चर गति स्थिर आवृत्ति वायु टर्बाइनका लागि उत्तेजना आवृत्ति कन्भर्टरको अनुसन्धान

१ परिचय​
हवाको ऊर्जा एक नवीनीकरणीय ऊर्जा स्रोत हो जसमा महत्वपूर्ण विकासको संभावना छ। यदि दिनहरुमा, हवाको ऊर्जा प्रविधिलाई विश्वभरका विद्वानहरूले व्यापक रूपमा ध्यान दिएका छन्। हवाको ऊर्जा विकासको एक महत्त्वपूर्ण दिशामा, विक्षेपी गतिमा स्थिर आवृत्तिको (VSCF) प्रविधि डब्ली-फेड वायु ऊर्जा प्रणालीलाई एक अनुकूल समाधानको रूपमा प्रयोग गरिन्छ। यस प्रणालीमा, जनरेटरको स्टेटर वाइन्डिङहरूले ठेगाहरूसँग सीधा जोडिन्छ, र VSCF नियन्त्रण रोटर वाइन्डिङ शक्ति आपूर्तिको आवृत्ति, आयाम, चरण र चरण क्रम नियन्त्रण गर्दै प्राप्त हुन्छ। चूँकि कन्वर्टर फक्त स्लिप शक्ति फर्काउँछ, यसको क्षमता बहुत घटाउन सकिन्छ।

हाल, डब्ली-फेड वायु ऊर्जा प्रणालीहरूमा लामो दिन AC/AC वा AC/DC/AC कन्वर्टरहरू प्रयोग गरिन्छ। AC/AC कन्वर्टरहरूले उच्च आउटपुट हार्मोनिक, निम्न इनपुट शक्ति गुणांक र अतिरिक्त शक्ति उपकरणहरूको कारणले वोल्टेज-स्रोत AC/DC/AC कन्वर्टरहरूद्वारा बदलिएका छन्। यद्यपि डब्ली-फेड प्रणालीका लागि मैट्रिक्स कन्वर्टरहरूको अन्वेषण गरिएको छ, उनीहरूको जटिल संरचना, उच्च वोल्टेज सहन आवश्यकता र इनपुट/आउटपुट नियन्त्रणको अन्योन्य निर्भरताले उनीहरूको वायु ऊर्जा अनुप्रयोगमा प्रयोग लिमिट गर्छ।

यस अध्ययनले दुई DSPs द्वारा नियन्त्रित वोल्टेज-स्रोत AC/DC/AC डब्ली-फेड वायु ऊर्जा प्रणाली विकसित गरेको छ। ग्रिड-पक्षको कन्वर्टरले वोल्टेज-ओरिएन्टेड वेक्टर नियन्त्रण र रोटर-पक्षको कन्वर्टरले स्टेटर-फ्लक्स-ओरिएन्टेड वेक्टर नियन्त्रण प्रयोग गर्दछ। प्रयोगहरूले पुष्टि गर्दछन् कि यस प्रणालीले द्विदिशात्मक शक्ति प्रवाह, स्वतन्त्र इनपुट/आउटपुट शक्ति गुणांक नियन्त्रण, निम्न हार्मोनिक विकृति, स्थिर विस्तृत विस्तारको संचालन र वायु जस्ता अस्थिर ऊर्जा स्रोतबाट उत्कृष्ट शक्ति उत्पादन समर्थन गर्दछ।

​२ प्रणालीको विन्यास​
फिगर १ देखि, यस प्रणालीमा पाँच भागहरू छन्:

• डब्ली-फेड जनरेटर (वाइन्ड-रोटर इनडक्सन जनरेटर)
• वोल्टेज-स्रोत AC/DC/AC द्विदिशात्मक PWM कन्वर्टर (IPM माड्युलहरू प्रयोग गर्दा बैक-टु-बैक तीन-पावर रेक्टिफायर/इन्वर्टर)
• दुई-DSP नियन्त्रक (फिक्स्ड-पॉइन्ट DSP TMS320LF2407A + फ्लोटिङ-पॉइन्ट DSP TMS320VC33)
• ग्रिड-सम्बन्धित सुरक्षा उपकरण (रोटर/स्टेटर कन्टेक्टरहरू)
• अभिकलित विक्षेपी गतिमा वायु टर्बाइन (DC मोटर + SIEMENS SIVOREG थायरिस्टर गति नियन्त्रण प्रणाली)

​महत्त्वपूर्ण विवरण​

• कन्वर्टर संयोजन: ग्रिड-पक्ष तीन-पावर इन्डक्टरहरू द्वारा; रोटर-पक्ष स्लिप रिङ/ब्रशहरू द्वारा जनरेटर रोटर वाइन्डिङहरू।
• दुई-DSP भूमिका: LF2407A डेटा अदलाबदल, PWM उत्पादन र ग्रिड सिग्नलहरू सँग संबद्ध; VC33 मुख्य एल्गोरिथम प्रयोग गर्दछ; दुई-पोर्ट RAM वास्तविक समयमा डेटा साझा गर्न सकिन्छ; CPLD एड्रेस डिकोडिङ गर्दछ।
• ग्रिड सुरक्षा: दोष भएको छलफलमा, स्टेटर कन्टेक्टर र PWM बन्द गर्नुहोस्; रोटर कन्टेक्टर खुल्न समय दिनुहोस्।

​३ डब्ली-फेड जनरेटरको वेक्टर नियन्त्रण​
​३.१ नियन्त्रण सिद्धान्त​
सिन्क्रोनस रोटेटिङ फ्रेममा (d-अक्ष स्टेटर फ्लक्ससँग रेखित), डब्ली-फेड जनरेटरको मॉडेल छ:
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​

​फ्लक्स समीकरणहरू:​​
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​

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

स्टेटर प्रतिरोध वोल्टेज गिरावट नगर्न, स्टेटर फ्लक्स खोज्छ:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd​≈usq​/ωs​,ψsq​≈0

​नियन्त्रण रणनीति:​​

• नियत स्टेटर व्यापक उत्तेजन धारा imsi_{ms}ims​ → विद्युत टोक Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• एकीकृत शक्ति गुणांकको लागि, उत्तेजन धारा रोटर द्वारा पूर्ण आपूर्ति (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​)
• फीडफोर्व्ड डिकप्लिंग कम्पेन्सेशनपछि, urdu_{rd}urd​ र urqu_{rq}urq​ नियन्त्रण गर्दै रोटर फ्लक्स र टोक नियन्त्रण गर्नुहोस्।

​३.२ ग्रिड नियन्त्रण​

• मान्य ग्रिड-सम्बन्ध:
1. जब हवाको गति कट-इन मान पुग्छ, टर्बाइन जनरेटरलाई न्यूनतम गतिमा ले जान्छ।
2. कन्वर्टर सक्रिय गर्नुहोस् र स्टेटर वोल्टेज ग्रिडसँग मिलान गर्नुहोस् (आयाम, चरण, आवृत्ति)।
3. ग्रिड-सम्बन्ध शर्तहरू पूरा भएपछि स्वचालित सिंक्रोनाइजेशन।
• डिस्कनेक्शन: डिस्कनेक्ट गर्नु आगे धीरे-धीरे नो-लोड अवस्थामा ल्याउनुहोस्। अनुमत गति रेंजमा संचालन गर्नुहोस्।

​४ ग्रिड-पक्षीय रेक्टिफायर वेक्टर नियन्त्रण​
दुई-पावर सिन्क्रोनस रोटेटिङ फ्रेममा (d-अक्ष चरण-ए वोल्टेजसँग रेखित), PWM रेक्टिफायरको मॉडेल छ:
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​

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

​नियन्त्रण तर्क:​​

• नियत ग्रिड वोल्टेज → एक्टिव शक्ति नियन्त्रणको लागि idi_did​ नियन्त्रण गर्नुहोस्; रिएक्टिभ शक्ति नियन्त्रणको लागि iqi_qiq​ नियन्त्रण गर्नुहोस्।
• वोल्टेज कम्पेन्सेशन भएको नियन्त्रण समीकरणहरू:
  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​

​५ प्रयोगात्मक नतिजाहरू​
​महत्त्वपूर्ण परीक्षणहरू:​​

• विस्तृत गति रेंजमा विश्वसनीय मान्य ग्रिड-सम्बन्ध;
• स्वतन्त्र शक्ति गुणांक नियन्त्रण (स्टेटर/ग्रिड दुवै पक्षहरूमा एकीकृत);
• AC/DC/AC कन्वर्टरको द्विदिशात्मक शक्ति प्रवाह क्षमता उत्पादन आवश्यकताको समर्थन गर्दछ।

​६ निष्कर्ष​
यस अध्ययनले दुई-DSP आधारित वोल्टेज-स्रोत AC/DC/AC डब्ली-फेड वायु ऊर्जा प्रणाली विकसित गरेको छ। ग्रिड-पक्षीय वोल्टेज-ओरिएन्टेड र रोटर-पक्षीय स्टेटर-फ्लक्स-ओरिएन्टेड वेक्टर नियन्त्रणसँग जोडिएर, प्रयोगहरूले पुष्टि गर्दछ:

1. यस प्रणालीले द्विदिशात्मक शक्ति प्रवाह र स्वतन्त्र इनपुट/आउटपुट शक्ति गुणांक नियन्त्रण प्राप्त गर्छ;
2. निम्न हार्मोनिक र उच्च शक्ति गुणांक शक्ति गुणस्तर निश्चित गर्छ;
3. मान्य ग्रिड-सम्बन्ध/डिस्कनेक्शन यान्त्रिक/विद्युत तनाव घटाउँछ;
4. मेगावाट-श्रेणीको विशाल वायु ऊर्जा स्थापनामा उपयोगी।