Utafiti kuhusu Kitufe cha Kusasisha Namba ya Mzunguko kwa Turubine za Upepo wa Mzunguko Mwishovu na Namba ya Mzunguko isiyo Badilika

1 Utangulizi​
Nishati ya upepo ni nishati yenye uwezo wa kuongezeka na inayoweza kutengenezwa. Vizuri, teknolojia ya umeme kutokana na upepo imepokea msingi mkubwa kutoka kwa wanaibu duniani. Kama chanzo muhimu cha maendeleo ya umeme kutokana na upepo, teknolojia ya kiwango cha mwaka (VSCF) inatumia mfumo wa mifumo ya upepo wa kufunguliwa mara mbili kama suluhisho bora. Katika mfumo huu, mivumo ya stator ya jenerator huunganisha moja kwa moja kwenye grid, na utambuzi wa VSCF unafanyika kwa kudhibiti kiwango, ukubwa, fasi, na mpangilio wa vifaa za umeme kwa mivumo ya rotor. Tangu converter anaweza tu kukagua nguvu ya slip, uwezo wake unaweza kupungua sana.

Sasa, mifumo ya upepo wa kufunguliwa mara mbili zinatumia zaidi converters AC/AC au AC/DC/AC. Converters AC/AC zimebadilishwa zaidi na converters AC/DC/AC wa chanzo cha voltage kutokana na harmonics za chenji juu, ushauri wa nguvu wa kuingiza chenji ndogo, na vifaa vya nguvu mengi. Ingawa converters matrix zimejaribiwa kwa ajili ya mifumo ya kufunguliwa mara mbili, umbo lake linalozito, maagizo ya voltage yake juu, na utambuzi wa kuingiza/kutoa unaotumiana si kwa kutegemeana kumezimamisha matumizi yake katika masuala ya umeme kutokana na upepo.

Utakatifu huu unafanikisha mfumo wa umeme kutokana na upepo wa kufunguliwa mara mbili wa chanzo cha voltage ambayo inadhibitiwa na dual DSPs. Converter wa upande wa grid unatumia vector control iliyoundwa kwa voltage, na converter wa upande wa rotor unatumia vector control iliyoundwa kwa flux ya stator. Maarifa yanayothibitisha kwamba mfumo unaweza kukagua nguvu kwa kila upande, kudhibiti ushauri wa nguvu wa kuingiza/kutoa bila kujisuliani, kuchemsha vibaya kidogo, kutumika kwa ura fuata, na kutengeneza umeme wa kiwango juu kutokana na nishati zisizo salama kama upepo.

​2 Usimamizi wa Mfumo​
Kama linavyoonyeshwa kwenye Chumba 1, mfumo unajumuisha sehemu tano:

• Jenerator wa kufunguliwa mara mbili (jenerator wa induction wa wound-rotor)
• Converter wa chanzo cha voltage AC/DC/AC wa kufunguliwa mara mbili wa PWM (converter wa rectifier/inverter wa back-to-back three-phase unatumia IPM modules)
• Msimamizi wa dual-DSP (DSP wa point fixed TMS320LF2407A + DSP wa floating-point TMS320VC33)
• Vifaa vya ulinzi wa grid (contactors wa rotor/stator)
• Turbine ya upepo variable-speed virtual (motori DC + SIEMENS SIVOREG thyristor speed control system)

​Sehemu Muhimu​

• Uunganisho wa converter: Upande wa grid kupitia inductors wa three-phase; upande wa rotor kupitia slip rings/brushes kwa mivumo ya rotor ya jenerator.
• Nyanja za dual-DSP: LF2407A hunajibu kwa mawasiliano ya data, PWM generation, na ishara za grid; VC33 hutekeleza algorithm msingi; dual-port RAM hueneza sharing ya data ya muda; CPLD hupanga decoding ya anwani.
• Ulinzi wa grid: Waktu matukio, kuzuia contactor wa stator na kubofya PWM kwanza; subiri kabla ya kufungua contactor wa rotor.

​3 Vector Control kwa Jenerator wa Kufunguliwa Mara Mbili​
​3.1 Misemo ya Dhibiti​
Katika eneo la mzunguko sawa (d-axis aligned with stator flux), model ya jenerator wa kufunguliwa mara mbili ni:
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​

​Misemo ya flux:​​
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​

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

Kutokuwa na upungufu wa voltage wa resistance ya stator, flux ya stator inafanikiwa:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd​≈usq​/ωs​,ψsq​≈0

​Misemo ya dhibiti:​​

• Current ya generalized excitation ya stator imsi_{ms}ims​ → Torque electromagnetic Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• Kwa power factor wa unity, current ya excitation inapatikana kwa pamoja na rotor (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​)
• Baada ya feedforward decoupling compensation, udhibiti urdu_{rd}urd​ na urqu_{rq}urq​ kwa kudhibiti flux ya rotor na torque, kwa mtazamo.

​3.2 Grid Control​

• Soft Grid-Connection:
1. Wakati kiwango cha upepo kinapopata thamani ya cut-in, turbine hutumia jenerator kwenye kiwango cha chini.
2. Aktivisha converter ili kufanana voltage ya stator na grid (ukubwa, fasi, na kiwango).
3. Usalama wa kijamii wanapoondoka masharti ya grid-connection.
• Disconnection: Ongeza kwa undani kabla ya kutumia. Lazima kufanya kazi ndani ya kiwango cha ruhsa.

​4 Grid-Side Rectifier Vector Control​
Katika eneo la mzunguko sawa la two-phase (d-axis aligned with phase-A voltage), model ya PWM rectifier ni:
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​

​Misemo ya nguvu:​​
P=udid,Q=udiq{P = u_d i_d, \quad Q = u_d i_q}P=ud​id​,Q=ud​iq​

​Misemo ya dhibiti:​​

• Voltage ya grid chenchi → Udhibiti idi_did​ kwa kudhibiti nguvu ya active; iqi_qiq​ kwa nguvu ya reactive.
• Misemo ya dhibiti na voltage compensation:
  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 Matokeo ya Maarifa​
​Uthibitishaji Wa Kipaumbele:​​

• Usalama wa soft grid-connection kwenye kiwango kikubwa;
• Dhibiti ya independent ya power factor (stator/grid side both reach unity);
• Uwezo wa kufunga nguvu kwa kila upande wa AC/DC/AC converter unahitaji kutengeneza.

​6 Mwisho​
Utakatifu huu unafanikisha mfumo wa umeme kutokana na upepo wa kufunguliwa mara mbili wa chanzo cha voltage unatumia dual-DSPs. Pamoja na grid-side voltage-oriented na rotor-side stator-flux-oriented vector control, maarifa yanayothibitisha:

1. Mfumo unafanikiwa kufunga nguvu kwa kila upande na kudhibiti independent input/output power factor;
2. Harmonics ndogo na power factor juu husaidia kwa kiwango cha umeme;
3. Soft grid-connection/disconnection kunyang'anya stress ya mechanical/electrical;
4. Inapatikana kwa majengo makubwa ya megawatt-class wind power.