การวิจัยเกี่ยวกับตัวแปลงความถี่สำหรับกังหันลมความเร็วแปรผันความถี่คงที่
1 บทนำ
พลังงานลมเป็นแหล่งพลังงานทดแทนที่มีศักยภาพในการพัฒนาอย่างมาก ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เทคโนโลยีพลังงานลมได้รับความสนใจจากนักวิชาการทั่วโลกอย่างกว้างขวาง โดยเทคโนโลยีความเร็วแปรผันความถี่คงที่ (VSCF) ใช้ระบบลมสองทางเป็นโซลูชันที่ได้รับการปรับแต่ง ในระบบนี้ วงจรสเตเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเชื่อมต่อโดยตรงกับระบบสายส่งไฟฟ้า ในขณะที่การควบคุม VSCF ทำได้โดยการปรับความถี่ ขนาด เฟส และลำดับเฟสของแหล่งจ่ายไฟให้กับวงจรโรเตอร์ เนื่องจากคอนเวอร์เตอร์ส่งเพียงพลังงานสไลป์เท่านั้น จึงสามารถลดขนาดของคอนเวอร์เตอร์ลงได้อย่างมาก
ในปัจจุบัน ระบบลมสองทางส่วนใหญ่ใช้คอนเวอร์เตอร์ AC/AC หรือ AC/DC/AC คอนเวอร์เตอร์ AC/AC ได้ถูกแทนที่ด้วยคอนเวอร์เตอร์ AC/DC/AC ที่ใช้แหล่งจ่ายไฟแรงดันเนื่องจากมีฮาร์โมนิกสูง แฟคเตอร์กำลังขาเข้าต่ำ และอุปกรณ์กำลังที่ใช้มากเกินไป แม้ว่าจะมีการสำรวจการใช้คอนเวอร์เตอร์เมทริกซ์สำหรับระบบลมสองทาง แต่โครงสร้างที่ซับซ้อน ความต้องการทนทานต่อแรงดันสูง และการควบคุมขาเข้า/ขาออกที่ไม่แยกออกจากกัน ทำให้มีข้อจำกัดในการนำไปใช้งานในระบบพลังงานลม
การศึกษานี้พัฒนาระบบลมสองทางที่ใช้แหล่งจ่ายไฟแรงดัน AC/DC/AC ควบคุมโดย DSP คู่ คอนเวอร์เตอร์ฝั่งสายส่งไฟฟ้าใช้การควบคุมเวกเตอร์แบบมุ่งสู่แรงดัน และคอนเวอร์เตอร์ฝั่งโรเตอร์ใช้การควบคุมเวกเตอร์แบบมุ่งสู่ฟลักซ์สเตเตอร์ การทดลองยืนยันว่าระบบสนับสนุนการไหลของพลังงานทั้งสองทาง การปรับแฟคเตอร์กำลังขาเข้า/ขาออกอย่างอิสระ การบิดเบือนฮาร์โมนิกต่ำ การทำงานอย่างมั่นคงในช่วงกว้าง และการผลิตไฟฟ้าคุณภาพสูงจากแหล่งพลังงานที่ไม่เสถียร เช่น พลังงานลม
2 โครงสร้างระบบ
ตามที่แสดงในรูปที่ 1 ระบบประกอบด้วยห้าส่วน:
- เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสองทาง (เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำโรเตอร์)
- คอนเวอร์เตอร์แรงดัน AC/DC/AC สองทาง (คอนเวอร์เตอร์ PWM สามเฟสแบบแบ็คทูแบ็คที่ใช้โมดูล IPM)
- ตัวควบคุม DSP คู่ (DSP จุดตรึง TMS320LF2407A + DSP จุดลอย TMS320VC33)
- อุปกรณ์ป้องกันการเชื่อมต่อสายส่งไฟฟ้า (คอนแทคเตอร์โรเตอร์/สเตเตอร์)
- กังหันลมความเร็วแปรผันเสมือน (มอเตอร์กระแสตรง + ระบบควบคุมความเร็วด้วยไธริสตอร์ SIEMENS SIVOREG)
รายละเอียดสำคัญ
- การเชื่อมต่อคอนเวอร์เตอร์: ฝั่งสายส่งไฟฟ้าผ่านอินดักเตอร์สามเฟส; ฝั่งโรเตอร์ผ่านแหวนสไลป์/แปรงสัมผัสไปยังวงจรโรเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
- บทบาทของ DSP คู่: LF2407A จัดการการแลกเปลี่ยนข้อมูล การสร้าง PWM และสัญญาณสายส่งไฟฟ้า; VC33 ดำเนินการคำนวณหลัก; RAM สองพอร์ทช่วยให้แชร์ข้อมูลแบบเรียลไทม์; CPLD ประมวลผลการถอดรหัสที่อยู่
- การป้องกันสายส่งไฟฟ้า: เมื่อเกิดข้อผิดพลาด ตัดคอนแทคเตอร์สเตเตอร์และปิดการส่ง PWM ก่อน รอช่วงเวลาหนึ่งก่อนจะเปิดคอนแทคเตอร์โรเตอร์
3 การควบคุมเวกเตอร์สำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสองทาง
3.1 หลักการควบคุม
ในเฟรมหมุนซิงโครนัส (d-แกนที่สอดคล้องกับฟลักซ์สเตเตอร์) โมเดลเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสองทางคือ:
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
สมการฟลักซ์:
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
สมการแรงบิด:
Te=−npLmimsirqLs{T_e = -\frac{n_p L_m i_{ms} i_{rq}}{L_s}}Te=−LsnpLmimsirq
เมื่อละเลยแรงดันจากการตกต้านของสเตเตอร์ ฟลักซ์สเตเตอร์จะเป็น:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0
กลยุทธ์การควบคุม:
- กระแสกระตุ้นทั่วไปของสเตเตอร์คงที่ imsi_{ms}ims → แรงบิดแม่เหล็กไฟฟ้า Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te∝irq
- สำหรับแฟคเตอร์กำลังเท่ากับ 1 กระแสกระตุ้นทั้งหมดมาจากโรเตอร์ (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims=ird)
- หลังจากการชดเชยการแยกแบบฟีดฟอร์เวิร์ด ควบคุม urdu_{rd}urd และ urqu_{rq}urq เพื่อควบคุมฟลักซ์โรเตอร์และแรงบิดตามลำดับ
3.2 การควบคุมสายส่งไฟฟ้า
- การเชื่อมต่อสายส่งไฟฟ้าแบบอ่อน:
- เมื่อความเร็วลมถึงค่าตัดเข้า กังหันขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าให้ทำงานที่ความเร็วต่ำสุด
- เปิดการทำงานของคอนเวอร์เตอร์เพื่อให้แรงดันสเตเตอร์สอดคล้องกับสายส่งไฟฟ้า (ขนาด เฟส ความถี่)
- การซิงโครไนซ์อัตโนมัติเมื่อครบเงื่อนไขการเชื่อมต่อสายส่งไฟฟ้า
- การตัดการเชื่อมต่อ: ปล่อยภาระอย่างค่อยเป็นค่อยไปจนถึงสถานะไม่มีภาระก่อนตัดการเชื่อมต่อ ต้องทำงานภายในช่วงความเร็วที่อนุญาต
4 การควบคุมเวกเตอร์ของคอนเวอร์เตอร์แปลงไฟฟ้าฝั่งสายส่งไฟฟ้า
ในเฟรมหมุนซิงโครนัสสองเฟส (d-แกนที่สอดคล้องกับแรงดันเฟส A) โมเดลคอนเวอร์เตอร์ PWM คือ:
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
สมการกำลัง:
P=udid,Q=udiq{P = u_d i_d, \quad Q = u_d i_q}P=udid,Q=udiq
ตรรกะการควบคุม:
- แรงดันสายส่งไฟฟ้าคงที่ → ควบคุม idi_did เพื่อควบคุมกำลังจร; iqi_qiq สำหรับกำลังฟิคทีฟ
- สมการควบคุมพร้อมการชดเชยแรงดัน:
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 ผลการทดลอง
การตรวจสอบสำคัญ:
- การเชื่อมต่อสายส่งไฟฟ้าแบบอ่อนที่เชื่อถือได้ในช่วงความเร็วที่กว้าง
- การปรับแฟคเตอร์กำลังอย่างอิสระ (ทั้งฝั่งสเตเตอร์และฝั่งสายส่งไฟฟ้าสามารถถึง 1)
- ความสามารถในการไหลของพลังงานทั้งสองทางของคอนเวอร์เตอร์ AC/DC/AC ตอบสนองความต้องการในการผลิตไฟฟ้า
6 สรุป
การศึกษานี้พัฒนาระบบลมสองทางที่ใช้แหล่งจ่ายไฟแรงดัน AC/DC/AC ควบคุมโดย DSP คู่ ร่วมกับการควบคุมเวกเตอร์แบบมุ่งสู่แรงดันฝั่งสายส่งไฟฟ้าและการควบคุมเวกเตอร์แบบมุ่งสู่ฟลักซ์สเตเตอร์ฝั่งโรเตอร์ การทดลองยืนยันว่า:
- ระบบสามารถทำงานด้วยการไหลของพลังงานทั้งสองทางและการปรับแฟคเตอร์กำลังขาเข้า/ขาออกอย่างอิสระ
- ฮาร์โมนิกต่ำและแฟคเตอร์กำลังสูงทำให้คุณภาพไฟฟ้าดี
- การเชื่อมต่อสายส่งไฟฟ้าแบบอ่อนและการตัดการเชื่อมต่อลดความเครียดทางกลและไฟฟ้า
- สามารถนำไปใช้ในระบบพลังงานลมขนาดเมกะวัตต์ได้
