Ricerca sul Convertitore di Frequenza di Eccitazione per Aerogeneratori a Velocità Variabile e Frequenza Costante

1 Introduzione​
L'energia eolica è una fonte di energia rinnovabile con un significativo potenziale di sviluppo. Negli ultimi anni, la tecnologia eolica ha attirato l'attenzione di studiosi in tutto il mondo. Come direzione chiave per lo sviluppo dell'energia eolica, la tecnologia a velocità variabile e frequenza costante (VSCF) utilizza il sistema eolico a doppia alimentazione come soluzione ottimizzata. In questo sistema, le avvolgimenti del statore sono collegati direttamente alla rete, mentre il controllo VSCF viene realizzato regolando la frequenza, l'ampiezza, la fase e la sequenza di fase dell'alimentazione degli avvolgimenti del rotore. Poiché il convertitore trasmette solo la potenza di scivolamento, la sua capacità può essere notevolmente ridotta.

Attualmente, i sistemi eolici a doppia alimentazione utilizzano principalmente convertitori AC/AC o AC/DC/AC. I convertitori AC/AC sono stati sostituiti in gran parte dai convertitori AC/DC/AC a sorgente di tensione a causa dei loro elevati armonici di uscita, del basso fattore di potenza di ingresso e della sovrabbondanza di dispositivi di potenza. Anche se i convertitori matriciali sono stati esplorati per i sistemi a doppia alimentazione, la loro struttura complessa, i requisiti elevati di resistenza ai voltaggi e il controllo non decoupled dell'ingresso/uscita limitano la loro adozione nelle applicazioni eoliche.

Questo studio sviluppa un sistema eolico a doppia alimentazione AC/DC/AC a sorgente di tensione controllato da due DSP. Il convertitore lato rete adotta il controllo vettoriale orientato alla tensione, mentre il convertitore lato rotore utilizza il controllo vettoriale orientato al flusso del statore. Gli esperimenti confermano che il sistema supporta il flusso di potenza bidirezionale, la regolazione indipendente del fattore di potenza di ingresso/uscita, la distorsione armonica bassa, l'operazione stabile in ampio range e la generazione di energia di alta qualità da fonti instabili come il vento.

​2 Configurazione del Sistema​
Come mostrato nella Figura 1, il sistema comprende cinque parti:

• Generatore a doppia alimentazione (generatore asincrono a rotor bobinato)
• Convertitore bidirezionale AC/DC/AC a sorgente di tensione (rettificatore/inverter trifase back-to-back con moduli IPM)
• Controllore a doppio DSP (DSP a virgola fissa TMS320LF2407A + DSP a virgola mobile TMS320VC33)
• Dispositivo di protezione di connessione alla rete (contattori stator/rotore)
• Turbina eolica virtuale a velocità variabile (motore CC + sistema di controllo della velocità SIVOREG di SIEMENS a tiristori)

​Dettagli Chiave​

• Connessione del convertitore: lato rete tramite induttori trifase; lato rotore tramite anelli di scivolamento/spazzole agli avvolgimenti del rotore del generatore.
• Ruoli del doppio DSP: LF2407A gestisce lo scambio di dati, la generazione PWM e i segnali di rete; VC33 esegue gli algoritmi centrali; la RAM a doppio porto abilita la condivisione di dati in tempo reale; CPLD elabora il decoding degli indirizzi.
• Protezione della rete: in caso di guasti, disconnettere prima il contattore del statore e bloccare il PWM; aprire il contattore del rotore dopo un ritardo.

​3 Controllo Vettoriale del Generatore a Doppia Alimentazione​
​3.1 Principi di Controllo​
Nel quadro di rotazione sincrona (asse d allineato con il flusso del statore), il modello del generatore a doppia alimentazione è:
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​

​Equazioni del flusso:​​
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​

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

Tralasciando la caduta di tensione dovuta alla resistenza dello statore, il flusso del statore soddisfa:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd​≈usq​/ωs​,ψsq​≈0

​Strategia di controllo:​​

• Corrente di eccitazione generalizzata costante dello statore imsi_{ms}ims​ → Momento elettromagnetico Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• Per un fattore di potenza unitario, la corrente di eccitazione è fornita interamente dal rotore (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​)
• Dopo la compensazione di decoupling feedforward, regolare urdu_{rd}urd​ e urqu_{rq}urq​ per controllare rispettivamente il flusso e il momento del rotore.

​3.2 Controllo della Rete​

• Connessione morbida alla rete:
1. Quando la velocità del vento raggiunge il valore di entrata, la turbina fa girare il generatore alla velocità minima.
2. Attivare il convertitore per allineare la tensione del statore con quella della rete (ampiezza, fase, frequenza).
3. Sincronizzazione automatica quando si soddisfano le condizioni di connessione alla rete.
• Disconnessione: Scaricare gradualmente fino allo stato a carico nullo prima di disconnettere. Deve operare all'interno del range di velocità consentito.

​4 Controllo Vettoriale del Rettilificatore Lato Rete​
Nel quadro di rotazione sincrona a due fasi (asse d allineato con la tensione della fase A), il modello del rettificatore PWM è:
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​

​Equazioni di potenza:​​
P=udid,Q=udiq{P = u_d i_d, \quad Q = u_d i_q}P=ud​id​,Q=ud​iq​

​Logica di controllo:​​

• Tensione di rete costante → Regolare idi_did​ per controllare il potere attivo; iqi_qiq​ per il potere reattivo.
• Equazioni di controllo con compensazione di tensione:
  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 Risultati Sperimentali​
​Verifiche Chiave:​​

• Connessione morbida affidabile alla rete in un ampio range di velocità;
• Regolazione indipendente del fattore di potenza (lato statore/rete entrambi raggiungono l'unità);
• Capacità di flusso di potenza bidirezionale del convertitore AC/DC/AC che soddisfa le esigenze di generazione.

​6 Conclusione​
Questo studio sviluppa un sistema eolico a doppia alimentazione AC/DC/AC a sorgente di tensione basato su doppio DSP. Combinato con il controllo vettoriale orientato alla tensione lato rete e il controllo vettoriale orientato al flusso del statore lato rotore, gli esperimenti dimostrano:

1. Il sistema raggiunge il flusso di potenza bidirezionale e la regolazione indipendente del fattore di potenza di ingresso/uscita;
2. Armoniche basse e fattore di potenza elevato garantiscono la qualità dell'energia;
3. La connessione/disconnessione morbida riduce lo stress meccanico/elettrico;
4. Applicabilità alle installazioni eoliche a grande scala di classe megawatt.