ կառուցվածքը, բարձր լարման կարգավորումները և ոչ-կանոնավոր մուտք/ելք կառավարումը սահմանափակում են դրանց կիրառությունը եղանակային էներգիայի համակարգերում:

Այս հետազոտությունը զարգացնում է երկակի DSP-երով կառավարվող լարման աղբյուր AC/DC/AC երկակի կենտրոնացած եղանակային համակարգ: Ուղեկցի կողմի կոնվերտորը օգտագործում է լարման ուղղության վեկտորային կառավարում, իսկ կողմնային կոնվերտորը օգտագործում է ստատորի ֆլուքսի ուղղության վեկտորային կառավարում: XCTest-երը հաստատում են, որ համակարգը աջակցում է երկու ուղղության հզորության հոսքի, անկախ մուտք/ելք հզորության գործակցի կառավարումը, ցածր հարմոնիկ իսկալուծում, կայուն լայն տիրույթ գործանալու հնարավորությունը և անկայուն էներգիայի աղբյուրների, ինչպիսիք են եղանակները, բարձր որակի էներգիա արտադրությունը:

​2 համակարգի կառուցվածք​
Նկարում 1-ում ցուցադրված է, որ համակարգը բաղկացած է հինգ մասերից:

• Երկակի կենտրոնացած գեներատոր (կողմնային կապումներով ինդուկտիվ գեներատոր)
• Լարման աղբյուր AC/DC/AC երկու ուղղության PWM կոնվերտոր (IPM մոդուլներով եռափուլային ուղեկցի/ինվերտոր հետ-հետ համակարգ)
• Երկակի DSP կոռոլեր (ֆիքսացված կետ DSP TMS320LF2407A + 桴浮点DSP TMS320VC33)
• 电网连接保护装置（转子/定子接触器）
• 虚拟变速风力涡轮机（直流电机+ SIEMENS SIVOREG 晶闸管调速系统）

​关键细节​

• 转换器连接：网侧通过三相电感；转子侧通过滑环/刷子连接到发电机转子绕组。
• 双DSP角色：LF2407A 处理数据交换、PWM 生成和电网信号；VC33 执行核心算法；双端口 RAM 实现实时数据共享；CPLD 处理地址解码。
• 电网保护：发生故障时，首先断开定子接触器并封锁 PWM；延迟后再打开转子接触器。

​3 双馈发电机的矢量控制​
​3.1 控制原理​
在同步旋转坐标系（d轴与定子磁链对齐）中，双馈发电机模型为：
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​

​磁链方程：​​
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​

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

忽略定子电阻压降，定子磁链满足：
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd​≈usq​/ωs​,ψsq​≈0

​控制策略：​​

• 恒定定子广义励磁电流 imsi_{ms}ims​ → 电磁转矩 Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• 对于单位功率因数，励磁电流完全由转子提供（ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​）
• 前馈解耦补偿后，调节 urdu_{rd}urd​ 和 urqu_{rq}urq​ 分别控制转子磁链和转矩。

​3.2 网侧控制​

• 软并网：
1. 当风速达到切入值时，涡轮驱动发电机至最低速度。
2. 激活转换器以使定子电压与电网匹配（幅值、相位、频率）。
3. 满足并网条件后自动同步。
• 断开： 逐步卸载至空载状态后再断开。必须在允许的速度范围内操作。

​4 网侧整流器矢量控制​
在两相同步旋转坐标系（d轴与A相电压对齐）中，PWM 整流器模型为：
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​

​功率方程：​​
P=udid,Q=udiq{P = u_d i_d, \quad Q = u_d i_q}P=ud​id​,Q=ud​iq​

​控制逻辑：​​

• 恒定电网电压 → 调节 idi_did​ 以控制有功功率；iqi_qiq​ 用于无功功率。
• 带有电压补偿的控制方程：
  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 实验结果​
​关键验证：​​

• 宽速度范围内的可靠软并网；
• 独立的功率因数调节（定子/电网侧均达到单位功率因数）；
• AC/DC/AC 转换器的双向功率流动能力满足发电需求。

​6 结论​
本研究开发了一种基于双DSP的电压源AC/DC/AC双馈风力发电系统。结合网侧电压定向和转子侧定子磁链定向矢量控制，实验表明：

1. 系统实现了双向功率流动和独立的输入/输出功率因数调节；
2. 低谐波和高功率因数确保了电能质量；
3. 软并网/断开减少了机械/电气应力；
4. 适用于兆瓦级大规模风力发电安装。