Badania nad konwerterem częstotliwości pobudzania dla turbin wiatrowych o zmiennej prędkości i stałe częstotliwości

1 Wprowadzenie​
Energia wiatrowa jest odnawialnym źródłem energii o znacznym potencjale rozwoju. W ostatnich latach technologia wiatrowa zyskała szerokie zainteresowanie naukowców na całym świecie. Jako kluczowy kierunek rozwoju energetyki wiatrowej, technologia zmiennoprądowa o stałej częstotliwości (VSCF) wykorzystuje system wiatrowy z podwójnie zasilanym generatorem jako optymalne rozwiązanie. W tym systemie, cewki statora generatora są bezpośrednio połączone z siecią, a kontrola VSCF jest realizowana poprzez regulację częstotliwości, amplitudy, fazy i sekwencji fazy zasilania cewek wirnika. Ponieważ przetwornik transmittuje tylko moc ślizgową, jego pojemność może być znacznie zmniejszona.

Obecnie systemy wiatrowe z podwójnie zasilanym generatorem głównie wykorzystują przetworniki AC/AC lub AC/DC/AC. Przetworniki AC/AC zostały w dużej mierze zastąpione przez przetworniki AC/DC/AC z napięciowym źródłem z powodu wysokich harmonicznych na wyjściu, niskiego współczynnika mocy wejściowego i zbyt dużej liczby urządzeń mocy. Mimo że przetworniki macierzowe były badane dla systemów z podwójnie zasilanym generatorem, ich skomplikowana struktura, wysokie wymagania dotyczące wytrzymałości na napięcie i nieodseparowane sterowanie wejście/wyjście ograniczają ich stosowanie w aplikacjach wiatrowych.

Ten artykuł opisuje rozwój systemu wiatrowego z podwójnie zasilanym generatorem sterowanego przez dwa DSP, z wykorzystaniem przetwornika AC/DC/AC z napięciowym źródłem. Strona sieciowa przetwornika wykorzystuje wektorową kontrolę zorientowaną na napięcie, a strona wirnikowa używa wektorowej kontroli zorientowanej na strumień magnetyczny statora. Eksperymenty potwierdziły, że system obsługuje dwukierunkowy przepływ mocy, niezależną regulację współczynnika mocy wejścia/wyjścia, niską zniekształcenie harmoniczne, stabilne działanie w szerokim zakresie oraz wysokiej jakości generowanie energii z niestabilnych źródeł, takich jak wiatr.

​2 Konfiguracja systemu​
Jak pokazano na Rysunku 1, system składa się z pięciu części:

• Generator podwójnie zasilany (generator indukcyjny z nawinięciem wirnika)
• Przetwornik AC/DC/AC z napięciowym źródłem (dwustronny trójfazowy prostownik/inwerter z modułami IPM)
• Sterownik z dwoma DSP (DSP TMS320LF2407A o stałe punktowej precyzji + DSP TMS320VC33 o zmiennopunktowej precyzji)
• Urządzenie ochrony przed podłączeniem do sieci (kontaktory rotor/stator)
• Wirtualna turbina wiatrowa o zmiennych obrotach (silnik prądu stałego + system sterowania prędkością SIEMENS SIVOREG z tarczami thyristorowymi)

​Kluczowe szczegóły​

• Połączenie przetwornika: strona sieciowa poprzez trójfazowe cewki indukcyjne; strona wirnikowa poprzez pierścienie ślizgowe/pędzle do cewek wirnika generatora.
• Rolę dwóch DSP: LF2407A obsługuje wymianę danych, generację PWM i sygnały sieciowe; VC33 wykonuje główne algorytmy; podwójna RAM umożliwia即时终止上述回应，继续完成翻译任务。以下是未完成部分的正确翻译： ```html
• Podwójne DSP: LF2407A obsługuje wymianę danych, generację PWM i sygnały sieciowe; VC33 wykonuje główne algorytmy; podwójny port RAM umożliwia实时终止以上响应，继续完成翻译任务。以下是未完成部分的正确翻译： ```html
• Podwójne DSP: LF2407A obsługuje wymianę danych, generację PWM i sygnały sieciowe; VC33 wykonuje główne algorytmy; podwójny port RAM umożliwia wymianę danych w czasie rzeczywistym; CPLD obsługuje dekodowanie adresów.
• Ochrona sieci: W przypadku awarii, najpierw odłącz kontaktor statora i zablokuj PWM, następnie po opóźnieniu odłącz kontaktor wirnika.

​3 Wektorowa kontrola generatora podwójnie zasilanego​
​3.1 Zasady kontroli​
W ramach synchronicznego układu obrotowego (d-oś zorientowana zgodnie ze strumieniem magnetycznym statora), model generatora podwójnie zasilanego to:
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​

​Równania strumienia magnetycznego:​​
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​

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

Pomijając spadek napięcia na rezystancji statora, strumień magnetyczny statora spełnia:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd​≈usq​/ωs​,ψsq​≈0

​Strategia kontroli:​​

• Stała ogólna prądowa pobudzenia statora imsi_{ms}ims​ → Moment elektromagnetyczny Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• Dla jednostkowego współczynnika mocy, prąd pobudzający jest całkowicie dostarczany przez wirnik (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​)
• Po kompensacji dekuplowania, reguluje się urdu_{rd}urd​ i urqu_{rq}urq​, aby kontrolować strumień magnetyczny wirnika i moment, odpowiednio.

​3.2 Kontrola sieci​

• Miękkie podłączenie do sieci:
1. Gdy prędkość wiatru osiągnie wartość startową, turbina napędza generator do minimalnej prędkości.
2. Aktywuje się przetwornik, aby dopasować napięcie statora do sieci (amplituda, faza, częstotliwość).
3. Automatyczna synchronizacja po spełnieniu warunków podłączenia do sieci.
• Odłączenie: Stopniowe odciążenie do stanu bez obciążenia przed odłączeniem. Operacja musi odbywać się w dopuszczalnym zakresie prędkości.

​4 Wektorowa kontrola prostownika strony sieciowej​
W ramach dwufazowego synchronicznego układu obrotowego (d-oś zorientowana zgodnie z napięciem fazy A), model prostownika PWM to:
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​

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

​Logika kontroli:​​

• Stałe napięcie sieci → Regulacja idi_did​ do sterowania aktywną mocą; iqi_qiq​ do sterowania reaktywną mocą.
• Równania kontrolne z kompensacją napięcia:
  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 Wyniki eksperymentalne​
​Kluczowe weryfikacje:​​

• Niezawodne miękkie podłączenie do sieci w szerokim zakresie prędkości;
• Niezależna regulacja współczynnika mocy (strona statora i sieć osiągają jednostkowy współczynnik mocy);
• Możliwość dwukierunkowego przepływu mocy przetwornika AC/DC/AC spełnia wymagania generacji.

​6 Podsumowanie​
Ten artykuł przedstawia rozwój systemu wiatrowego z podwójnie zasilanym generatorem opartego na podwójnym DSP. Połączenie z wektorową kontrolą zorientowaną na napięcie strony sieciowej i wektorową kontrolą zorientowaną na strumień magnetyczny statora strony wirnikowej, eksperymenty wykazały:

1. System osiąga dwukierunkowy przepływ mocy i niezależną regulację współczynnika mocy wejścia/wyjścia;
2. Niskie harmoniczne i wysoki współczynnik mocy zapewniają jakość energii;
3. Miękkie podłączenie i odłączenie od sieci redukuje obciążenie mechaniczne i elektryczne;
4. Zastosowanie do instalacji wiatrowych o mocy megawatowej.