Айналуындағы жылдамдықты тұрақты үдеріс пен салыстырып, деңгейлерді ауыстыруға арналған динамо-конвертерге арналған зерттеу

1 Есімдік​
Есірткел энергиясы - өте жақсы өнімділік потенциалы бар жаңартылатын энергия ресурсы. Соңғы жылдарда, есірткел энергия технологиясы дүние жүзіндегі оқырманнардың кең тарағынша көңілдіктігін аударды. Есірткел энергиясының өнімділік бағыты ретінде, деңгейімен және уақыттың тұрақтылығымен (VSCF) технологиясы екі таңбалы есірткел станциясын оптимизацияланған шешім ретінде қолданылады. Бұл жүйеде, генератордың статоры тікелей электр жүйесіне байланыстырылады, ал VSCF басқаруы ротордың ток тақырыбының частотасын, амплитудасын, фазасын және фаза тізбегін басқару арқылы жасалады. Конвертер тек салыстырушы токты атқарады, сондықтан оның қабілеті көп емес.

Азыр екі таңбалы есірткел станциялары негізінен AC/AC немесе AC/DC/AC конвертерлерін қолданады. AC/AC конвертерлерінің жоғары гармоникалық шығысы, төмен енгізу коэффициенті және өте көп энергиялық приборлары үшін олардың орнына напряжение-басқарылған AC/DC/AC конвертерлері пайда болды. Екі таңбалы системалар үшін матрицалық конвертерлерді зерттеген, бірақ олардың тəсірі тым тез құралды, жоғары напряжациялық талаптары және ішкі-сыртқы басқаруының декупликациясы олардың есірткел энергиясында қолданылуын шектеді.

Бұл зерттеу екі DSP-ге басқарылатын напряжение-басқарылған AC/DC/AC екі таңбалы есірткел станциясын әзірлейді. Жүйеде электр жүйесінің тағы бөлігі векторды басқару принципін қолданады, ал ротордың тағы бөлігі статор магниттік токқа басқару принципін қолданады. Эксперименттер бұл жүйенің эки жағынан токты өту, независимо регулирование входного и выходного коэффициента мощности, низкий уровень гармонических искажений, стабильную работу в широком диапазоне, а также высокое качество выработки электроэнергии из нестабильных источников, таких как ветер, подтверждают.

​2 Жүйе құрылымы​
Сурет 1-де көрсетілгендей, жүйе бес бөліктен тұрады:

• Екі таңбалы генератор (қатыс таңбалауы бар индуктивті генератор)
• Напряжение-басқарылған AC/DC/AC эки жағынан PWM конвертер (IPM модулдерін пайдаланып, биік-биік үш фазалы выпрямитель/инвертор)
• Екі DSP басқару құрылғысы (фиксацияланған DSP TMS320LF2407A + динамикалық DSP TMS320VC33)
• Электр жүйесіне байланыс қорғау құрылғысы (ротор/статор контакторлары)
• Виртуалды деңгейімен өзгеретін есірткел турбина (DC мотор + SIEMENS SIVOREG тиристорды басқару құрылғысы)

​Негізгі ескертулар​

• Конвертердің байланысуы: Электр жүйесінің тағы бөлігі үш фазалы индукторлар арқылы; ротордың тағы бөлігі слайдерлер/футлярлар арқылы генератордың ротор ток тақырыбына.
• Екі DSP рөлі: LF2407A деректер алмасуын, PWM жасауын және электр жүйесінің сигналдарын басқарады; VC33 негізгі алгоритмдерді орындайды; екі портты RAM нақты уақытта деректерді бөлісуін жасайды; CPLD адрес дешифрациясын жүргізеді.
• Электр жүйесін қорғау: Қателер болғанда, алдымен статор контакторын және PWM-ді түртіп тастап, одан кейін ротор контакторын ашыңыз.

​3 Екі таңбалы генератор үшін векторды басқару​
​3.1 Басқару принциптері​
Синхронды айналулы координаталық жүйеде (d-ось статор магниттік токпен бірге), екі таңбалы генератор модельі:
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​

​Магниттік ток теңдеулері:​​
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​

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

Статордың қатыс таңбалауын есептеу болмай, статор магниттік токы:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd​≈usq​/ωs​,ψsq​≈0

​Басқару стратегиясы:​​

• Тұрақты статор жалпы қатыс таңбалау тока imsi_{ms}ims​ → Электромагниттік момент Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• Ең жақсы коэффициент үшін, қатыс таңбалау токы ротордан (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​) толық түрде беріледі.
• Өнімділік дешифрациясынан кейін, urdu_{rd}urd​ және urqu_{rq}urq​ бойынша ротордың магниттік токы мен момента басқарылады.

​3.2 Электр жүйесін басқару​

• Жұмсақ электр жүйесіне байланыс:
1. Есірткел жылдамдығы кіріс мәніне жеткенде, турбина генераторды минималды жылдамдыққа әкеледі.
2. Конвертерді активациялау арқылы, статор напряжациясы электр жүйесіне (амплитуда, фаза, частота) сәйкес келеді.
3. Электр жүйесіне байланыс шарттары орындалғанда автоматтық синхронизация.
• Бөлісу: Алдымен жоғары жүкке дейін азайту, одан кейін бөлісіңіз. Мүмкін жылдамдық аралығында жұмыс істеңіз.

​4 Электр жүйесінің тағы бөлігінің выпрямителя векторды басқару​
Екі фазалы синхронды айналулы координаталық жүйеде (d-ось A-фаза напряжациясымен бірге), PWM выпрямитель модельі:
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​

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

​Басқару логикасы:​​

• Тұрақты электр жүйесінің напряжациясы → Активті энергияны басқару үшін idi_did​-ті, реактивті энергияны басқару үшін iqi_qiq​-ті регулируйте.
• Напряжациялық компенсациясы бар басқару теңдеулері:
  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 Эксперименттік нәтижелер​
​Негізгі тексерулер:​​

• Кең жылдамдық аралығында жұмсақ электр жүйесіне байланыс;
• Независимая регулировка коэффициента мощности (статор/электросеть обе достигают единицы);
• AC/DC/AC конвертердің эки жағынан токты өту қабілеті жасау талаптарын қанағаттандырады.

​6 Пікір​
Бұл зерттеу екі DSP-ге басқарылатын напряжение-басқарылған AC/DC/AC екі таңбалы есірткел станциясын әзірлейді. Электр жүйесінің тағы бөлігінің напряжение-басқарылған және ротордың тағы бөлігінің статор магниттік ток-басқарылған векторды басқаруымен, эксперименттер бұл жүйенің эки жағынан токты өту және независимая регулировка входного и выходного коэффициента мощности, низкий уровень гармонических искажений, мягкие подключение и отключение, что снижает механическую и электрическую нагрузку, а также применимость к мегаваттным крупномасштабным ветроэнергетическим установкам демонстрируют.

1. Жүйе эки жағынан токты өту және независимая регулировка входного и выходного коэффициента мощности қабілетін қамтамасыз етеді;
2. Төмен гармоникалық және жоғары коэффициент үшін энергия сапасын қамтамасыз етеді;
3. Жұмсақ электр жүйесіне байланыс және бөлісіңіз, механикалық және электрлық жүкті азайтады;
4. Мегаватт класының үлкен өлшемдегі есірткел энергия станцияларына қолданылатын.