Исследование преобразователя возбуждения для ветроэнергетических установок с переменной скоростью и постоянной частотой

1 Введение​
Ветровая энергия является возобновляемым источником энергии с значительным потенциалом развития. В последние годы ветроэнергетические технологии привлекли большое внимание ученых по всему миру. В качестве ключевого направления развития ветроэнергетики используется технология переменной скорости и постоянной частоты (VSCF), которая применяет двойную подачу в качестве оптимизированного решения. В этой системе обмотки статора генератора подключены напрямую к сети, а управление VSCF осуществляется путем регулирования частоты, амплитуды, фазы и последовательности фаз питания обмоток ротора. Поскольку преобразователь передает только скользящую мощность, его мощность может быть значительно снижена.

В настоящее время двойные ветроэнергетические системы в основном используют AC/AC или AC/DC/AC преобразователи. Преобразователи AC/AC были в основном заменены преобразователями AC/DC/AC с напряжением источника из-за высоких гармоник на выходе, низкого коэффициента мощности на входе и избыточного количества силовых устройств. Хотя матричные преобразователи также рассматривались для двойных систем, их сложная структура, высокие требования к выдерживанию напряжения и несвязанный вход/выход ограничивают их применение в ветроэнергетических установках.

В этом исследовании разработана система двойной подачи ветроэнергетического генератора с напряжением источника AC/DC/AC, управляемая двумя DSP. Сетевой преобразователь использует векторное управление, ориентированное на напряжение, а преобразователь ротора использует векторное управление, ориентированное на поток статора. Эксперименты подтверждают, что система поддерживает двухсторонний поток мощности, независимое регулирование коэффициента мощности на входе и выходе, низкую гармоническую искаженность, стабильную работу в широком диапазоне и высококачественную генерацию электроэнергии из нестабильных источников, таких как ветер.

​2 Конфигурация системы​
Как показано на рисунке 1, система состоит из пяти частей:

• Двойной генератор (генератор с обмоткой ротора)
• Преобразователь напряжения AC/DC/AC с двусторонним PWM (трехфазный выпрямитель/инвертор с модулями IPM)
• Двухпроцессорный контроллер (фиксированно-точечный DSP TMS320LF2407A + с плавающей запятой DSP TMS320VC33)
• Устройство защиты при подключении к сети (контакторы ротора/статора)
• Виртуальная ветроэнергетическая турбина с переменной скоростью (DC двигатель + система управления скоростью SIEMENS SIVOREG на тиристорах)

​Ключевые детали​

• Соединение преобразователя: сетевая сторона через трехфазные индуктивности; роторная сторона через контактные кольца/щетки к обмоткам ротора генератора.
• Роли двухпроцессорного контроллера: LF2407A обрабатывает обмен данными, генерацию PWM и сетевые сигналы; VC33 выполняет основные алгоритмы; двухпортовая RAM обеспечивает реальное время обмена данными; CPLD обрабатывает декодирование адресов.
• Защита сети: при сбоях сначала отключается контактный выключатель статора и блокируется PWM; затем с задержкой открывается контактный выключатель ротора.

​3 Векторное управление двойным генератором​
​3.1 Принципы управления​
В синхронной вращающейся системе координат (ось d совпадает с потоком статора) модель двойного генератора имеет вид:
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​

​Уравнения потока:​​
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​

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

Пренебрегая падением напряжения на сопротивлении статора, поток статора удовлетворяет:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd​≈usq​/ωs​,ψsq​≈0

​Стратегия управления:​​

• Постоянный обобщенный ток возбуждения статора imsi_{ms}ims​ → Электромагнитный момент Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• Для единичного коэффициента мощности, ток возбуждения полностью подается через ротор (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​)
• После компенсации декуплинга по прямому каналу, регулируют urdu_{rd}urd​ и urqu_{rq}urq​ для управления потоком ротора и моментом соответственно.

​3.2 Управление сетью​

• Мягкое подключение к сети:
1. Когда скорость ветра достигает порогового значения, турбина приводит генератор до минимальной скорости.
2. Активируется преобразователь для согласования напряжения статора с сетью (амплитуда, фаза, частота).
3. Автоматическая синхронизация при выполнении условий подключения к сети.
• Отключение: Постепенно разгружают до состояния без нагрузки перед отключением. Должны работать в допустимом диапазоне скоростей.

​4 Векторное управление сетевым выпрямителем​
В двухфазной синхронной вращающейся системе координат (ось d совпадает с напряжением фазы A) модель PWM выпрямителя имеет вид:
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​

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

​Логика управления:​​

• Постоянное сетевое напряжение → Регулируют idi_did​ для управления активной мощностью; iqi_qiq​ для реактивной мощности.
• Уравнения управления с компенсацией напряжения:
  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 Экспериментальные результаты​
​Ключевые проверки:​​

• Надежное мягкое подключение к сети в широком диапазоне скоростей;
• Независимое регулирование коэффициента мощности (статор/сетевая сторона обе достигают единицы);
• Двусторонняя способность передачи мощности AC/DC/AC преобразователя соответствует требованиям генерации.

​6 Заключение​
В этом исследовании разработана система двойной подачи ветроэнергетического генератора с напряжением источника AC/DC/AC, управляемая двумя DSP. В сочетании с векторным управлением, ориентированным на напряжение сетевой стороны, и векторным управлением, ориентированным на поток статора роторной стороны, эксперименты демонстрируют:

1. Система обеспечивает двусторонний поток мощности и независимое регулирование коэффициента мощности на входе и выходе;
2. Низкие гармоники и высокий коэффициент мощности обеспечивают качество электроэнергии;
3. Мягкое подключение и отключение к сети снижают механические и электрические нагрузки;
4. Применима для мегаваттных крупномасштабных ветроэнергетических установок.