Değişken Hızlı Sabit Frekansta Rüzgar Türbinleri için Tahrik Frekans Çeviricisi Üzerine Araştırma

1 Giriş​
Rüzgar enerjisi önemli bir gelişim potansiyeline sahip yenilenebilir bir enerji kaynağıdır. Son yıllarda, rüzgar enerjisi teknolojisi dünya genelinde bilim insanlarının geniş ilgisini çekmiştir. Rüzgar enerjisinin geliştirilmesi için önemli bir yönde değişken hız sabit frekans (VSCF) teknolojisi, çift besli rüzgar güç sistemi olarak optimize edilmiş bir çözümdür. Bu sistemde, jeneratörün stator bobinleri doğrudan şebekeye bağlanırken, VSCF kontrolü, rotor bobin güç kaynağının frekansı, genliği, fazı ve faz sırasını düzenleyerek gerçekleştirilir. Dönüştürücünün sadece kayma gücü iletimi yaptığından, kapasitesi önemli ölçüde azaltılabilir.

Şu anda, çift besli rüzgar güç sistemleri çoğunlukla AC/AC veya AC/DC/AC dönüştürücüler kullanmaktadır. Yüksek çıkış harmonikleri, düşük giriş güç faktörü ve aşırı güç cihazları nedeniyle AC/AC dönüştürücüler, gerilim kaynağı AC/DC/AC dönüştürücüler tarafından büyük ölçüde değiştirilmiştir. Çift besli sistemler için matris dönüştürücüler de araştırılmıştır, ancak karmaşık yapısı, yüksek voltaj dayanıklılık gereklilikleri ve ayrıştırılmamış giriş/çıkış kontrolü, bu tür dönüştürücülerin rüzgar enerjisi uygulamalarında yaygın kullanımını sınırlamıştır.

Bu çalışma, çift DSP ile kontrollenen gerilim kaynağı AC/DC/AC çift besli rüzgar güç sistemini geliştirir. Şebeke tarafı dönüştürücüsü gerilim yönelimli vektör kontrolünü, rotor tarafı dönüştürücüsü ise stator akıma yönelimli vektör kontrolünü kullanır. Deneyler, sistemin iki yönlü güç akışı, bağımsız giriş/çıkış güç faktörü düzenleme, düşük harmonik bozulma, geniş aralıklı istikrarlı çalışma ve rüzgar gibi istikrarsız enerji kaynaklarından kaliteli elektrik üretme yeteneğini destekler.

​2 Sistem Yapılandırması​
Şekil 1'de gösterildiği gibi, sistem beş bölümden oluşur:

• Çift besli jeneratör (bobinli rotor endüksiyon jeneratörü)
• Gerilim kaynağı AC/DC/AC çift yönlü PWM dönüştürücü (IPM modülleri kullanılarak geriye doğru üç faz dikdörtgenleme/dikdörtgenlemesiz)
• Çift DSP kontrolcüsü (nokta sabit DSP TMS320LF2407A + kayan nokta DSP TMS320VC33)
• Şebeke bağlantısı koruma cihazı (rotor/stator kontaktörleri)
• Sanal değişken hızlı rüzgar türbini (DC motor + SIEMENS SIVOREG tiristör hız kontrol sistemi)

​Önemli Detaylar​

• Dönüştürücü bağlantıları: Şebeke tarafı üç faz bobinler üzerinden; rotor tarafı sürtünme halkaları/fırçalar aracılığıyla jeneratör rotor bobinlerine.
• Çift DSP rolleri: LF2407A veri alışverişini, PWM üretimini ve şebeke sinyallerini ele alır; VC33 ana algoritmaları yürütür; çift port RAM gerçek zamanlı veri paylaşımını sağlar; CPLD adres çözme işlemini gerçekleştirir.
• Şebeke koruması: Hatalar durumunda, önce stator kontaktörünü kes ve PWM'yi blokle; ardından rotor kontaktörünü açmak için gecikme.

​3 Çift Besli Jeneratör için Vektör Kontrolü​
​3.1 Kontrol İlkeleri​
Senkron dönen kare (d-ekseni stator akısı ile hizalanmış), çift besli jeneratör modeli:
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​

​Akı denklemleri:​​
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​

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

Stator direnç voltaj düşümünü ihmal edersek, stator akısı şu şekilde sağlanır:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd​≈usq​/ωs​,ψsq​≈0

​Kontrol stratejisi:​​

• Sabit stator genelleştirilmiş manyetize akımı imsi_{ms}ims​ → Elektromanyetik tork Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• Birim güç faktörü için, manyetize akımı tamamen rotordan sağlanır (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​)
• İleri besleme ayrıştırıcı kompansasyonundan sonra, urdu_{rd}urd​ ve urqu_{rq}urq​ düzenlenerek sırasıyla rotor akısı ve tork kontrol edilir.

​3.2 Şebeke Kontrolü​

• Yumuşak Şebeke Bağlantısı:
1. Rüzgar hızı kestirme değerine ulaştığında, türbin jeneratörü minimum hızına getirir.
2. Dönüştürücüyü etkinleştirerek stator voltajını şebekeye (genlik, faz, frekans) uygun hale getirin.
3. Şebeke bağlantı koşulları karşılandığında otomatik senkronizasyon.
• Bağlantıyı Kesme: Kesmeden önce yükü adım adım boş yük durumuna indirin. İzin verilen hız aralığında çalışmalıdır.

​4 Şebeke Taraflı Dikdörtgenleyici Vektör Kontrolü​
İki faz senkron dönen kare (d-ekseni A faz voltajıyla hizalanmış) içinde, PWM dikdörtgenleyici modeli:
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​

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

​Kontrol mantığı:​​

• Sabit şebeke voltajı → Aktif gücün kontrolü için idi_did​ düzenlenir; reaktif güç için iqi_qiq​ düzenlenir.
• Gerilim kompansasyonlu kontrol denklemleri:
  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 Deneysel Sonuçlar​
​Önemli Doğrulamalar:​​

• Geniş hız aralığında güvenilir yumuşak şebeke bağlantısı;
• Bağımsız güç faktörü düzenleme (stator/şebeke tarafı her ikisi de birliğe ulaşır);
• AC/DC/AC dönüştürücünün iki yönlü güç akışı yeteneği, üretim taleplerini karşılar.

​6 Sonuç​
Bu çalışma, çift DSP tabanlı gerilim kaynağı AC/DC/AC çift besli rüzgar güç sistemini geliştirir. Şebeke tarafı gerilim yönelimli ve rotor tarafı stator akıma yönelimli vektör kontrolü ile birleştirildiğinde, deneyler aşağıdaki sonuçları gösterir:

1. Sistem iki yönlü güç akışı ve bağımsız giriş/çıkış güç faktörü düzenleme yeteneğini kazanır;
2. Düşük harmonikler ve yüksek güç faktörü, güç kalitesini sağlar;
3. Yumuşak şebeke bağlantısı/bağlantısını kesme, mekanik/elektriksel stresi azaltır;
4. Milyon watt sınıfı büyük ölçekli rüzgar güç kurulumlarına uygulanabilir.