Değişken Hızlı Sabit Frekansta Rüzgar Türbinleri için Elektrikleme Frekans Çeviricisi Üzerine Araştırma

1 Giriş​
Rüzgar enerjisi, önemli bir geliştirme potansiyeline sahip yenilenebilir bir enerji kaynağıdır. Son yıllarda, rüzgar enerjisi teknolojisi dünya genelinde bilim insanları tarafından geniş bir ilgi görmüştür. Rüzgar enerjisinin geliştirilmesi için kilit bir yön olan değişken hız sabit frekans (VSCF) teknolojisi, çift besli rüzgar enerjisi sistemini optimize edilmiş bir çözüm olarak kullanır. Bu sistemde, jeneratörün stator sarımı doğrudan şebekeye bağlanırken, VSCF kontrolü, rotordan beslenen güç arzının frekansı, genliği, fazı ve faz sırasını düzenleyerek gerçekleştirilir. Dönüştürücünün sadece kaymalı gücü iletmek zorunda olması, kapasitesinin önemli ölçüde azaltılmasına olanak tanır.

Şu anda, çift besli rüzgar enerjisi sistemleri çoğunlukla AC/AC veya AC/DC/AC dönüştürücüler kullanmaktadır. Yüksek çıkış harmonikleri, düşük giriş güç faktörü ve aşırı güç cihazları nedeniyle AC/AC dönüştürücüler, gerilim kaynağı AC/DC/AC dönüştürücüler tarafından büyük ölçüde yer değiştirilmiştir. Çift besli sistemler için matris dönüştürücüler de araştırılmış olsa da, karmaşık yapısı, yüksek voltaj dayanıklılık gereksinimleri ve ayrıştırılmamış giriş/çıkış kontrolü, bu tür dönüştürücülerin rüzgar enerjisi uygulamalarında yaygın kullanımını sınırlamaktadır.

Bu çalışma, çift DSP ile kontrol edilen gerilim kaynağı AC/DC/AC çift besli rüzgar enerjisi sistemini geliştirir. Şebeke tarafı dönüştürücü, gerilim yönelimli vektör kontrolünü benimser ve rotor tarafı dönüştürücü ise stator akım yoğunluğu yönelimli vektör kontrolünü kullanır. Deneyler, sistemin çift yönlü güç akışı, bağımsız giriş/çıkış güç faktörü düzenleme, düşük harmonik bozulma, geniş aralıktaki istikrarlı çalışma ve rüzgar gibi dengesiz enerji kaynaklarından kaliteli güç üretimi sağladığını onaylamıştır.

​2 Sistem Yapılandırması​
Şekil 1'de gösterildiği gibi, sistem beş bölümden oluşur:

• Çift besli jeneratör (sarılı rotorlu endüksiyon jeneratörü)
• Gerilim kaynağı AC/DC/AC çift yönlü PWM dönüştürücü (IPM modülleri kullanılarak geri-geri üç fazlı dikdörtgenleştirici/dikdörtgenleştirici)
• Çift-DSP kontrolcü (nokta sabit DSP TMS320LF2407A + nokta kayan DSP TMS320VC33)
• Şebeke bağlantı koruma cihazı (rotor/stator kontaktörleri)
• Sanal değişken hızlı rüzgar türbini (DC motor + SIEMENS SIVOREG tiristör hız kontrol sistemi)

​Ana Detaylar​

• Dönüştürücü bağlantısı: Şebeke tarafı üç fazlı indüktörler aracılığıyla; rotor tarafı sürtünme halkaları/fırçalar aracılığıyla jeneratör rotor sarımına.
• Çift-DSP rolleri: LF2407A, veri değişimi, PWM oluşturma ve şebeke sinyallerini ele alırken; VC33, çekirdek algoritmaları yürütür; çift port RAM, gerçek zamanlı veri paylaşımını sağlar; CPLD, adres çözme işlemini gerçekleştirir.
• Şebeke koruması: Hatalar durumunda, önce stator kontaktörünü kesip PWM'yi engeller; sonra bir gecikme ile rotor kontaktörünü açar.

​3 Çift Besli Jeneratör İçin Vektör Kontrolü​
​3.1 Kontrol Prensipleri​
Senkron dönen kare (d-ekseni stator akım yoğunluğu ile hizalanmış), çift besli jeneratör modeli:
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​

​Akımlar denklemleri:​​
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​

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

Stator direnç voltaj düşümünü ihmal edersek, stator akım yoğunluğu:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd​≈usq​/ωs​,ψsq​≈0

​Kontrol stratejisi:​​

• Sabit stator genelleştirilmiş manyetik akım imsi_{ms}ims​ → Elektromanyetik tork Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• Birim güç faktörü için, manyetik akım tamamen rotordan sağlanır (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​)
• Öngörü decoupling kompensasyonundan sonra, urdu_{rd}urd​ ve urqu_{rq}urq​ düzenlenerek rotor akım yoğunluğu ve tork kontrol edilir.

​3.2 Şebeke Kontrolü​

• Yumuşak Şebeke Bağlantısı:
1. Rüzgar hızı kesme değeri ulaştığında, türbin jeneratörü minimum hızda çalıştırır.
2. Dönüştürücüyü etkinleştirerek, stator voltajını şebekeye (genlik, faz, frekans) uygun hale getirir.
3. Şebeke bağlantı koşulları karşılandığında otomatik senkronizasyon gerçekleşir.
• Bağlantıyı Kesme: Kesmeden önce yavaşça yük boşaltılır. İzin verilen hız aralığı içinde çalışmalıdır.

​4 Şebeke Tarafı Dikdörtgenleştirici Vektör Kontrolü​
İki fazlı senkron dönen kare (d-ekseni A fazı voltajıyla hizalanmış) PWM dikdörtgenleştirici modeli:
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​

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

​Kontrol mantığı:​​

• Sabit şebeke voltajı → Aktif gücü kontrol etmek için idi_did​ düzenlenir; reaktif güç için iqi_qiq​ düzenlenir.
• Gerilim kompansasyonlu kontrol denklemleri:
  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 Deneysel Sonuçlar​
​Ana Doğrulamalar:​​

• Geniş hız aralığında güvenilir yumuşak şebeke bağlantısı;
• Bağımsız güç faktörü düzenleme (stator/şebeke tarafı her ikisi de birim güç faktörüne ulaşır);
• AC/DC/AC dönüştürücünün çift yönlü güç akışı yeteneği, üretim taleplerini karşılar.

​6 Sonuç​
Bu çalışma, çift DSP tabanlı gerilim kaynağı AC/DC/AC çift besli rüzgar enerjisi sistemini geliştirir. Şebeke tarafı gerilim yönelimli ve rotor tarafı stator akım yoğunluğu yönelimli vektör kontrolü ile birleştirildiğinde, deneyler şunları göstermiştir:

1. Sistem, çift yönlü güç akışı ve bağımsız giriş/çıkış güç faktörü düzenleme sağlar;
2. Düşük harmonik ve yüksek güç faktörü, güç kalitesini sağlar;
3. Yumuşak şebeke bağlantısı/kesmesi, mekanik/elektriksel stresi azaltır;
4. Megavat sınıfı büyük ölçekli rüzgar enerjisi kurulumlarına uygulanabilir.