Penelitian tentang Konverter Frekuensi Eksitasi untuk Turbin Angin Variabel Kecepatan Konstan Frekuensi

1 Pendahuluan​
Energi angin adalah sumber energi terbarukan dengan potensi pengembangan yang signifikan. Dalam beberapa tahun terakhir, teknologi pembangkit listrik tenaga angin telah mendapatkan perhatian luas dari para ilmuwan di seluruh dunia. Sebagai arah utama untuk pengembangan tenaga angin, teknologi kecepatan variabel frekuensi konstan (VSCF) menggunakan sistem tenaga angin ganda-masukan sebagai solusi yang dioptimalkan. Dalam sistem ini, lilitan stator generator terhubung langsung ke jaringan, sementara kontrol VSCF dicapai dengan mengatur frekuensi, amplitudo, fase, dan urutan fase dari pasokan daya lilitan rotor. Karena konverter hanya mentransmisikan daya slip, kapasitasnya dapat dikurangi secara signifikan.

Saat ini, sistem tenaga angin ganda-masukan sebagian besar menggunakan konverter AC/AC atau AC/DC/AC. Konverter AC/AC telah banyak digantikan oleh konverter tegangan-sumber AC/DC/AC karena harmonisa output tinggi, faktor daya input rendah, dan perangkat daya berlebih. Meskipun konverter matriks telah dieksplorasi untuk sistem ganda-masukan, struktur kompleks, persyaratan tahanan tegangan tinggi, dan kontrol input/output tidak terkopel membatasi adopsinya dalam aplikasi tenaga angin.

Penelitian ini mengembangkan sistem tenaga angin ganda-masukan tegangan-sumber AC/DC/AC yang dikendalikan oleh dua DSP. Konverter sisi jaringan mengadopsi kontrol vektor berorientasi tegangan, dan konverter sisi rotor menggunakan kontrol vektor berorientasi fluks stator. Eksperimen menegaskan bahwa sistem mendukung aliran daya dua arah, regulasi faktor daya input/output independen, distorsi harmonis rendah, operasi stabil dalam rentang lebar, dan pembangkitan daya berkualitas tinggi dari sumber energi tidak stabil seperti angin.

​2 Konfigurasi Sistem​
Seperti ditunjukkan pada Gambar 1, sistem terdiri dari lima bagian:

• Generator ganda-masukan (generator induksi rotor-lilit)
• Konverter PWM dua arah AC/DC/AC sumber tegangan (rectifier/inverter tiga fasa back-to-back menggunakan modul IPM)
• Kontroler dual-DSP (DSP titik tetap TMS320LF2407A + DSP titik mengambang TMS320VC33)
• Perangkat proteksi sambungan jaringan (kontaktor rotor/stator)
• Turbine angin variabel kecepatan virtual (motor DC + sistem kontrol kecepatan tiristor SIEMENS SIVOREG)

​Detail Utama​

• Sambungan konverter: sisi jaringan melalui induktor tiga fasa; sisi rotor melalui cincin gesek/sikat ke lilitan rotor generator.
• Peran dual-DSP: LF2407A menangani pertukaran data, pembuatan PWM, dan sinyal jaringan; VC33 menjalankan algoritma inti; RAM dua port memungkinkan berbagi data real-time; CPLD memproses dekoding alamat.
• Proteksi jaringan: Pada saat terjadi gangguan, putuskan kontak stator dan blokir PWM terlebih dahulu; tunggu sebentar sebelum membuka kontak rotor.

​3 Kontrol Vektor untuk Generator Ganda-Masukan​
​3.1 Prinsip Kontrol​
Dalam kerangka rotasi sinkron (d-sumbu sejajar dengan fluks stator), model generator ganda-masukan adalah:
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​

​Persamaan fluks:​​
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​

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

Mengabaikan penurunan tegangan resistansi stator, fluks stator memenuhi:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd​≈usq​/ωs​,ψsq​≈0

​Strategi kontrol:​​

• Arus eksitasi stator umum konstan imsi_{ms}ims​ → Torsi elektromagnetik Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• Untuk faktor daya satu, arus eksitasi sepenuhnya disuplai oleh rotor (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​)
• Setelah kompensasi dekoupling feedforward, atur urdu_{rd}urd​ dan urqu_{rq}urq​ untuk mengontrol fluks dan torsi rotor, masing-masing.

​3.2 Kontrol Jaringan​

• Sambungan Lembut ke Jaringan:
1. Saat kecepatan angin mencapai nilai cut-in, turbin menggerakkan generator ke kecepatan minimum.
2. Aktifkan konverter untuk menyamakan tegangan stator dengan jaringan (amplitudo, fase, frekuensi).
3. Otomatis sinkronisasi setelah memenuhi syarat sambungan jaringan.
• Putuskan Sambungan: Secara bertahap bebankan hingga keadaan tanpa beban sebelum memutuskan. Harus beroperasi dalam rentang kecepatan yang diperbolehkan.

​4 Kontrol Vektor Rectifier Sisi Jaringan​
Dalam kerangka rotasi sinkron dua fasa (d-sumbu sejajar dengan tegangan fase-A), model rectifier PWM adalah:
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​

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

​Logika kontrol:​​

• Tegangan jaringan konstan → Atur idi_did​ untuk mengontrol daya aktif; iqi_qiq​ untuk daya reaktif.
• Persamaan kontrol dengan kompensasi tegangan:
  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 Hasil Eksperimen​
​Verifikasi Utama:​​

• Sambungan lembut ke jaringan yang andal dalam rentang kecepatan yang luas;
• Regulasi faktor daya independen (sisi stator/jaringan keduanya mencapai satu);
• Kemampuan aliran daya dua arah konverter AC/DC/AC memenuhi kebutuhan pembangkitan.

​6 Kesimpulan​
Penelitian ini mengembangkan sistem tenaga angin ganda-masukan tegangan-sumber AC/DC/AC berbasis dual-DSP. Dengan kombinasi kontrol vektor berorientasi tegangan sisi jaringan dan kontrol vektor berorientasi fluks stator sisi rotor, eksperimen menunjukkan:

1. Sistem mencapai aliran daya dua arah dan regulasi faktor daya input/output independen;
2. Harmonisa rendah dan faktor daya tinggi memastikan kualitas daya;
3. Sambungan/disambungan lembut ke jaringan mengurangi stres mekanis/elektrik;
4. Applicability to megawatt-class large-scale wind power installations.