ცვლადი სიჩქარის მუდმივი სიხშირის ბრძანებით გამოყენების ტურბინებისთვის გახშირების კონვერტორის კვლევა

1 შესაძლებლობის შესახებ​
ქარის ენერგია არის უკვეთადი ენერგიის წყარო დიდი განვითარების პოტენციით. ბოლო წლებში ქარის ენერგიის ტექნოლოგია მოიხსენიებს მსოფლიოს მეცნიერების მაღალ ყურადღებას. როგორც ქარის ენერგიის განვითარების მთავარი მიმართულება, სიჩქარის ცვლის და კონსტანტური სიხშირის (VSCF) ტექნოლოგია იყენებს დუბლად შეტანილ ქარის სისტემას უკეთეს ამოხსნად. ამ სისტემაში გენერატორის სტატორის ზარდები დირექტულად ეკავშირება ქსელს, ხოლო VSCF კონტროლი ხდება როტორის ზარდების ელექტროსნარის სიხშირის, ამპლიტუდის, ფაზისა და ფაზის სიმრავლის რეგულირებით. რადგან კონვერტერი მხოლოდ სლიპ ძალას გადასცემს, მისი მოცულობა შეიძლება მნიშვნელოვანად შეიკლირდეს.

ამჟამად დუბლად შეტანილ ქარის სისტემები ძირითადად იყენებენ AC/AC ან AC/DC/AC კონვერტერებს. AC/AC კონვერტერები მსურველი დამხმარე ელექტროსნარის მაღალი ჰარმონიკების, დაბალი შესართავი ძალის ფაქტორის და მეტი ძალის მოწყობილობების გამო შეიცვალა ვოლტის წყაროს AC/DC/AC კონვერტერებით. თუმცა მატრიცული კონვერტერები დუბლად შეტანილ სისტემებისთვის განიხილება, მათი რთული სტრუქტურა, მაღალი დაბრუნების ძალის მოთხოვნები და არადეკუპლირებული შესართავი/გამოსართავი კონტროლი შეზღუდავს მათ ქარის ენერგიის აპლიკაციებში გამოყენებას.

ეს შესაძლებლობა განვითარებს დუბლად შეტანილ ქარის სისტემას ვოლტის წყაროს AC/DC/AC კონვერტერით, რომელიც კონტროლის უკეთესი დისპერსიით მუშაობს. ქსელის მხარეს კონვერტერი იყენებს ვოლტის-ორიენტირებულ ვექტორულ კონტროლს, ხოლო როტორის მხარეს კონვერტერი იყენებს სტატორის ფლაქსის-ორიენტირებულ ვექტორულ კონტროლს. ექსპერიმენტები დადასტურებს, რომ სისტემა უზრუნველყოფს ორმირდაობრივ ძალის ნაწილად, დამოუკიდებელ შესართავი/გამოსართავი ძალის ფაქტორის რეგულირებას, დაბალ ჰარმონიკულ დეფორმაციას, სტაბილურ ფართო დიაპაზონში მუშაობას და უკავშირდება უსაფრთხო ენერგიის წყაროს, როგორიცაა ქარი.

​2 სისტემის კონფიგურაცია​
რგოლით 1-ზე ნაჩვენებია, სისტემა შედგება ხუთი ნაწილიდან:

• დუბლად შეტანილი გენერატორი (როტორის ზარდების გარეშე ინდუქციური გენერატორი)
• ვოლტის წყაროს AC/DC/AC ორმირდაობრივი PWM კონვერტერი (IPM მოდულების გამოყენებით უკუმიდუმარის სამფაზიანი რექტიფიკატორი/ინვერტორი)
• დუბლად დისპერსიით კონტროლერი (ფიქსირებული წერტილის დისპერსია TMS320LF2407A + უფროდის დისპერსია TMS320VC33)
• ქსელთან დაკავშირების დაცვის მოწყობილობა (როტორის/სტატორის კონტაქტორები)
• ვირტუალური სიჩქარის ცვლის ქარის ტურბინა (დირექტული მოტორი + SIEMENS SIVOREG თირისტორის სიჩქარის კონტროლი)

​მთავარი დეტალები​

• კონვერტერის დაკავშირება: ქსელის მხარეს სამფაზიანი ინდუქტორებით; როტორის მხარეს სლიპ რინგების/ბრაშების შესახებ გენერატორის როტორის ზარდებით.
• დუბლად დისპერსიით როლები: LF2407A მოწესრიგებულია მონაცემების გაცვლაზე, PWM შექმნაზე და ქსელის სიგნალებზე; VC33 აკეთებს ძირითად ალგორითმებს; დუბლად პორტული RAM უზრუნველყოფს რეალურ დროში მონაცემების გაზიარებას; CPLD მუშაობს მისამართის დეკოდირებაზე.
• ქსელის დაცვა: შეცდომის დროს, პირველი დაუკავშირდება სტატორის კონტაქტორს და ბლოკირებს PWM-ს; დელაის შემდეგ გახსნის როტორის კონტაქტორს.

​3 დუბლად შეტანილი გენერატორის ვექტორული კონტროლი​
​3.1 კონტროლის პრინციპები​
სინქრონულ როტაციულ სისტემაში (d-ღერძი სტატორის ფლაქსთან დასახელებული), დუბლად შეტანილი გენერატორის მოდელია:
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​&ψ;rq​
urq=Rrirq+d&ψ;rqdt+&ω;slip&ψ;rd{u_{rq} = R_r i_{rq} + \frac{d\ψ;_{rq}}{dt} + \ω;_{\text{slip}} \ψ;_{rd}}urq​=Rr​irq​+dtd&ψ;rq​​+&ω;slip​&ψ;rd​

​ფლაქსის განტოლებები:​​
&ψ;sd=Lmims+Lsisd=Lmims{\ψ;_{sd} = L_m i_{ms} + L_s i_{sd} = L_m i_{ms}}&ψ;sd​=Lm​ims​+Ls​isd​=Lm​ims​
&ψ;sq=−Lmirq{\ψ;_{sq} = -L_m i_{rq}}&ψ;sq​=−Lm​irq​
&ψ;rd=Lrird+Lmisd{\ψ;_{rd} = L_r i_{rd} + L_m i_{sd}}&ψ;rd​=Lr​ird​+Lm​isd​
&ψ;rq=Lrirq+Lmisq{\ψ;_{rq} = L_r i_{rq} + L_m i_{sq}}&ψ;rq​=Lr​irq​+Lm​isq​

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

სტატორის წინადადების წინაშე დაუშვებელი დანაკლისი, სტატორის ფლაქსი აკმაყოფილებს:
&ψ;sd≈usq/&ω;s,&ψ;sq≈0{\ψ;_{sd} \approx u_{sq}/\ω;s, \quad \ψ;_{sq} \approx 0}&ψ;sd​≈usq​/&ω;s​,&ψ;sq​≈0

​კონტროლის სტრატეგია:​​

• მუდმივი სტატორის გენერალიზებული აღებული ძალა imsi_{ms}ims​ → ელექტრომაგნიტური ტორკი Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• ერთეულის ძალის ფაქტორისთვის, აღებული ძალა სრულიად უზრუნველყოფილია როტორის მიერ (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​)
• ფიდბაქ დეკუპლირების კომპენსაციის შემდეგ, რეგულირება urdu_{rd}urd​ და urqu_{rq}urq​ შესაძლებლობას აძლევს კონტროლის როტორის ფლაქსის და ტორკის კონტროლს შესაბამისად.

​3.2 ქსელის კონტროლი​

• მягкий подключение к сети:
1. Когда скорость ветра достигает значения включения, турбина приводит генератор до минимальной скорости.
2. Активировать преобразователь для согласования напряжения статора с сетью (амплитуда, фаза, частота).
3. Автоматическая синхронизация при выполнении условий подключения к сети.
• Отключение: Постепенно разгрузить до холостого состояния перед отключением. Должно работать в допустимом диапазоне скоростей.

​4 Векторный контроль сетевого выпрямителя​
В двухфазной синхронной системе вращения (ось d совпадает с напряжением фазы A), модель PWM-выпрямителя имеет вид:
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​

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

​Логика управления:​​

• Постоянное сетевое напряжение → Регулирование idi_did​ для управления активной мощностью; iqi_qiq​ для реактивной мощности.
• Уравнения управления с компенсацией напряжения:
  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​+&ω;s​Lid​

​5 Экспериментальные результаты​
​Основные проверки:​​

• Надежное мягкое подключение к сети на широком диапазоне скоростей;
• Независимая регулировка коэффициента мощности (сторона статора и сторона сети обе достигают единицы);
• Двунаправленная способность передачи мощности AC/DC/AC-преобразователя соответствует требованиям генерации.

​6 Заключение​
В этом исследовании разработана система двойного питания переменного тока/постоянного тока/переменного тока для дважды питаемого ветрогенератора на основе двойного DSP. В сочетании с сетевым управлением, ориентированным на напряжение, и роторным управлением, ориентированным на поток статора, эксперименты показывают:

1. Система обеспечивает двунаправленную передачу мощности и независимую регулировку коэффициента мощности входа/выхода;
2. Низкие гармоники и высокий коэффициент мощности обеспечивают качество электроэнергии;
3. Мягкое подключение и отключение к сети снижают механическую и электрическую нагрузку;
4. Применимо к мегаваттным крупномасштабным ветроэнергетическим установкам.