Istraživanje pretvarača pobude za vetroelektrane promenljive brzine konstantne frekvencije

1 Uvod​
Energetska tehnologija eolne energije predstavlja obnovljivu izvor energije sa značajnim potencijalom za razvoj. U poslednjih nekoliko godina, tehnologija eolne energije privukla je pažnju naučnika širom sveta. Kao ključna smer u razvoju eolne energije, tehnologija promenljive brzine i konstantne frekvencije (VSCF) koristi dvostrano ishranjen sistem generacije kao optimizovano rešenje. U ovom sistemu, statorski navoj generatora direktno se povezuje na mrežu, dok se kontrola VSCF ostvaruje regulisanjem frekvencije, amplitudine, faze i redosleda faza napajanja rotor sklopova. Budući da pretvarač prenosi samo klizićnu snagu, njegova kapacitet može biti značajno smanjen.

Trenutno, dvostrani sistemi eolne energije uglavnom koriste AC/AC ili AC/DC/AC pretvarače. AC/AC pretvarači su većinom zamenjeni naponskim izvorima AC/DC/AC pretvarača zbog visokih harmonika na izlazu, niskog faktora snage na ulazu i velikog broja snaga. Iako su matricni pretvarači istraživani za dvostrane sisteme, njihova složena struktura, visoki zahtevi za otpornost na napon i neodvojena kontrola ulaza/izlaza ograničavaju njihovu primenu u eolnim aplikacijama.

Ova studija razvija dvostrani sistem eolne energije sa naponskim izvorom AC/DC/AC kontrolisan dvostrukim DSP-ovima. Pretvarač na strani mreže koristi vektorsku kontrolu orijentisanu na napon, a pretvarač na strani rotora koristi vektorsku kontrolu orijentisanu na flux statora. Eksperimenti potvrđuju da sistem podržava dvosmerni tok snage, nezavisnu regulaciju faktora snage na ulazu/izlazu, niske harmonike, stabilnu radnu opsegu i visokokvalitetnu proizvodnju električne energije od nestabilnih izvora poput vetra.

​2 Konfiguracija sistema​
Kao što je prikazano na Slici 1, sistem se sastoji od pet delova:

• Dvostrani generator (generator sa navojem rotora)
• Naponski izvor AC/DC/AC bidirekcionog PWM pretvarača (back-to-back trofazni pravilnik/inverzor koristeći IPM modul)
• Dvostrani DSP kontroler (fiksni tačkasti DSP TMS320LF2407A + plavajući tačkasti DSP TMS320VC33)
• Zaštitni uređaj za povezivanje na mrežu (kontaktori rotora/statora)
• Virtuelni generator promenljive brzine (DC motor + SIEMENS SIVOREG tiristor kontrolni sistem brzine)

​Ključni detalji​

• Povezivanje pretvarača: na strani mreže preko trofaznih induktivnosti; na strani rotora preko slip ringova/četkica na rotor navoje.
• Uloge dvostrukog DSP-a: LF2407A obrađuje razmenu podataka, generisanje PWM signala i mrežne signale; VC33 izvršava ključne algoritme; dual-port RAM omogućava realno-vremensku razmenu podataka; CPLD obrađuje dekodiranje adresa.
• Zaštita mreže: u slučaju greške, odspojiti kontaktor statora i blokirati PWM prvo; nakon kašnjenja otvoriti kontaktor rotora.

​3 Vektorska kontrola dvostranog generatora​
​3.1 Principe kontrole​
U sinkronom rotirajućem okviru (d-osa poravnata sa fluxom statora), model dvostranog generatora 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​

​Jednačine fluksa:​​
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​

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

Zanemarujući pad napona statorskog otpora, statorski flux zadovoljava:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd​≈usq​/ωs​,ψsq​≈0

​Strategija kontrole:​​

• Konstantan statorski generalizovani ekscitacioni tok imsi_{ms}ims​ → Elektromagnetski moment Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• Za jedinični faktor snage, ekscitacioni tok kompletno se dobavlja od rotora (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​)
• Nakon napredne kompenzacije dekupliranja, regulišu se urdu_{rd}urd​ i urqu_{rq}urq​ kako bi se kontrolisali rotor flux i moment, redom.

​3.2 Kontrola mreže​

• Mekano povezivanje na mrežu:
1. Kada brzina vetra dostigne vrednost za povezivanje, turbinom se dovodi generator do minimalne brzine.
2. Aktivira se pretvarač kako bi se statorski napon podigao na nivou mreže (amplituda, faza, frekvencija).
3. Automatska sinhronizacija kada su ispunjeni uslovi za povezivanje na mrežu.
• Odspajanje: Postepeno se smanjuje opterećenje do stanja bez opterećenja pre odspajanja. Moraju se operirati unutar dozvoljenog opsega brzine.

​4 Vektorska kontrola pravilnika na strani mreže​
U dvofaznom sinkronom rotirajućem okviru (d-osa poravnata sa naponom faze A), model PWM pravilnika 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​

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

​Logika kontrole:​​

• Konstantan napon mreže → Regulisanje idi_did​ za kontrolu aktivne snage; iqi_qiq​ za reaktivnu snagu.
• Jednačine kontrole sa kompenzacijom napona:
  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 verifikacije:​​

• Pouzdan mekan povezivanje na mrežu u širokom opsegu brzina;
• Nezavisna regulacija faktora snage (statorska/strana mreže obe dostižu jedinicu);
• Dvosmerni tok snage AC/DC/AC pretvarača zadovoljava potrebe generacije.

​6 Zaključak​
Ova studija razvija dvostrani sistem eolne energije sa naponskim izvorom AC/DC/AC baziran na dvostrukom DSP-u. Kombinovan sa vektorskom kontrolom orijentisanom na napon na strani mreže i vektorskom kontrolom orijentisanom na flux statora na strani rotora, eksperimenti pokazuju:

1. Sistem postiže dvosmerni tok snage i nezavisnu regulaciju faktora snage na ulazu/izlazu;
2. Niske harmonike i visoki faktor snage osiguravaju kvalitetu snage;
3. Mekano povezivanje/odspajanje smanjuje mehanički i električki stress;
4. Primjenjivost na velike instalacije eolne energije klase megavat.