Дослідження частотного перетворювача для вітрикових турбін зі змінною швидкістю і постійною частотою

1 Вступ​
Вітрова енергія є перспективним джерелом відновлюваної енергії. Останнім часом технології вітрової енергетики здобули широке увагу науковців по всьому світу. Як ключовий напрямок розвитку вітрової енергетики, технологія змінної швидкості і постійної частоти (VSCF) використовує двобічну систему вітрової енергетики як оптимізоване рішення. У цій системі статорні обмотки генератора підключаються безпосередньо до мережі, а контроль VSCF досягається за допомогою регулювання частоти, амплітуди, фази та послідовності фаз живлення роторних обмоток. Оскільки конвертер передає лише слизьку потужність, його можна значно скоротити.

На даний момент двобічні вітрові системи переважно використовують AC/AC або AC/DC/AC конвертери. AC/AC конвертери були переважно замінені напругово-зв'язаними AC/DC/AC конвертерами через високі гармоніки вихідного сигналу, низький коефіцієнт потужності на вході та надмірне число елементів живлення. Хоча матричні конвертери також вивчаються для двобічних систем, їх складна структура, високі вимоги до витримуваної напруги та невідокремлений контроль входу/виходу обмежують їх використання в вітрових системах.

Це дослідження розробляє напругово-зв'язану AC/DC/AC двобічну вітрову систему, керовану подвійними DSP. Мережевий конвертер використовує векторний контроль, орієнтований на напругу, а роторний конвертер - векторний контроль, орієнтований на статорний потік. Експерименти підтвердили, що система підтримує двосторонній потік енергії, незалежне регулювання коефіцієнта потужності на вході та виході, низьке спотворення гармонік, стабільну роботу в широкому діапазоні та високоякісне виробництво електроенергії з нестабільних джерел, таких як вітер.

​2 Конфігурація системи​
Як показано на рисунку 1, система складається з п'яти частин:

• Двобічний генератор (генератор з обмоткою ротора)
• Напругово-зв'язаний AC/DC/AC двобічний PWM конвертер (базовий тривимірний прямокутник/інвертор з модулями IPM)
• Подвійний контролер DSP (фиксированно-точковий DSP TMS320LF2407A + плавучо-точковий DSP TMS320VC33)
• Захисне пристрої для підключення до мережі (контактори ротора/статора)
• Віртуальний вітроагрегат змінної швидкості (постійний двигун + система керування швидкістю SIEMENS SIVOREG на тиристорах)

​Ключові деталі​

• Підключення конвертера: мережевий бік через трифазні індуктори; роторний бік через колічки/щітки до обмоток ротора генератора.
• Ролі подвійного DSP: LF2407A обробляє обмін даними, генерацію PWM та сигнали мережі; VC33 виконує основні алгоритми; подвійна портова RAM забезпечує реальний час обміну даними; CPLD обробляє декодування адрес.
• Захист мережі: при аваріях спочатку відключайте контакт статора та блокуйте PWM; затримка перед відкриттям контакту ротора.

​3 Векторний контроль для двобічного генератора​
​3.1 Принципи управління​
У синхронній обертальній системі координат (d-вісь вирівнюється з потоком статора), модель двобічного генератора є:
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​

​Рівняння потоку:​​
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​

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

Не враховуючи випадки падіння напруги на опорі статора, потік статора задовольняє:
ψsd≈usq/ωs,ψsq≈0{\psi_{sd} \approx u_{sq}/\omega_s, \quad \psi_{sq} \approx 0}ψsd​≈usq​/ωs​,ψsq​≈0

​Стратегія управління:​​

• Постійний узагальнений статорний струм imsi_{ms}ims​ → Електромагнітний момент Te∝irqT_e \propto i_{rq}Te​∝irq​
• Для одиничного коефіцієнта потужності, струм стимулювання повністю поставляється ротором (ims=irdi_{ms} = i_{rd}ims​=ird​)
• Після передчасної компенсації, регулюйте urdu_{rd}urd​ та urqu_{rq}urq​ для керування потоком та моментом ротора відповідно.

​3.2 Керування мережею​

• М'яке підключення до мережі:
1. Коли швидкість вітру досягає граничного значення, турбіна запускає генератор на мінімальну швидкість.
2. Активуйте конвертер, щоб відповідати напругі статора до мережі (амплітуда, фаза, частота).
3. Автоматична синхронізація при виконанні умов підключення до мережі.
• Відключення: Поступово розвантажуйте до стану без навантаження перед відключенням. Необхідно працювати в дозволеному діапазоні швидкостей.

​4 Векторний контроль мережевого прямокутника​
У двофазній синхронній обертальній системі координат (d-вісь вирівнюється з напругою фази A), модель PWM прямокутника є:
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​

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

​Логіка управління:​​

• Постійна напруга мережі → Регулюйте idi_did​ для керування активною потужністю; iqi_qiq​ для реактивної потужності.
• Рівняння управління з компенсацією напруги:
  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 Експериментальні результати​
​Основні перевірки:​​

• Надійне м'яке підключення до мережі в широкому діапазоні швидкостей;
• Незалежне регулювання коефіцієнта потужності (статор/мережа обидва досягають одиниці);
• Двостороння здатність потоку потужності AC/DC/AC конвертера відповідає потребам виробництва.

​6 Висновки​
Це дослідження розробляє двобічну вітрову систему з напругово-зв'язаним AC/DC/AC конвертером, керовану подвійними DSP. Разом з векторним контролем, орієнтованим на напругу мережевого боку, та векторним контролем, орієнтованим на потік статора роторного боку, експерименти демонструють:

1. Система досягає двостороннього потоку потужності та незалежного регулювання коефіцієнта потужності на вході та виході;
2. Низькі гармоніки та високий коефіцієнт потужності забезпечують якість електроенергії;
3. М'яке підключення/відключення до/від мережі зменшує механічні та електричні навантаження;
4. Застосовність для великомасштабних вітрових установок класу мегаватт.