Forskning på spenningskonverter for variabel hastighet konstant frekvens vindkraftverk

1 Introduksjon​
Vindkraft er en fornybar energikilde med betydelig utviklingspotensial. I de siste årene har vindkraftteknologi mottatt omfattende oppmerksomhet fra forskere verden over. Som et viktig utviklingsfelt for vindkraft, bruker variabelhastighet-konstantfrekvens (VSCF) teknologi dobbeltfedet vindkraftsystem som en optimal løsning. I dette systemet kobles generatorens statorvindinger direkte til nettet, mens VSCF-styring oppnås ved å regulere frekvens, amplitud, fase og faserekkefølge av rotorvindingenes strømforsyning. Siden konverteren bare transmitterer glippstrøm, kan dens kapasitet reduseres betraktelig.

Nåværende dobbeltfedet vindkraftsystemer bruker hovedsakelig AC/AC eller AC/DC/AC-konvertere. AC/AC-konvertere har blitt i stor grad erstattet av spenningstilbakemeldingsbaserte AC/DC/AC-konvertere på grunn av deres høye harmoniske utslipp, lav inngangseffektivitetsfaktor og overskudd av kraftkomponenter. Selv om matrisekonvertere har blitt undersøkt for dobbeltfedet systemer, begrenser deres komplekse struktur, høye spenningskrav og ikke-dekoplettede inngang/utgangskontroller deres anvendelse i vindkraftapplikasjoner.

Denne studien utvikler et spenningstilbakemeldingsbasert AC/DC/AC-dobbeltfedet vindkraftsystem styrt av to DSP-er. Nettsidekonverteren bruker spenningrettet vektorstyring, og rotorsidekonverteren bruker statorfluksetretted vektorstyring. Eksperimenter bekrefter at systemet støtter toveis effektoverføring, uavhengig inngang/utgangseffektivitetsfaktorregulering, lav harmonisk forvrengning, stabil bredspenningsdrift og høykvalitativ strømproduksjon fra ustabile energikilder som vind.

​2 Systemkonfigurasjon​
Som vist i figur 1, består systemet av fem deler:

• Dobbeltfedet generator (vindingrotor-induksjonsgenerator)
• Spenningstilbakemeldingsbasert AC/DC/AC-toveis PWM-konverter (back-to-back trefaserektifiserer/inverter som bruker IPM-moduler)
• To-DSP-styring (fastkomma-DSP TMS320LF2407A + flytkomma-DSP TMS320VC33)
• Nettkoblingsbeskyttelsesenhet (rotor/statorkontakter)
• Virtuell variabelhastighetsvindturbin (DC-motor + SIEMENS SIVOREG thyristorhastighetsstyringssystem)

​Kjerneinformasjon​

• Konvertertilkobling: Nettside via trefaselindere; rotorside via glippring/pensler til generatorrotorvindingene.
• To-DSP-roller: LF2407A håndterer datautveksling, PWM-generering og nettdata; VC33 utfører kjerneprogrammer; toport-RAM muliggjør sanntid-dataoversending; CPLD behandler adressedekoding.
• Nettbeskyttelse: Ved feil, frakobl statorkontakter og blokker PWM først; vent før du åpner rotorkontakter.

​3 Vektorstyring for dobbeltfedet generator​
​3.1 Kontrollprinsipper​
I synkroniserende roterende ramme (d-aksen alligned med statorflukt), er dobbeltfedet generatormodellen:
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​

​Fluktligninger:​​
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​

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

Ved å se bort fra spenningsfall i statormotstand, tilfredsstiller statorflukten:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd​≈usq​/ωs​,ψsq​≈0

​Kontrollstrategi:​​

• Konstant statorgeneralisert oppladningsstrøm imsi_{ms}ims​ → Elektromagnetisk moment Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• For enhetlig effektivitetsfaktor, er oppladningsstrømmen fullt levert av rotor (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​)
• Efter feedforward-dekoplinger, reguler urdu_{rd}urd​ og urqu_{rq}urq​ for å kontrollere rotorflukt og moment, henholdsvis.

​3.2 Nettstyring​

• Myk nettforbindelse:
1. Når vindhastigheten når innkoplingsverdi, driver turbinen generator til minimumshastighet.
2. Aktiver konverter for å matche statorspenning til nett (amplitude, fase, frekvens).
3. Automatisk synkronisering når nettforbindelsesbetingelsene er oppfylt.
• Frakobling: Gradvis last av til tom last tilstand før frakobling. Må operere innen tillatte hastighetsområdet.

​4 Nett-side rektifieringsvektorstyring​
I tofasen synkroniserende roterende ramme (d-aksen alligned med fase-A spenning), er PWM-rektifieringsmodellen:
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​

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

​Kontrolllogikk:​​

• Konstant nettspenning → Reguler idi_did​ for å kontrollere aktiv effekt; iqi_qiq​ for reaktiv effekt.
• Kontrollligninger med spenningsoverskudd:
  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 Eksperimentelle resultater​
​Kjerneverifikasjoner:​​

• Pålitelig myk nettforbindelse over et bredt hastighetsområde;
• Uavhengig effektivitetsfaktorregulering (stator/nettsiden nådde enhet);
• Toveis effektoverføringsevne av AC/DC/AC-konverter oppfyller produksjonsbehov.

​6 Konklusjon​
Denne studien utvikler et to-DSP-basert spenningstilbakemeldingsbasert AC/DC/AC-dobbeltfedet vindkraftsystem. Kombinert med nett-siden spenningrettet og rotorsiden statorfluksetretted vektorstyring, demonstrerer eksperimenter:

1. Systemet oppnår toveis effektoverføring og uavhengig inngang/utgangseffektivitetsfaktorregulering;
2. Lav harmonisk forvrengning og høy effektivitetsfaktor sikrer strømkvalitet;
3. Myk nettforbindelse/frakobling reduserer mekanisk/elkemisk stress;
4. Anvendbarhet til megawatt-klasse store vindkraftinstallasjoner.