Onderzoek naar opwindingfrequentieomzetter voor variabele snelheid constante frequentie windturbines

1 Inleiding​
Windenergie is een hernieuwbare energiebron met aanzienlijk ontwikkelingspotentieel. De laatste jaren heeft windturbine-technologie wereldwijd veel aandacht gekregen van wetenschappers. Als belangrijke richting voor de ontwikkeling van windenergie wordt de variabele-snelheid constante-frequentie (VSCF) technologie toegepast, waarbij het dubbel gevoede windenergiesysteem als een geoptimaliseerde oplossing wordt gebruikt. In dit systeem zijn de statorwindingen van de generator direct verbonden met het net, terwijl VSCF-regeling wordt bereikt door de frequentie, amplitude, fase en fasen volgorde van de rotorwindingvoeding te regelen. Omdat de omvormer alleen slipvermogen overbrengt, kan de capaciteit hiervan aanzienlijk worden verkleind.

Momenteel gebruiken dubbel gevoede windenergiesystemen voornamelijk AC/AC of AC/DC/AC-omvormers. AC/AC-omvormers zijn grotendeels vervangen door spanningsbron AC/DC/AC-omvormers vanwege hun hoge uitgangsharmonischen, lage ingangskrachtfactor en overmatige krachtapparaten. Hoewel matrix-omvormers voor dubbel gevoede systemen zijn onderzocht, beperkt hun complexe structuur, hoge spanningseisen en niet-ontkoppelde ingangs/uitgangscontrole hun toepassing in windenergie-applicaties.

Dit onderzoek ontwikkelt een spanningsbron AC/DC/AC dubbel gevoed windenergiesysteem dat wordt bestuurd door twee DSP's. De netzijde-omvormer maakt gebruik van spanningsgerichte vectorcontrole, en de rotorzijde-omvormer gebruikt stator-fluxgerichte vectorcontrole. Experimenten bevestigen dat het systeem bidirectionele vermogensstroom ondersteunt, onafhankelijke ingangs/uitgangskrachtfactorregeling, lage harmonische vervorming, stabiele breedbandoperatie en hoogwaardige elektriciteitsproductie van instabiele energiebronnen zoals wind.

​2 Systeemconfiguratie​
Zoals weergegeven in Figuur 1, bestaat het systeem uit vijf delen:

• Dubbel gevoede generator (gewikkelde rotor-inductiegenerator)
• Spanningsbron AC/DC/AC bidirectionele PWM-omvormer (back-to-back driefase rectifier/inverter met IPM-modules)
• Dual-DSP-controller (fixed-point DSP TMS320LF2407A + floating-point DSP TMS320VC33)
• Netwerkverbindingbeschermingsapparaat (rotor/stator contactors)
• Virtuele variabele-snelheids windturbine (gelijkstroommotor + SIEMENS SIVOREG thyristor snelheidsregelingssysteem)

​Belangrijke Details​

• Omvormerverbinding: Netzijde via driefase spoelen; rotorzijde via slipringen/borstels naar generatrorotorwindingen.
• Dual-DSP-rollen: LF2407A verzorgt gegevensuitwisseling, PWM-generatie en netsignalen; VC33 voert kernalgoritmen uit; dual-port RAM stelt real-time gegevensdeling in staat; CPLD verwerkt adresdecoding.
• Netbescherming: Bij fouten eerst statorcontactor loskoppelen en PWM blokkeren; daarna vertraging alvorens rotorcontactor te openen.

​3 Vectorcontrole voor dubbel gevoede generator​
​3.1 Controleprincipes​
In het synchrone draaiende frame (d-as uitgelijnd met statorflux), is het model van de dubbel gevoede generator:
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​

​Fluxvergelijkingen:​​
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​

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

Bij het negeren van de statorspanningsval, voldoet de statorflux aan:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd​≈usq​/ωs​,ψsq​≈0

​Controlestrategie:​​

• Constante statoralgemene opwekkingsstroom imsi_{ms}ims​ → Elektromagnetisch koppel Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• Voor een eenheidskrachtfactor wordt de opwekkingsstroom volledig door de rotor geleverd (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​)
• Na feedforward decoupling compensatie, reguleer urdu_{rd}urd​ en urqu_{rq}urq​ om respectievelijk roterende flux en koppel te controleren.

​3.2 Netbeheersing​

• Zachte netwerkverbinding:
1. Wanneer de windsnelheid de inschakelwaarde bereikt, drijft de turbine de generator op tot minimale snelheid.
2. Activeer de omvormer om de statorspanning aan te passen aan het net (amplitude, fase, frequentie).
3. Automatische synchronisatie wanneer de netwerkverbindingvoorwaarden worden voldaan.
• Ontkoppeling: Ga geleidelijk over naar een leegstaande toestand voordat u de verbinding verbreekt. Moet binnen de toegestane snelheidsbereik werken.

​4 Netzijde rechthoekvectorcontrole​
In het tweefase synchrone draaiende frame (d-as uitgelijnd met fase-A-spanning), is het PWM-rechthoekmodel:
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​

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

​Controlelogica:​​

• Constante netspanning → Reguleer idi_did​ om actief vermogen te controleren; iqi_qiq​ voor reactief vermogen.
• Controlevergelijkingen met spanningcompensatie:
  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 Experimentele resultaten​
​Belangrijkste verificaties:​​

• Betrouwbare zachte netwerkverbinding over een breed snelheidsbereik;
• Onafhankelijke krachtfactorregeling (stator/netzijde bereiken beide eenheid);
• Bidirectionele vermogensstroomcapaciteit van de AC/DC/AC-omvormer voldoet aan de productie-eisen.

​6 Conclusie​
Dit onderzoek ontwikkelt een op twee DSP's gebaseerd spanningsbron AC/DC/AC dubbel gevoed windenergiesysteem. Samen met netzijde spanningsgerichte en rotorzijde stator-fluxgerichte vectorcontrole, tonen experimenten aan:

1. Het systeem behaalt bidirectionele vermogensstroom en onafhankelijke ingangs/uitgangskrachtfactorregeling;
2. Lage harmonische vervormingen en hoge krachtfactor zorgen voor kwalitatieve elektriciteit;
3. Zachte netwerkverbinding/ontkoppeling vermindert mechanische/elektrische belasting;
4. Toepasbaar voor megawatt-klasse grote windenergie-installaties.