د ورته سرعت او مستقیم کورنۍ د ګلې د پړتیا فریکوونسی کانورټر په اړه تحقیق

1 مقدمه​
انرژی باد یک منبع انرژی تجدیدپذیر با پتانسیل توسعه قابل توجه است. در سال‌های اخیر، فناوری برق بادی توجه گسترده‌ای را از دانشمندان سراسر جهان به خود جلب کرده است. به عنوان یک جهت کلیدی برای توسعه برق بادی، فناوری ثابت فرکانس متغیر سرعت (VSCF) از سیستم برق بادی دو تغذیه شونده به عنوان یک راه حل بهینه استفاده می‌کند. در این سیستم، پیچ‌های استاتور ژنراتور مستقیماً به شبکه متصل می‌شوند، در حالی که کنترل VSCF با تنظیم فرکانس، دامنه، فاز و توالی فاز تغذیه پیچ‌های روتوری صورت می‌گیرد. چون کنورتر فقط توان لغزش را منتقل می‌کند، ظرفیت آن می‌تواند به طور قابل توجهی کاهش یابد.

در حال حاضر، سیستم‌های برق بادی دو تغذیه شونده عمدتاً از کنورترهای AC/AC یا AC/DC/AC استفاده می‌کنند. کنورترهای AC/AC به دلیل هارمونیک‌های خروجی بالا، ضریب توان ورودی پایین و تعداد زیاد قطعات الکترونیکی توسط کنورترهای AC/DC/AC با منبع ولتاژ جایگزین شده‌اند. اگرچه کنورترهای ماتریسی برای سیستم‌های دو تغذیه شونده مورد بررسی قرار گرفته‌اند، اما ساختار پیچیده، نیاز به تحمل ولتاژ بالا و کنترل ورودی/خروجی غیرهمبسته محدودیت‌هایی برای استفاده آنها در کاربردهای برق بادی ایجاد می‌کند.

این مطالعه یک سیستم برق بادی دو تغذیه شونده با منبع ولتاژ AC/DC/AC کنترل شده توسط دو DSP توسعه داده است. کنورتر جانب شبکه از کنترل برداری متمایز ولتاژ و کنورتر جانب روتور از کنترل برداری متمایز شار استاتوری استفاده می‌کند. آزمایش‌ها تأیید می‌کنند که سیستم حمایت از جریان توان دوطرفه، تنظیم مستقل ضریب توان ورودی/خروجی، کم‌ترین تحریف هارمونیک، عملکرد پایدار در محدوده گسترده و تولید برق با کیفیت بالا از منابع انرژی ناپایدار مانند باد را فراهم می‌کند.

​2 پیکربندی سیستم​
همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است، سیستم شامل پنج بخش است:

• ژنراتور دو تغذیه شونده (ژنراتور القایی با روتور پیچ‌دار)
• کنورتر AC/DC/AC دوطرفه PWM با منبع ولتاژ (کنورتر/انورتر سه‌فاز پشت سر هم با ماژول‌های IPM)
• کنترل‌کننده دو DSP (DSP نقطه ثابت TMS320LF2407A + DSP نقطه شناور TMS320VC33)
• دستگاه محافظی برای اتصال به شبکه (کنتکتورهای روتور/استاتور)
• توربین بادی مجازی با سرعت متغیر (موتور DC + سیستم کنترل سرعت thyristor SIEMENS SIVOREG)

​جزئیات کلیدی​

• اتصال کنورتر: جانب شبکه از طریق سه‌فاز سلف؛ جانب روتور از طریق حلقه‌های لغزش/فرش به پیچ‌های روتور ژنراتور.
• نقش‌های دو DSP: LF2407A مسئول تبادل داده، تولید PWM و سیگنال‌های شبکه؛ VC33 اجرای الگوریتم‌های اصلی؛ RAM دوپورتی امکان به اشتراک گذاشتن داده‌های زنده؛ CPLD پردازش رمزگشایی آدرس.
• محافظت شبکه: در صورت بروز خطایی، ابتدا کنتکتور استاتور قطع و PWM بلاک شده؛ بعد از تأخیر، کنتکتور روتور باز می‌شود.

​3 کنترل برداری برای ژنراتور دو تغذیه شونده​
​3.1 اصول کنترل​
در چارچوب دورانی همزمان (محور d با شار استاتور همسو)، مدل ژنراتور دو تغذیه شونده به صورت زیر است:
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​

​معادلات شار:​​
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​

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

با نادیده گرفتن افت ولتاژ مقاومت استاتور، شار استاتور برآورده می‌شود:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd​≈usq​/ωs​,ψsq​≈0

​استراتژی کنترل:​​

• ثابت نگه داشتن جریان تحریک عمومی استاتور imsi_{ms}ims​ → گشتاور الکترومغناطیسی Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• برای ضریب توان واحد، جریان تحریک کاملاً توسط روتور تأمین می‌شود (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​)
• بعد از جبران کوپلینگ فیدفوروارد، تنظیم urdu_{rd}urd​ و urqu_{rq}urq​ برای کنترل شار و گشتاور روتور، به ترتیب.

​3.2 کنترل شبکه​

• اتصال نرم به شبکه:
1. وقتی سرعت باد به مقدار برش رسید، توربین ژنراتور را به سرعت حداقل می‌راند.
2. فعال کردن کنورتر برای تطبیق ولتاژ استاتور با شبکه (دامنه، فاز، فرکانس).
3. هماهنگ‌سازی خودکار در صورت تحقق شرایط اتصال به شبکه.
• قطع اتصال: به تدریج بار را تا حالت بدون بار کاهش داده و سپس قطع می‌کند. باید در محدوده سرعت مجاز عمل کند.

​4 کنترل برداری کنورتر جانب شبکه​
در چارچوب دو فاز دورانی همزمان (محور d با ولتاژ فاز A همسو)، مدل کنورتر PWM به صورت زیر است:
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​

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

​منطق کنترل:​​

• ثابت نگه داشتن ولتاژ شبکه → تنظیم idi_did​ برای کنترل توان فعال؛ iqi_qiq​ برای توان واکنشی.
• معادلات کنترل با جبران ولتاژ:
  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 نتایج آزمایشی​
​تأییدی‌های کلیدی:​​

• اتصال نرم مطمئن در محدوده سرعت گسترده؛
• تنظیم مستقل ضریب توان (جانب استاتور/شبکه هر دو به واحد می‌رسند)؛
• قابلیت جریان توان دوطرفه کنورتر AC/DC/AC نیازهای تولید را برآورده می‌کند.

​6 نتیجه‌گیری​
این مطالعه یک سیستم برق بادی دو تغذیه شونده با منبع ولتاژ AC/DC/AC مبتنی بر دو DSP توسعه داده است. با ترکیب کنترل برداری متمایز ولتاژ جانب شبکه و متمایز شار استاتور جانب روتور، آزمایش‌ها نشان می‌دهند:

1. سیستم جریان توان دوطرفه و تنظیم مستقل ضریب توان ورودی/خروجی را به دست می‌آورد؛
2. هارمونیک کم و ضریب توان بالا تضمین کیفیت توان را فراهم می‌کند؛
3. اتصال نرم/قطع اتصال کاهش تنش مکانیکی/الکتریکی را ایجاد می‌کند؛
4. قابلیت کاربرد در نصب‌های بزرگ مقیاس مگاواتی برق بادی.