Penyelidikan pada Penukar Frekuensi Penggerakan untuk Turbin Angin Laju Pemalar Frekuensi Berubah-ubah

1 Pengenalan​
Tenaga angin adalah sumber tenaga boleh diperbaharui dengan potensi pembangunan yang signifikan. Dalam beberapa tahun terakhir, teknologi tenaga angin telah mendapat perhatian luas dari para cendekiawan di seluruh dunia. Sebagai arah utama untuk pembangunan tenaga angin, teknologi kelajuan berubah-ubah frekuensi malar (VSCF) menggunakan sistem tenaga angin bermotor ganda sebagai penyelesaian yang dioptimumkan. Dalam sistem ini, lilitan stator generator terhubung langsung ke grid, sementara kawalan VSCF dicapai dengan mengatur frekuensi, amplitud, fasa, dan urutan fasa bekalan kuasa lilitan rotor. Karena pengubah hanya mentransmisikan kuasa slip, kapasitinya dapat dikurangkan secara signifikan.

Saat ini, sistem tenaga angin bermotor ganda sebagian besar menggunakan pengubah AC/AC atau AC/DC/AC. Pengubah AC/AC telah digantikan oleh pengubah sumber tegangan AC/DC/AC karena harmonik output tinggi, faktor kuasa input rendah, dan peranti kuasa berlebihan. Meskipun pengubah matriks telah dipelajari untuk sistem bermotor ganda, struktur kompleks, tuntutan ketahanan voltan tinggi, dan kawalan input/output yang tidak terpisah membatasi penerapan mereka dalam aplikasi tenaga angin.

Kajian ini mengembangkan sistem tenaga angin bermotor ganda sumber tegangan AC/DC/AC yang dikawal oleh dua DSP. Pengubah sisi grid menggunakan kawalan vektor berorientasi tegangan, dan pengubah sisi rotor menggunakan kawalan vektor berorientasi fluks stator. Eksperimen mengesahkan bahwa sistem ini mendukung aliran kuasa dua hala, regulasi faktor kuasa input/output independen, distorsi harmonik rendah, operasi stabil dalam rentang lebar, dan pembangkitan tenaga berkualitas tinggi dari sumber tenaga tidak stabil seperti angin.

​2 Konfigurasi Sistem​
Seperti ditunjukkan dalam Gambar 1, sistem terdiri dari lima bagian:

• Generator bermotor ganda (generator induksi lilitan rotor)
• Pengubah sumber tegangan AC/DC/AC dua hala PWM (pengubah tiga fasa rectifier/inverter back-to-back menggunakan modul IPM)
• Kontroler dual-DSP (DSP titik tetap TMS320LF2407A + DSP titik apung TMS320VC33)
• Peranti perlindungan sambungan grid (kontaktor rotor/stator)
• Turbin angin variabel kelajuan maya (motor DC + sistem kawalan kelajuan tiristor SIEMENS SIVOREG)

​Detail Utama​

• Sambungan pengubah: Sisi grid melalui induktor tiga fasa; sisi rotor melalui cincin slip/brush ke lilitan rotor generator.
• Peranan dual-DSP: LF2407A menangani pertukaran data, generasi PWM, dan isyarat grid; VC33 menjalankan algoritma inti; RAM dua port memungkinkan perkongsian data real-time; CPLD memproses dekodifikasi alamat.
• Perlindungan grid: Pada saat kesalahan, putuskan kontaktor stator dan blokir PWM terlebih dahulu; tunggu sebentar sebelum membuka kontaktor rotor.

​3 Kawalan Vektor untuk Generator Bermotor Ganda​
​3.1 Prinsip Kawalan​
Dalam kerangka putar sinkron (d-axis sejajar dengan fluks stator), model generator bermotor ganda adalah:
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​

​Persamaan fluks:​​
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​

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

Mengabaikan jatuh tegangan rintangan stator, fluks stator memenuhi:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd​≈usq​/ωs​,ψsq​≈0

​Strategi kawalan:​​

• Arus eksitasi stator umum konstan imsi_{ms}ims​ → Tork elektromagnetik Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• Untuk faktor kuasa satu, arus eksitasi sepenuhnya disuplai oleh rotor (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​)
• Setelah kompensasi decoupling feedforward, atur urdu_{rd}urd​ dan urqu_{rq}urq​ untuk mengawal fluks rotor dan tork, masing-masing.

​3.2 Kawalan Grid​

• Sambungan Grid Lembut:
1. Ketika kelajuan angin mencapai nilai cut-in, turbin menggerakkan generator ke kelajuan minimum.
2. Aktifkan pengubah untuk menyamakan tegangan stator dengan grid (amplitudo, fasa, frekuensi).
3. Sinkronisasi otomatis setelah memenuhi syarat sambungan grid.
• Putuskan: Bongkar secara bertahap ke keadaan beban nol sebelum memutuskan. Harus beroperasi dalam rentang kelajuan yang diperbolehkan.

​4 Kawalan Vektor Rectifier Sisi Grid​
Dalam kerangka putar sinkron dua fasa (d-axis sejajar dengan tegangan fase-A), model rectifier PWM adalah:
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​

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

​Logik kawalan:​​

• Tegangan grid konstan → Regulasi idi_did​ untuk mengawal kuasa aktif; iqi_qiq​ untuk kuasa reaktif.
• Persamaan kawalan dengan kompensasi tegangan:
  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 Hasil Eksperimen​
​Verifikasi Utama:​​

• Sambungan grid lembut yang handal dalam rentang kelajuan yang luas;
• Regulasi faktor kuasa independen (sisi stator/grid kedua-duanya mencapai satu);
• Kemampuan aliran kuasa dua hala pengubah AC/DC/AC memenuhi keperluan pembangkitan.

​6 Kesimpulan​
Kajian ini mengembangkan sistem tenaga angin bermotor ganda sumber tegangan AC/DC/AC berbasis dual-DSP. Dikombinasikan dengan kawalan vektor berorientasi tegangan sisi grid dan kawalan vektor berorientasi fluks stator sisi rotor, eksperimen menunjukkan:

1. Sistem mencapai aliran kuasa dua hala dan regulasi faktor kuasa input/output independen;
2. Harmonik rendah dan faktor kuasa tinggi memastikan kualitas tenaga;
3. Sambungan/disambungan grid lembut mengurangi tekanan mekanikal/elektrikal;
4. Applicability to megawatt-class large-scale wind power installations.