Forskning om spänningsomvandlare för anregningsfrekvens för vindturbiner med variabel hastighet och konstant frekvens
1 Introduktion
Vindkraft är en förnybar energikälla med stort utvecklingspotential. Under de senaste åren har vindkraftsteknik fått stor uppmärksamhet från forskare världen över. Som en viktig riktning för vindkraftsutveckling använder variabelhastighet-konstantfrekvens (VSCF)-teknik den dubbelmatade vindkraftssystemet som en optimerad lösning. I detta system ansluts generatorns statorkopplingar direkt till nätet, medan VSCF-styrning uppnås genom reglering av frekvens, amplitud, fas och fasföljd av rotorlindningsströmförsörjningen. Eftersom konverteraren endast överför glidande effekt kan dess kapacitet betydligt minska.
Just nu använder de flesta dubbelmatade vindkraftssystem AC/AC- eller AC/DC/AC-konverterare. AC/AC-konverterare har i stort sett ersatts av spänningskälla AC/DC/AC-konverterare på grund av deras höga uteffekter, låg ingångseffektivitet och överskott av kraftenheter. Trots att matriskonverterare har undersökts för dubbelmatade system, begränsas deras användning i vindkraftstillämpningar på grund av deras komplexa struktur, höga spänningskrav och icke-dekopplade in-/utdatastyrning.
Denna studie utvecklar ett spänningskälla AC/DC/AC-dubbelmatat vindkraftssystem styrt av dubbla DSP:er. Nät-sidan konverterare använder spänningsriktad vektorstyrning, och rotor-sidan konverterare använder statore-fluxriktad vektorstyrning. Experiment bekräftar att systemet stöder tvåvägs effektflöde, oberoende in-/utdataeffektivitetsreglering, låg harmonisk distorsion, stabil bredbandig drift och högkvalitativ strömproduktion från instabila energikällor som vind.
2 Systemkonfiguration
Som visas i figur 1 består systemet av fem delar:
- Dubbelmatad generator (spole-generator)
- Spänningskälla AC/DC/AC-tvåvägs PWM-konverterare (back-to-back trefasig rektifierare/inverterare med IPM-moduler)
- Dubbla DSP-styrenheter (fixpunkt DSP TMS320LF2407A + flytande punkt DSP TMS320VC33)
- Nätanslutningsbeskyddsenhet (rotor/statorkontakter)
- Virtuell variabelhastighets vindturbin (DC-motor + SIEMENS SIVOREG thyristorstyrningssystem)
Viktiga detaljer
- Konverteranslutning: Nät-sidan via trefasiga induktorer; rotor-sidan via glidringar/burkar till generatorn rotorlindningar.
- Dubbla DSP-roller: LF2407A hanterar datautbyte, PWM-generering och nät-signaler; VC33 utför kärnalgoritmer; dubbelport RAM möjliggör realtid-datautbyte; CPLD behandlar adressdekodning.
- Nätbeskydd: Vid fel, koppla bort statorkontakt och blockera PWM först; försening innan rotorkontakten öppnas.
3 Vektorstyrning för dubbelmatad generator
3.1 Styrningsprinciper
I synkroniserande roterande ram (d-axel justerad med statore-flux), modellen för dubbelmatad generator är:
usd=Rsisd+dψsddt−ωsψsq{u_{sd} = R_s i_{sd} + \frac{d\psi_{sd}}{dt} - \omega_s \psi_{sq}}usd=Rsisd+dtdψsd−ωsψsq
usq=Rsisq+dψsqdt+ωsψsd{u_{sq} = R_s i_{sq} + \frac{d\psi_{sq}}{dt} + \omega_s \psi_{sd}}usq=Rsisq+dtdψsq+ωsψsd
urd=Rrird+dψrddt−ωslipψrq{u_{rd} = R_r i_{rd} + \frac{d\psi_{rd}}{dt} - \omega_{\text{slip}} \psi_{rq}}urd=Rrird+dtdψrd−ωslipψrq
urq=Rrirq+dψrqdt+ωslipψrd{u_{rq} = R_r i_{rq} + \frac{d\psi_{rq}}{dt} + \omega_{\text{slip}} \psi_{rd}}urq=Rrirq+dtdψrq+ωslipψrd
Fluxekvationer:
ψsd=Lmims+Lsisd=Lmims{\psi_{sd} = L_m i_{ms} + L_s i_{sd} = L_m i_{ms}}ψsd=Lmims+Lsisd=Lmims
ψsq=−Lmirq{\psi_{sq} = -L_m i_{rq}}ψsq=−Lmirq
ψrd=Lrird+Lmisd{\psi_{rd} = L_r i_{rd} + L_m i_{sd}}ψrd=Lrird+Lmisd
ψrq=Lrirq+Lmisq{\psi_{rq} = L_r i_{rq} + L_m i_{sq}}ψrq=Lrirq+Lmisq
Momentekvation:
Te=−npLmimsirqLs{T_e = -\frac{n_p L_m i_{ms} i_{rq}}{L_s}}Te=−LsnpLmimsirq
Neglecting stator resistance voltage drop, stator flux satisfies:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0
Styrningsstrategi:
- Konstant statore generell spänningsström imsi_{ms}ims → Elektromagnetisk moment Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te∝irq
- För enhets effektivitet, spänningsström fullt levererad av rotor (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims=ird)
- Efter feedforward decoupling compensation, regulate urdu_{rd}urd and urqu_{rq}urq to control rotor flux and torque, respectively.
3.2 Nätstyrning
- Soft Grid-Connection:
- När vindhastigheten når inkopplingsvärde, drivs generatorn till minimihastighet.
- Aktivera konverteraren för att matcha statore-spänningen till nätet (amplitud, fas, frekvens).
- Automatisk synkronisering när nätanslutningsvillkor uppfylls.
- Frånkoppling: Gradvis avlasta till tom last innan frånkoppling. Måste fungera inom tillåtet hastighetsområde.
4 Nät-sida rektifieringsvektorstyrning
I det tvåfasiga synkroniserande roterande ram (d-axel justerad med fas-A spänning), PWM-rektifieringsmodellen är:
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−ωsLiq+sdudc
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+ωsLid+squdc
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(sdid+sqiq)−iload
Effektekvationer:
P=udid,Q=udiq{P = u_d i_d, \quad Q = u_d i_q}P=udid,Q=udiq
Styrlogik:
- Konstant nätspänning → Reglera idi_did för att kontrollera aktiv effekt; iqi_qiq för reaktiv effekt.
- Styrningsekvationer med spänningens kompensation:
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−ωsLiq+ud
uq∗=(R+Lddt)iq+ωsLid{u_q^* = (R + L\frac{d}{dt})i_q + \omega_s L i_d}uq∗=(R+Ldtd)iq+ωsLid
5 Experimentella resultat
Viktiga verifieringar:
- Tillförlitlig mjuk nätanslutning över ett brett hastighetsområde;
- Oberoende effektivitetsreglering (statore/nät-sidan når enhet);
- TVåvägs effektflödeskapacitet av AC/DC/AC-konverter uppfyller produktionskraven.
6 Slutsats
Denna studie utvecklar ett dubbla DSP-baserat spänningskälla AC/DC/AC-dubbelmatat vindkraftssystem. Tillsammans med nät-sidan spänningsriktad och rotor-sidan statore-fluxriktad vektorstyrning, visar experiment att:
- Systemet uppnår tvåvägs effektflöde och oberoende in-/utdataeffektivitetsreglering;
- Låga harmoniska och hög effektivitet säkerställer strömkvalitet;
- Mjuk nätanslutning/frånkoppling minskar mekanisk/elakt stress;
- Tillämpbarhet för megawattklass storskaliga vindkraftsanläggningar.
