Studju dwar il-Konvertitur tal-Frequenza tal-Eċċitazzjoni għal Turbini tal-Ħawwa’ b’Veloċità Variabili u Frequenza Konstanti

1 Introduzzjoni​
L-enerġija tal-ħawd huwa sors ta’ enerġija rinnovabbli b’massar potenzjal ta’ devvlovv. Fl-aħħar snin, it-teknoloġija tal-enerġija tal-ħawd għadha attirat l-attenzjoni ta’ skolari minn dawl il-mondo. Bil-modu ta’ direzzjoni ħalisa għall-devvlovv tal-enerġija tal-ħawd, it-teknika tal-vwelocita' varjabili u tfreqwenza kostanti (VSCF) tuża l-sistema tal-enerġija tal-ħawd bidirezzjonali kif soluzzjoni ottimizzata. F’dan is-sistema, il-kavijiet statūri tal-ġenaratūr jiċċollegaw direttament mal-graż, waqt li l-kontroll VSCF jittieħed billi tikkontrollja l-freqwenza, l-amplitudni, l-fażi, u l-sekwenz tal-fażi tal-forzi tal-kavijiet rotor. Minħabba li l-konvertitur passa biss il-potenza tal-slipp, kapasitajsa tista’ timnaqqas b’sodisfaċent.

L-istgħar, is-sistemi tal-enerġija tal-ħawd bidirezzjonali jagħmlu użu preżentament ta’ konvertitur AC/AC jew AC/DC/AC. Il-konvertitur AC/AC inhum ewwel ssostitwitu mill-konvertitur AC/DC/AC tal-volt tal-margine minħabba l-harmoniki mhux desirabbli, l-fattur tal-potenza input bass, u l-għatba eċċessiva ta’ dispożitivi tal-potenza. Anki jekk ikkonfrontaw il-konvertitur matricji għall-sistemi bidirezzjonali, struttura komplessa, l-esigjenzi tal-talb tas-silġ magħluq, u l-kontroll input/output mhux dekoppjat limitaw l-adozzjoni tagħhom f’applikazzjonijiet tal-enerġija tal-ħawd.

Din l-istudju jilġu nuwwsija tal-sistema tal-enerġija tal-ħawd bidirezzjonali tal-volt tal-margine kontrollata minn dual DSP. Il-konvertitur tal-lanġas tal-graż jadoper il-kontroll vettorial orjentat fil-volt, u l-konvertitur tal-kavijiet rotor jadoper il-kontroll vettorial orjentat fis-silġ statūri. L-esperjmenti jikkonfermu li s-sistema tisosteni flus bidirezzjonali tal-potenza, regolazzjoni indipendenti tal-fattur tal-potenza input/output, distorzjoni ta’ armoniki bass, operazzjoni stabili fuq ammugħar, u ġenerazzjoni ta’ potenza ta’ alta kwalità mis-sorsi ta’ enerġija instabili kif l-ħawd.

​2 Konfigurazzjoni tas-Sistema​
Kif turi fil-Figura 1, is-sistema tkun murra mill-blokk tat-tmiem:

• Ġenaratūr bidirezzjonali (ġenaratūr induzzjoni b’rotor imċan)
• Konvertitur AC/DC/AC bidirezzjonali tal-volt tal-margine (konvertitur rettifika/invertit tri-fażi back-to-back bl-użu ta’ moduli IPM)
• Kontroller dual-DSP (DSP TMS320LF2407A ta’ punt fiss, + DSP TMS320VC33 ta’ punt floating)
• Dispożitiv tal-protezzjoni tal-konnessjoni tal-graż (kontaktori tal-rotor/statūri)
• Turbina tal-ħawd virtuali tal-vwelocita' varjabili (motor DC + sistema tal-kontroll tal-vwelocita' tal-talb SIEMENS SIVOREG)

​Dettagli Kukkan​

• Konnessjoni tal-konvertitur: lanġas tal-graż permezz ta’ indutturi tri-fażi; rotor permezz ta’ slip rings/brushes għall-kavijiet rotor tal-ġenaratūr.
• Roli tal-dual-DSP: LF2407A jagħmel interscambju tad-data, ġenerazzjoni PWM, u segnali tal-graż; VC33 iġġibu l-algoritmi tal-karni; RAM bi-porta duali tiġi uża għall-interscambju tad-data fit-tim reali; CPLD jagħmel elaborazzjoni tal-dekodifikazzjoni tal-indirizz.
• Protezzjoni tal-graż: meta jkun hemm erġa, iddisċonnettja l-kontaktur statūri u blokkja PWM wara qasam; jiddejjega qabel ma tiddisċonnettja l-kontaktur rotor.

​3 Kontroll Vettorial tal-Ġenaratūr Bidirezzjonali​
​3.1 Prinċipji tal-Kontroll​
Fl-ark tal-rotazzjoni sinkrona (asse d alliniat mal-fluss statūri), il-model tal-ġenaratūr bidirezzjonali hu:
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​

​Ekwazzjonijiet tal-fluss:​​
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​

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

Neglettan l-voltàġġ tal-resistenza statūri, il-fluss statūri jisoddisfa:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd​≈usq​/ωs​,ψsq​≈0

​Strategija tal-kontroll:​​

• Corrent generalizzat tal-ekscitazzjoni statūri costanti imsi_{ms}ims​ → Mument elektromagnetiku Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• Għal fattur tal-potenza unita, il-korrent tal-ekscitazzjuni jkun somministrat bil-komplet mill-rotor (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​)
• Dopo la compensazione del decoupling feedforward, regolare urdu_{rd}urd​ e urqu_{rq}urq​ per controllare rispettivamente il flusso del rotore e il momento.

​3.2 Kontroll tal-Graż​

• Konnessjoni Soft tal-Graż:
1. Meta l-vwelocita' tal-ħawd tiġi raggiunta, it-turbina tgħaddi l-ġenaratūr għal vwelocita' minimu.
2. Aktiva l-konvertitur biex tmassara l-voltàġġ statūri mal-graż (ampjezza, faz, freqwenza).
3. Sinkronizazzjoni awtomatika meta jsiru l-kundizzjonijiet tal-konnessjoni tal-graż.
• Disconnessione: Gradwalment jiskarika sa l-istat tan-nuqqas ta’ karigatura qabel ma jiddisċonnettja. Huwa meħtieġ li jopera fid-daqqa permessa tal-vwelocita'.

​4 Kontroll Vettorial tal-Rettifika tal-Lanġas tal-Graż​
Fl-ark tal-rotazzjoni sinkrona b’dua fazi (asse d alliniat mal-voltàġġ tal-faza A), il-model tal-rettifika PWM hu:
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​

​Ekwazzjonijiet tal-potenza:​​
P=udid,Q=udiq{P = u_d i_d, \quad Q = u_d i_q}P=ud​id​,Q=ud​iq​

​Logika tal-kontroll:​​

• Voltàġġ konstant tal-graż → Regola idi_did​ biex tikkontrollja l-potenza attiva; iqi_qiq​ għal potenza reattiva.
• Ekwazzjonijiet tal-kontroll b’kompenzazzjoni tal-voltàġġ:
  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 Risultati Eksperimentali​
​Verifikazzjonijiet Kukkan:​​

• Konnessjoni soft tal-graż affidabbli fuq ammugħar tal-vwelocita';
• Regolazzjoni indipendenti tal-fattur tal-potenza (l-anġas tal-graż u l-statūri jirraggiungu l-unita');
• Capacità di flusso di potenza bidirezionale del convertitore AC/DC/AC che soddisfa le esigenze di generazione.

​6 Konkluzzjoni​
Dan l-istudju jilġu nuwwsija tal-sistema tal-enerġija tal-ħawd bidirezzjonali tal-volt tal-margine bsieġet dual-DSP. Inkontribużjoni mal-kontroll vettorial orjentat fil-volt tal-lanġas tal-graż u l-kontroll vettorial orjentat fis-silġ statūri, l-esperjmenti jidmostraw:

1. Is-sistema jirraggiungi flusso bidirezionale di potenza e regolazione indipendente del fattore di potenza in ingresso/uscita;
2. Armonici bassi e fattore di potenza elevato garantiscono la qualità dell'energia;
3. La connessione/disconnessione morbida riduce lo stress meccanico/elettrico;
4. Applicabilità a installazioni eoliche su larga scala di classe megawatt.