Истражување на фреквенцијски конвертер за возбудување на ветрени агрегати со променлива брзина и постоянна фреквенција

1 Увод​
Енергијата од ветар е обновлива извор на енергија со значајен потенцијал за развој. Во последните години, технологијата за производство на електрична енергија од ветар привлекува внимание на научници по целиот свет. Како клучна насока во развојот на ветрени технологии, технологијата за варијација на брзината и константна фреквенција (VSCF) користи систем со двостран генератор како оптимизирано решение. Во овој систем, статорните намотки на генераторот се поврзуваат директно со мрежата, додека контролата VSCF се постигува со регулација на фреквенцијата, амплитудата, фазата и редоследот на фазите на напонот на роторските намотки. Бидејќи конвертерот пренесува само силиџанска моќ, неговата капацитет може да се значајно намали.

Тренутно, системите со двостран генератор пред сѐ повеќе користат AC/AC или AC/DC/AC конвертери. Конвертерите AC/AC биле заменети со напонски AC/DC/AC конвертери поради нивните високи хармоници, ниски фактори на моќ и преизобилство на уреди за моќ. Иако матричните конвертери биле истражувани за двостраните системи, нивната комплексна структура, високи барања за напонска отпорност и недекуплирана контрола на вход-излез ограничуваат нивната употреба во ветрени примените.

Оваа студија развива систем со двостран генератор со напонски AC/DC/AC управуван со двојно DSP. Конвертерот на страната на мрежата користи векторска контрола ориентирана кон напонот, а конвертерот на страната на роторот користи векторска контрола ориентирана кон флуксот на статорот. Експериментите го потврдуваат дека системот поддржува двосмерен проток на моќ, независна регулација на факторот на моќ на вход-излез, ниска хармоничка деформација, стабилна работа во широк опсег и висококвалитетно производство на електрична енергија од нестабилни извори на енергија како што е ветарот.

​2 Конфигурација на системот​
Како што е прикажано на Слика 1, системот се состои од пет делови:

• Двостран генератор (генератор со намотки на роторот)
• Напонски AC/DC/AC двосмерен PWM конвертер (биполни трифазни правоуголник/инвертор со модули IPM)
• Контролер со двојно DSP (фиксно-точков DSP TMS320LF2407A + пловечко-точков DSP TMS320VC33)
• Уред за заштита при поврзување со мрежата (контактори на ротор/статор)
• Виртуелен ветрен агрегат со варијација на брзината (DC мотор + SIEMENS SIVOREG тиристорски систем за контрола на брзината)

​Клучни детали​

• Поврзување на конвертерот: На страната на мрежата преку трифазни индуктори; на страната на роторот преку јагле/четки до намотките на роторот на генераторот.
• Улоги на двојно DSP: LF2407A ги обработува размената на податоци, генерирањето на PWM и сигналите од мрежата; VC33 извршува главните алгоритми; двојната порта RAM овозможува реално време споделување на податоци; CPLD процесира декодирање на адреси.
• Заштита на мрежата: При грешки, прво се одсечува контактот на статорот и блокира се PWM; со забоздавање се отвара контактот на роторот.

​3 Векторска контрола на двостран генератор​
​3.1 Принципи на контрола​
Во синхронски ротациони рамки (d-оска со флуксот на статорот), моделот на двостран генератор е:
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​

​Једначини за флукс​​
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​

​Једначина за момент​​
Te=−npLmimsirqLs{T_e = -\frac{n_p L_m i_{ms} i_{rq}}{L_s}}Te​=−Ls​np​Lm​ims​irq​​

Небрегувајќи на падот на напонот на отпорот на статорот, флуксот на статорот задоволува:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd​≈usq​/ωs​,ψsq​≈0

​Стратегија на контрола:​​

• Константен генерализиран стимулационен строј imsi_{ms}ims​ → Електромагнетен момент Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• За единичен фактор на моќ, стимулациониот строј е целосно доставен од роторот (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​)
• После компензација на декуплирање со предходна контра, регулирајте urdu_{rd}urd​ и urqu_{rq}urq​ за контрола на флуксот на роторот и моментот, соодветно.

​3.2 Контрола на мрежата​

• Меко поврзување со мрежата:
1. Кога брзината на ветарот достигне вредноста за вклучување, турбината го приведува генераторот до минимална брзина.
2. Активирајте конвертер за подесување на напонот на статорот со мрежата (амплитуда, фаза, фреквенција).
3. Автоматско синхронизирање при исполнување условите за поврзување со мрежата.
• Изключување: Постепено се отчитува до состојба без терзис пред изключување. Мора да се работи во дозволен опсег на брзина.

​4 Векторска контрола на правоуголникот на страната на мрежата​
Во двофазни синхронски ротациони рамки (d-оска со напонот на фаза A), моделот на PWM правоуголникот е:
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​

​Једначини за моќ:​​
P=udid,Q=udiq{P = u_d i_d, \quad Q = u_d i_q}P=ud​id​,Q=ud​iq​

​Логика на контрола:​​

• Константен напон на мрежата → Регулирајте idi_did​ за контрола на активната моќ; iqi_qiq​ за реактивна моќ.
• Једначини за контрола со компензација на напонот:
  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 Експериментални резултати​
​Клучни верификација:​​

• Надежно меко поврзување со мрежата во широк опсег на брзини;
• Независна регулација на факторот на моќ (статорот/мрежата достигнуваат единичен фактор);
• Способноста за двосмерен проток на моќ на AC/DC/AC конвертерот задоволува потребите за производство.

​6 Закључок​
Оваа студија развива систем со двостран генератор со напонски AC/DC/AC управуван со двојно DSP. Комбиниран со векторска контрола ориентирана кон напонот на страната на мрежата и векторска контрола ориентирана кон флуксот на статорот на страната на роторот, експериментите покажуваат:

1. Системот постигнува двосмерен проток на моќ и независна регулација на факторот на моќ на вход-излез;
2. Ниски хармоници и висок фактор на моќ осигуруваат квалитет на електричната енергија;
3. Меко поврзување и изключување со мрежата го намалува механичкиот и електричниот стрес;
4. Применливост на мегаватски клас на големи ветрени инсталации.