Raziskave o pretvorniku vzbušnega frekvence za vetrne turbine s spremenljivo hitrostjo in konstantno frekvenco

1 Uvod​
Vetrna energija je obnovljiva vir energije z velikim potencialom za razvoj. V zadnjih letih je tehnologija vetrne energije pritegnila obsežno pozornost šolarjev po vsem svetu. Kot ključni smeri za razvoj vetrne energije uporablja tehnologija spreminjanja hitrosti in ohranjanja konstantne frekvence (VSCF) sistem dvojno podajalnega generatorja kot optimizirano rešitev. V tem sistemu so statorne navoji direktno povezani z omrežjem, medtem ko se VSCF nadzor doseže s regulacijo frekvence, amplitude, faze in vrstnega reda napajanja rotorovih navojev. Ker pretvornik prenaša le klizično moč, se njegova kapaciteta lahko znatno zmanjša.

Trenutno uporabljajo sistemi dvojnega podajanja predvsem AC/AC ali AC/DC/AC pretvornike. AC/AC pretvorniki so bili večinoma zamenjeni z napetostnimi viri AC/DC/AC pretvornikov zaradi visokih harmonskih, nizkega vhodnega faktorja moči in prevelikega števila močnih naprav. Čeprav so bili matrični pretvorniki raziskani za sisteme dvojnega podajanja, njihova kompleksna struktura, visoki zahtevi glede napetosti in neodtujena vhodna/izhodna kontrola omejujejo njihovo uporabo v aplikacijah vetrne energije.

Ta raziskava razvija sistem dvojnega podajanja vetrne energije z napetostnim virom AC/DC/AC, ki ga nadzorujejo dva DSP-ja. Pretvornik na strani omrežja uporablja vektorski nadzor, usmerjen na napetost, pretvornik na strani rotora pa uporablja vektorski nadzor, usmerjen na tok statorja. Poskusi potrjujejo, da sistem podpira dvosmerno pretok moči, neodvisno ureditev vhodnega/izhodnega faktorja moči, nizko harmonično deformacijo, stabilno delovanje v širokem obsegu in visokokakovostno proizvodnjo električne energije iz nestabilnih virov, kot je vetar.

​2 Konfiguracija sistema​
Kot je prikazano na Sliki 1, sistem sestavlja pet delov:

• Dvojno podajanje generatorja (navijen rotor indukcijskega generatorja)
• Napetostni vir AC/DC/AC dvosmerni PWM pretvornik (naproti trifazni rektifikator/inverter z IPM moduli)
• Dvojni DSP nadzornik (fiksni točkovni DSP TMS320LF2407A + plavajoči točkovni DSP TMS320VC33)
• Zaščitna naprava za povezavo z omrežjem (kontaktorji rotora/statorja)
• Navidezni variabilni hitrostni vetrnik (spremenljiv hitrostni motor + SIEMENS SIVOREG tiristor sklop za ureditev hitrosti)

​Ključni podrobnosti​

• Povezava pretvornika: Na strani omrežja preko trifaznih induktorjev; na strani rotora preko slip kolcev/četk do rotorovih navojev.
• Vloga dvojnih DSP-jev: LF2407A obravnava izmenjavo podatkov, generiranje PWM in signale omrežja; VC33 izvaja osrednje algoritme; dvoportni RAM omogoča trenutno deljenje podatkov; CPLD procesira dekodiranje naslovov.
• Zaščita omrežja: Ob napakah odstrani kontaktor statorja in blokira PWM najprej; odloženo odpre kontaktor rotora.

​3 Vektorski nadzor dvojnega podajanja generatorja​
​3.1 Načela nadzora​
V sinkronnem vrtečem okviru (d-os poravnana s tokom statorja), model dvojnega podajanja generatorja je:
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​

​Enačbe tokov:​​
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​

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

Zanemarjajoč padec napetosti statorskega upora, tok statorja zadovoljuje:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd​≈usq​/ωs​,ψsq​≈0

​Strategija nadzora:​​

• Stalen statorski splošni vzbuževalni tok imsi_{ms}ims​ → Elektromagnetska vrtljiva moč Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• Za enotski faktor moči, vzbuževalni tok popolnoma zagotovi rotorski (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​)
• Po napredujoči odtkopilni kompenzaciji, uredi urdu_{rd}urd​ in urqu_{rq}urq​ za nadzor rotorskega toka in vrtljive moči, ustrezno.

​3.2 Nadzor omrežja​

• Mehka povezava z omrežjem:
1. Ko doseže hitrost vetrnika vrednost vključitve, vodilnik poganja generator na minimalno hitrost.
2. Aktivirajte pretvornik, da se statorska napetost prilegi omrežju (amplituda, faza, frekvenca).
3. Samodejna sinhronizacija, ko so izpolnjeni pogoji za povezavo z omrežjem.
• Odključevanje: Postopno odobri brezobremenjen stanje pred odključevanjem. Morate delovati znotraj dovoljenega obsega hitrosti.

​4 Vektorski nadzor rektifikatorja na strani omrežja​
V dvofaznem sinkronnem vrtečem okviru (d-os poravnana s napetostjo faze A), model PWM rektifikatorja je:
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​

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

​Logika nadzora:​​

• Stalna omrežna napetost → Reguliraj idi_did​ za aktivno moč; iqi_qiq​ za reaktivno moč.
• Enačbe nadzora z napetostno kompenzacijo:
  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 Eksperimentalni rezultati​
​Ključne preveritve:​​

• Zanesljiva mehka povezava z omrežjem v širokem obsegu hitrosti;
• Neodvisna ureditev faktorja moči (statorska/omrežna stran doseže enoto);
• Dvosmerna zmogljivost pretoka moči AC/DC/AC pretvornika zadovoljuje zahteve za proizvodnjo.

​6 Zaključek​
Ta raziskava razvija sistem dvojnega podajanja vetrne energije z napetostnim virom AC/DC/AC, ki ga nadzorujejo dva DSP-ja. Skupaj s vektorskim nadzorom, usmerjenim na napetost na strani omrežja, in vektorskim nadzorom, usmerjenim na tok statorja na strani rotora, poskusi kažejo:

1. Sistem dosega dvosmerno pretok moči in neodvisno ureditev vhodnega/izhodnega faktorja moči;
2. Nizka harmonična deformacija in visok faktor moči zagotavljata kakovost moči;
3. Mehka povezava z omrežjem in odključevanje zmanjšata mehanske in električne obremenitve;
4. Uporabnost za megavatske velike instalacije vetrne energije.