변속 정속 풍력 터빈용 고무 주파수 변환기 연구

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1 소개
풍력 에너지는 중요한 개발 잠재력을 가진 재생 가능 에너지원입니다. 최근 몇 년 동안 풍력 기술은 전 세계 학자들의 광범위한 관심을 받았습니다. 변속 정전력(VSCF) 기술은 풍력 발전의 주요 방향으로, 이중 급전 풍력 시스템을 최적화된 솔루션으로 사용합니다. 이 시스템에서 제너레이터의 스태터 와인딩은 직접 그리드에 연결되며, VSCF 제어는 로터 와인딩 전원 공급의 주파수, 진폭, 위상 및 위상 순서를 조절하여 달성됩니다. 컨버터가 미끄러짐 전력만 전송하므로 그 용량을 크게 줄일 수 있습니다.

현재 이중 급전 풍력 시스템은 주로 AC/AC 또는 AC/DC/AC 컨버터를 사용하고 있습니다. AC/AC 컨버터는 출력 하모닉이 높고 입력 전력 인자가 낮으며 전력 장치가 과도하게 필요한 이유로 전압 소스 AC/DC/AC 컨버터로 대체되고 있습니다. 행렬 컨버터는 이중 급전 시스템에 대해 탐구되었지만, 복잡한 구조, 높은 전압 내구성 요구 사항 및 비결합 입력/출력 제어로 인해 풍력 응용 분야에서 채택이 제한되었습니다.

본 연구에서는 쌍 DSP를 사용하여 제어되는 전압 소스 AC/DC/AC 이중 급전 풍력 시스템을 개발했습니다. 그리드 측 컨버터는 전압 지향 벡터 제어를 채택하고, 로터 측 컨버터는 스태터 플럭스 지향 벡터 제어를 사용합니다. 실험 결과, 이 시스템은 양방향 전력 흐름, 독립적인 입력/출력 전력 인자 조절, 낮은 하모닉 왜곡, 안정적인 광범위한 작동, 그리고 바람과 같은 불안정한 에너지 원으로부터의 고품질 전력 생산을 지원함을 확인하였습니다.

2 시스템 구성
그림 1에 표시된 바와 같이, 시스템은 다섯 부분으로 구성됩니다:

이중 급전 제너레이터(와인딩 로터 유도 제너레이터)
전압 소스 AC/DC/AC 양방향 PWM 컨버터(IPM 모듈을 사용하는 백 투 백 3상 정류기/역변환기)
쌍 DSP 컨트롤러(고정점 DSP TMS320LF2407A + 부동소수점 DSP TMS320VC33)
그리드 접속 보호 장치(로터/스태터 컨택터)
가상 변속 풍력 터빈(DC 모터 + SIEMENS SIVOREG 트라이아크 속도 제어 시스템)

주요 세부사항

컨버터 연결: 그리드 측은 3상 인덕터를 통해; 로터 측은 슬립 링/브러시를 통해 제너레이터 로터 와인딩에 연결됩니다.
쌍 DSP 역할: LF2407A는 데이터 교환, PWM 생성, 그리드 신호를 처리하며; VC33은 핵심 알고리즘을 실행합니다; 쌍 포트 RAM은 실시간 데이터 공유를 가능하게 하고; CPLD는 주소 디코딩을 처리합니다.
그리드 보호: 고장 발생 시, 먼저 스태터 컨택터를 해제하고 PWM을 차단한 후, 일정 시간 지연 후 로터 컨택터를 열어야 합니다.

3 이중 급전 제너레이터의 벡터 제어
3.1 제어 원칙
동기 회전 좌표계(d-축이 스태터 플럭스와 일치)에서 이중 급전 제너레이터 모델은:
usd=Rsisd+dψsddt−ωsψsq{u_{sd} = R_s i_{sd} + \frac{d\psi_{sd}}{dt} - \omega_s \psi_{sq}}usd=Rsisd+dtdψsd−ωsψsq
usq=Rsisq+dψsqdt+ωsψsd{u_{sq} = R_s i_{sq} + \frac{d\psi_{sq}}{dt} + \omega_s \psi_{sd}}usq=Rsisq+dtdψsq+ωsψsd
urd=Rrird+dψrddt−ωslipψrq{u_{rd} = R_r i_{rd} + \frac{d\psi_{rd}}{dt} - \omega_{\text{slip}} \psi_{rq}}urd=Rrird+dtdψrd−ωslipψrq
urq=Rrirq+dψrqdt+ωslipψrd{u_{rq} = R_r i_{rq} + \frac{d\psi_{rq}}{dt} + \omega_{\text{slip}} \psi_{rd}}urq=Rrirq+dtdψrq+ωslipψrd

플럭스 방정식:
ψsd=Lmims+Lsisd=Lmims{\psi_{sd} = L_m i_{ms} + L_s i_{sd} = L_m i_{ms}}ψsd=Lmims+Lsisd=Lmims
ψsq=−Lmirq{\psi_{sq} = -L_m i_{rq}}ψsq=−Lmirq
ψrd=Lrird+Lmisd{\psi_{rd} = L_r i_{rd} + L_m i_{sd}}ψrd=Lrird+Lmisd
ψrq=Lrirq+Lmisq{\psi_{rq} = L_r i_{rq} + L_m i_{sq}}ψrq=Lrirq+Lmisq

토크 방정식:
Te=−npLmimsirqLs{T_e = -\frac{n_p L_m i_{ms} i_{rq}}{L_s}}Te=−LsnpLmimsirq

스태터 저항 전압 강하를 무시하면, 스태터 플럭스는 다음과 같습니다:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0

제어 전략:

상수 스태터 일반화된 자극 전류 imsi_{ms}ims → 전자기 토크 Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te∝irq
공력 인자가 1일 때, 자극 전류는 로터(ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims=ird)에 의해 완전히 공급됩니다.
피드포워드 분리 보상 후, urdu_{rd}urd와 urqu_{rq}urq를 각각 로터 플럭스와 토크를 제어하기 위해 조절합니다.

3.2 그리드 제어

소프트 그리드 접속:

풍속이 절입 값에 도달하면, 터빈이 제너레이터를 최소 속도로 구동합니다.
컨버터를 활성화하여 스태터 전압을 그리드(진폭, 위상, 주파수)와 일치시킵니다.
그리드 접속 조건을 충족하면 자동으로 동기화됩니다.

접속 해제: 접속 해제 전에 점진적으로 무부하 상태로 변경해야 합니다. 허용된 속도 범위 내에서 작동해야 합니다.

4 그리드 측 정류기 벡터 제어
두 상 동기 회전 좌표계(d-축이 A상 전압과 일치)에서 PWM 정류기 모델은:
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−ωsLiq+sdudc
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+ωsLid+squdc
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(sdid+sqiq)−iload

전력 방정식:
P=udid,Q=udiq{P = u_d i_d, \quad Q = u_d i_q}P=udid,Q=udiq

제어 논리:

상수 그리드 전압 → 활성 전력을 제어하기 위해 idi_did를 조절하고, iqi_qiq를 반응 전력을 제어합니다.
전압 보상을 포함한 제어 방정식:
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−ωsLiq+ud
uq∗=(R+Lddt)iq+ωsLid{u_q^* = (R + L\frac{d}{dt})i_q + \omega_s L i_d}uq∗=(R+Ldtd)iq+ωsLid

5 실험 결과
주요 검증: