Mainīgā ātruma konstantās frekvences vēja turbīnu uzglabātāju frekvenču pārveidotāja pētījums

1 Ievads​
Vēja enerģija ir atjaunojama enerģijas avots ar lielu attīstības potenciālu. Pēdējos gados vēja enerģijas tehnoloģijas ir ieguvušas plašu uzmanību no zinātniekiem visā pasaulē. Kā galvenais vēja enerģijas attīstības virziens, mainīgā ātruma un nemainīgā frekvences (VSCF) tehnoloģija izmanto divkārtēji apgāzamo vēja sistēmu kā optimizētu risinājumu. Šajā sistēmā dzinēja statora spēļu vada tieši tīklam, savukārt VSCF kontrole tiek sasniegta, regulējot rotora spēļu pieteikuma frekvenci, amplitūdu, fāzi un fāzes secību. Tā kā pretvēlde tikai nodod slīpni, tās jauda var būt būtiski samazināta.

Pašlaik divkārtēji apgāzamās vēja sistēmas galvenokārt izmanto AC/AC vai AC/DC/AC pretvēldes. AC/AC pretvēldes ir būtiski aizvietotas ar sprieguma avota AC/DC/AC pretvēldēm tāpēc, ka tās rada augstu izvades harmoniskos, zemu ieplūsto jaudas faktoru un nepieciešamas pārāk daudzas jaudas ierīces. Lai gan matricu pretvēldes ir izpētītas divkārtēji apgāzamajām sistēmām, to sarežģītā struktūra, augstā sprieguma noturība un nesadalīts ieejas/izejas kontroles process ierobežo to izmantošanu vēja enerģijas aplikācijās.

Šajā pētījumā izstrādāta sprieguma avota AC/DC/AC divkārtēji apgāzama vēja sistēma, ko kontrolē divi DSP. Tīkla puses pretvēlde izmanto sprieguma orientēto vektoru kontrolēšanu, savukārt rotora puses pretvēlde izmanto statora flūksa orientēto vektoru kontrolēšanu. Eksperimenti apliecina, ka sistēma atbalsta divvirziena jaudas plūsmu, neatkarīgu ieejas/izejas jaudas faktora regulēšanu, zemus harmonisko deformāciju līmeni, stabila platā diapazona darbību un augstas kvalitātes enerģijas ražošanu no nestabilām enerģijas avotiem, piemēram, vēja.

​2 Sistēmas konfigurācija​
Kā parādīts 1. diagrammā, sistēma sastāv no pieciem daļēm:

• Divkārtēji apgāzams dīzeņģenerators (spēļu apgāzama indukcijas dīzeņģenerators)
• Sprieguma avota AC/DC/AC divvirziena PWM pretvēlde (atpakaļējā trīsfāzes rektifieris/inverteris, izmantojot IPM moduļus)
• Dubult-DSP kontrolieris (fiksētā komata DSP TMS320LF2407A + plūstošā komata DSP TMS320VC33)
• Tīkla savienojuma aizsardzības ierīce (rotors/stators kontaktori)
• Virtuāls mainīgā ātruma vēja turbīns (Gāzes dīzeņģenerators + SIEMENS SIVOREG tiristoru ātruma kontrolēšanas sistēma)

​Galvenie detaļas​

• Pretvēlde savienojums: Tīkla puse caur trīsfāzes induktoriem; rotora puse caur slīpdarbības kolāniem/spalvām ar dīzeņģenerātora rotora spēļu.
• Dubult-DSP lomas: LF2407A apstrādā datu maiņu, PWM ģenerēšanu un tīkla signālus; VC33 izpilda pamatalgoritmus; dubultportu RAM ļauj reāllaiku datu kopīgošanu; CPLD apstrādā adresu dekodēšanu.
• Tīkla aizsardzība: Pie kļūdām atvieno statora kontaktoru un bloķē PWM pirmo; pagaida pirms atver rotora kontaktoru.

​3 Divkārtēji apgāzama dīzeņģenerātora vektoru kontrolēšana​
​3.1 Kontroles principi​
Sinhronā griešanās koordinātu sistēmā (d-ass savienota ar statora flūksu), divkārtēji apgāzama dīzeņģenerātora modelis ir:
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​

​Flūksa vienādojumi:​​
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​

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

Neliekot vērā statora rezistances sprieguma pazemināšanos, statora flūksa apmērs ir:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd​≈usq​/ωs​,ψsq​≈0

​Kontroles stratēģija:​​

• Statora vispārīgās uzliesmošanas strāvas imsi_{ms}ims​ konstanta → Elektromagnētiskais moments Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• Lai panāktu vienības jaudas faktoru, uzliesmošanas strāva pilnībā tiek nodrošināta no rotora (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​)
• Pēc priekšuzvedības decoupling kompensācijas, regulējot urdu_{rd}urd​ un urqu_{rq}urq​, lai kontrolētu rotora flūksu un momentu, attiecīgi.

​3.2 Tīkla kontrole​

• Mīkstais tīkla savienojums:
1. Kad vēja ātrums sasniedz iekļaušanas vērtību, turbīna pārvadā dīzeņģenerātoru līdz minimālajam ātrumam.
2. Ieslēdz pretvēlde, lai pielāgotu statora spriegumu tīklam (amplitūda, fāze, frekvence).
3. Automātiska sinhronizācija, kad tiek sasniegti tīkla savienojuma nosacījumi.
• Atvienošana: Pārejot uz bezslodzes stāvokli pirms atvienošanas. Jādarbojas atļautā ātruma diapazonā.

​4 Tīkla puses rektifiera vektoru kontrolēšana​
Divfāzes sinhronā griešanās koordinātu sistēmā (d-ass savienota ar A-fāzes spriegumu), PWM rektifiera modelis ir:
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​

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

​Kontroles loģika:​​

• Konstants tīkla spriegums → Regulē idi_did​, lai kontrolētu aktīvo jaudu; iqi_qiq​, lai kontrolētu reaktivo jaudu.
• Kontroles vienādojumi ar sprieguma kompensāciju:
  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 Eksperimentālie rezultāti​
​Galvenie pārbaudes punkti:​​

• Uzticīgs mīksts tīkla savienojums plašā ātruma diapazonā;
• Neatkarīga jaudas faktora regulēšana (statora/tīkla puses abas sasniedz vienības);
• Divvirziena jaudas plūsmas spēja AC/DC/AC pretvēldei atbilst ražošanas prasībām.

​6 Secinājumi​
Šajā pētījumā izstrādāta dubult-DSP balstīta sprieguma avota AC/DC/AC divkārtēji apgāzama vēja sistēma. Kombinējot tīkla puses sprieguma orientēto un rotora puses statora flūksa orientēto vektoru kontrolēšanu, eksperimenti demonstrē:

1. Sistēma sasniedz divvirziena jaudas plūsmu un neatkarīgu ieejas/izejas jaudas faktora regulēšanu;
2. Zemi harmoniskos un augstu jaudas faktoru nodrošina enerģijas kvalitāti;
3. Mīksts tīkla savienojums/atvienošana samazina mehānisko/elektroenerģijas spriedzi;
4. Pielāgojamība megavattu klases lielām vēja enerģijas instalācijām.