КОНТРОЛЬ ПРИМЕНЯЕМЫХ ГЕНЕРАТОРОВ НА ПОСТОЯННЫХ МАГНИТАХ К ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ СИСТЕМАМ С РЕГУЛИРУЕМОЙ СКОРОСТЬЮ, ПОДКЛЮЧЕННЫМ К СЕТИ

Введение

Генерация электроэнергии с переменной скоростью позволяет работать турбине с максимальным коэффициентом мощности в широком диапазоне скоростей ветра, получая больший захват энергии от ветра. Одна из проблем, связанных с современными ветряными системами с регулируемой скоростью, — это наличие редуктора, соединяющего ветряную турбину с генератором. Этот механический элемент имеет значительные неисправности и увеличивает расходы на обслуживание.

Для повышения надежности ветряной мельницы и уменьшения расходов на техническое обслуживание коробки передач могут быть устранены. Постоянные магниты могут использоваться для замены обмотки возбуждения синхронных машин из-за снижения цены на магниты и улучшения характеристик магнитного материала. Возбуждение постоянными магнитами позволяет нам использовать меньший шаг полюсов, чем у обычных генераторов, поэтому эти машины могут быть спроектированы для вращения с номинальной скоростью 20–200 об / мин, в зависимости от номинальной мощности генератора.

Рисунок 1. Схемы управления выпрямителем

Рисунок 2. Схема управления инвертором.

Некоторые производители ветряных генераторов включают в свои ветряные турбины многополюсные генераторы с постоянными магнитами (например, Jeumont, Lagerwey). Вся система (см. Рис. 1 и 2) состоит из установленного на поверхности генератора с постоянными магнитами и преобразователя частоты, который позволяет работать с регулируемой скоростью. Адаптируя изменения скорости турбины в зависимости от ветра, можно получить максимальную мощность от падающего ветра.

Основная цель этой работы - точный выбор компонентов системы (генератор, преобразователь, сетевой фильтр), а также конструкция и реализация контура управления, чтобы извлечь максимальную мощность из ветра. Для достижения этой цели применяются соответствующие активные составляющие тока генератора. Системы преобразования энергии ветра с переменной скоростью широко обсуждались в библиографии. В управлении ветряной турбиной с регулируемой скоростью и индукционным генератором с двойным питанием представлено с экспериментальными результатами. Преобразователь мощности в таких генераторах должен быть рассчитан только на мощность ротора (номинал преобразователя мощности зависит от диапазона скорости). Показано управление генератором с регулируемой частотой вращения на постоянных магнитах с диодным выпрямителем, за которым следует прерыватель постоянного тока. При такой конфигурации управление коэффициентом мощности генератора невозможно, что, в свою очередь, влияет на эффективность генератора.

Описание прототипа и осуществление контроля

2.1 Генератор постоянного магнита и подключение к сети

Используемый синхронный генератор на постоянных магнитах имел мощность 3 кВт, 220 В (трехфазная обмотка статора звездой) и 375 об / мин (16 полюсов). Магниты NdFeB обеспечивают надлежащую плотность магнитного потока в воздушном зазоре. Сопротивление обмотки и индуктивность (полученные в результате лабораторных испытаний) составляют соответственно RS = 2,4 Ом и LS = 51 мГн. Положение ротора определяется энкодером, выдающим 1500 импульсов на оборот. Преобразователь частоты состоит из двух мостов на биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT); подключенный к генератору работает как импульсный выпрямитель; другой, подключенный к сети, работает как инвертор с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Оба они имеют шесть IGBT (600 В, 15 А). В звене постоянного тока используется конденсатор емкостью 600 мкФ, 800 В.

Индуктивный фильтр был разработан для ограничения инжекции гармонического тока в сеть в соответствии с требованиями IEC 61000-3-2. Частота переключения составляла 3 кГц. Для подключения к сети использовался трансформатор (400/230 В), чтобы инвертор мог работать с опережающим коэффициентом мощности. Результирующая индуктивность подключения к сети, включая реактивное сопротивление короткого замыкания трансформатора, составила 4 мГн.

2.2 Управление преобразователем мощности

Управление в реальном времени было реализовано на двух платах dSPACE, по одной для каждого преобразователя мощности. Время выборки для управления генератором (175 мкс) больше, чем для управления сетевым инвертором, поскольку первый обеспечивает опорный крутящий момент турбины помимо соответствующих импульсных сигналов ШИМ. Кроме того, на плате контроллера генератора должна получить позицию опорного угла и скорость генератора от сигналов импульсного датчика. Расчеты управления инвертором проще, так как опорный угол, необходимый для векторного управления, получается из пересечения нулевого напряжения линии, что позволяет сократить время выборки (130 мкс). Датчики Холла используются для захвата необходимых сигналов тока и напряжения.

Контроль постоянного магнита, генераторный преобразователь

Чтобы получить динамическую модель электрического генератора, которая легко позволяет нам определить систему управления генератором, уравнения генератора проецируются на опорную систему координат, вращающуюся синхронно с магнитным потоком.

Динамическая модель поверхностного генератора с постоянными магнитами в системе отсчета магнитного потока представлена в уравнении (1) и имеет следующий вид:

                                   (1)

где LS и RS - индуктивность и сопротивление генератора соответственно, ω - частота вращения генератора, а Ψ - магнитный поток.

Электромагнитный момент определяется выражением:

                                                             (2)

где p - номер пары полюсов. Уравнение (2) показывает, что крутящим моментом генератора можно управлять непосредственно квадратурной составляющей тока. На рис. 1 показана принципиальная схема контуров управления преобразователя на стороне генератора на постоянных магнитах. Опорная составляющая тока по прямой оси получается с помощью значения f (Ω), чтобы минимизировать потери мощности.

Необходимые компоненты d – q вектора напряжения выпрямителя выводятся из двух пропорционально-интегральных (ПИ) регуляторов тока: один из них управляет составляющей тока по оси d, а другой - составляющей по оси q. Условия компенсации добавлены для улучшения динамического отклика. Управление требует измерения токов статора, постоянного напряжения и положения ротора. Пространственно-векторная модуляция (SVM) используется для генерации сигналов переключения для полупроводников преобразователя мощности.

Управление линейным преобразователем

Динамическая модель подключения к сети при выборе системы отсчета, вращающейся синхронно с пространственным вектором напряжения сети, имеет вид

где L и R - индуктивность и сопротивление сети соответственно, а u_id и u_iq - составляющие напряжения инвертора. Если система отсчета ориентирована вдоль напряжения питания, вектор напряжения сети равен:

Тогда активную и реактивную мощность можно выразить как:

Управление активной и реактивной мощностью может быть достигнуто путем управления составляющими постоянного и квадратурного тока соответственно. Управление этим преобразователем очень похоже на управление генератором. Два контура управления используются для управления активной и реактивной мощностью соответственно (рис. 2).

Внешний контур регулирования напряжения постоянного тока используется для установки D-ось опорного тока для активного управления мощностью. Это гарантирует, что вся мощность, поступающая от выпрямителя, мгновенно передается инвертором в сеть.

Заключение

В этой работе показаны характеристики синхронного генератора с постоянным магнитом с прямым приводом, используемого в ветроэнергетических системах переменной скорости. При возбуждении системы реальным профилем ветра система может отслеживать максимальную мощность, используя генерируемую мощность в качестве входной. Контроллер скорости устанавливает команду крутящего момента генератора, которая достигается посредством контура регулирования тока. Предложено эффективное управление генератором.

Для достижения этой цели преобразователь мощности задает оптимальную составляющую тока генератора по оси d, то есть ток, который приводит к минимальным потерям. Предлагаемая система была реализована в приложении реального времени с коммерческим синхронным генератором на постоянных магнитах и приводом постоянного тока, который имитирует поведение ветряной турбины.

Список литературы:

1. Валеев, Р.Г. Повышение уровня электробезопасности в электрических сетях напряжением до 1000 В при однофазных коротких замыканиях [Текст]: дис.....канд. тех. наук: 05.26.01. – Челябинск, 2014. – 220 с. 2. Кабышев А.В. Электроснабжение объектов. Ч.
2. Расчет токов короткого замыкания в электроустановках до 1000 В: учебное пособие / А.В. Кабышев. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009 – 168 с. .ГОСТ 28249-93. Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1кВ.— Введ. 1995–01–01.— М.: ИПК Изд-во стандартов, 2003.