Budapest University of Technology and Economics Department of Electric Power Engineering
Szélgenerátorok és áramvektor szabályozásaik Dr.Veszprémi Károly Villamos Gépek és Hajtások Csoport 1/18
TARTALOM
TARTALOM
TTÍÍPUSOK PUSOK
Szélgenerátor típusok. A kétoldalról táplált aszinkron szélgenerátor. (DFIG) Mezőorientált és hálózatorientált szabályozások. Közvetlen szabályozások (nyomaték és fluxus valamint hatásos és meddő teljesítmény). Szimulációs eredmények. Energiatárolás lendkerékkel. Járulékos szolgáltatások.
DFIG DFIG MEZ. MEZ. OR. OR. FFáázis zisááramok ramok dd--qq rotor rotor DTC DTC--DPC DPC SZIMUL SZIMULÁ ÁCI CIÓ Ó SVPWM SVPWM 11 SVPWM SVPWM 22 SVPWM SVPWM 33 DTC DTC--DPC DPC LENDKE LENDKE-R RÉÉK K Sebess Sebesséégg limit limit Telj. Telj. limit limit JJÁ ÁRUL RULÉÉKOS KOS Felh Felh.. Aszimm Aszimm.. 2/18
TARTALOM TARTALOM
A preferáltak a változó fordulatszámúak (frekvenciaváltós). A frekvenciaváltó tipikusan közbülső egyenáramú körös. Az áramirányítók vezérlése áramvektor szabályozás, cél: Optimális nyomatékképzés. Optimális hálózatra csatlakozás (cosϕ=1, szinuszos).
TÍ PUSOK DFIG DFIG MEZ. MEZ. OR. OR. FFáázis zisááramok ramok dd--qq rotor rotor DTC DTC--DPC DPC SZIMUL SZIMULÁ ÁCI CIÓ Ó SVPWM SVPWM 11 SVPWM SVPWM 22 SVPWM SVPWM 33 DTC DTC--DPC DPC LENDKE LENDKE-R RÉÉK K Sebess Sebesséégg limit limit Telj. Telj. limit limit JJÁ ÁRUL RULÉÉKOS KOS Felh Felh.. Aszimm Aszimm.. 3/18
TARTALOM TARTALOM
A kétoldalról táplált csúszógyűrűs aszinkron szélgenerátort nagy teljesítményeken gyakran alkalmazzák, mert:
TTÍÍPUSOK PUSOK DFIG
• A sebesség változtatás szokásos tartománya ±33% a szinkronpont körül → az áramirányítók típusteljesítménye: Pn/3. • CL áramvektor szabályozása szinuszos hálózati áramot, egységnyi teljesítmény tényezővel képes produkálni. • CM áramvektor szabályozása egységnyi teljesítmény tényzőjű állórész áramot szolgáltat (a rotor áramot sztátor fluxus orientáltan közvetlenül szabályozza, a sztátor áramot pedig közvetetten). • Sőt, az eredő hálózati áram akár kapacitív is lehet. • Mind motoros hajtás, mind generátoros fékezés is lehetséges.
CM
CL
idc
DTC DTC--DPC DPC
il
i f1=fl
MEZ. MEZ. OR. OR. FFáázis zisááramok ramok dd--qq rotor rotor
ii TR
ir
Udc
IM
Cdc
w
Current vector controller
Current vector controller
SZIMUL SZIMULÁ ÁCI CIÓ Ó SVPWM SVPWM 11 SVPWM SVPWM 22 SVPWM SVPWM 33 DTC DTC--DPC DPC LENDKE LENDKE-R RÉÉK K Sebess Sebesséégg limit limit Telj. Telj. limit limit JJÁ ÁRUL RULÉÉKOS KOS Felh Felh.. Aszimm Aszimm.. 4/18
TARTALOM TARTALOM
f1=fl
Mező és háló zat orientált szabályozá s
IM Cβ
udc CM
P meas.
GC
βref
CCU pl
TTÍÍPUSOK PUSOK
CL
wref
Udcref
pl
CCU: Central Control Unit, ez állítja a lapátszög alapjelét (βref) és a szögsebesség optimális alapjelét (wref). GC: Szabályozza a szögsebességet (w) CM-mel és a dc kör feszültségét (udc) CL-lel. Mindig van egy a szögsebesség szabályozásnak alárendelt nyomaték szabályozás, mivel a sebesség szabályozó (CW) állítja a nyomaték alapjelet (mref) ami meghatározza a nyomatékképző rotor áram komponenst: i rqref= −mref/ψ. Az állórész fluxus nagyságát (ψ) egy gépmodell számolja. A fluxus képző áram komponens alapjelét (idref) szintén beállíthatjuk. Ez közvetlenül meghatározza az állórészáram meddő komponensét és közvetve az állórész meddő teljesítményét (q=Ulid). A rotoráram irdref és az állórész áram idref fluxusképző komponensei közötti kapcsolat: i rdref=ψ/Lm−i dref .
DFIG DFIG MEZ. OR.. FFáázis zisááramok ramok dd--qq rotor rotor DTC DTC--DPC DPC SZIMUL SZIMULÁ ÁCI CIÓ Ó SVPWM SVPWM 11 SVPWM SVPWM 22 SVPWM SVPWM 33 DTC DTC--DPC DPC LENDKE LENDKE-R RÉÉK K Sebess Sebesséégg limit limit Telj. Telj. limit limit JJÁ ÁRUL RULÉÉKOS KOS Felh Felh.. Aszimm Aszimm.. 5/18
TARTALOM TARTALOM
⇓
udc
wref
CW
mref
irqref
iraref irb ref
irdref
ircref
CIA CIB CIC
ucra ucrb ucrc
irqref
iraref, irbref , ircref ⇓ Hagyományos áramszabályozók (CIA, CIB, CIC) ⇓ CM-t háromfázisú PWM modulátor vezérli.
TTÍÍPUSOK PUSOK DFIG DFIG
Machine Model
idref
irdref
CM
IM
3-phase PWM
Mezőorientált szabályozá s f ázis áramokkal
• E verziónak előnye az állandó kapcsolási frekvencia. • A szaggatott vonallal keretezett részt kétpont szabályozással is meg lehet valósítani. Ilyenkor a fázisáram változás sávja (∆I) adható meg, és változik a kapcsolási frekvencia.
MEZ. OR. Fá zis zisá á ramok dd--qq rotor rotor DTC DTC--DPC DPC SZIMUL SZIMULÁ ÁCI CIÓ Ó SVPWM SVPWM 11 SVPWM SVPWM 22 SVPWM SVPWM 33 DTC DTC--DPC DPC LENDKE LENDKE-R RÉÉK K Sebess Sebesséégg limit limit Telj. Telj. limit limit JJÁ ÁRUL RULÉÉKOS KOS Felh Felh.. Aszimm Aszimm.. 6/18
IM
CM
udc
wref idref
ira, irb, irc ⇓ ird irq ⇓ CIQ, CID (hagyományos) ⇓ ucd ucq ⇓ ucrx ucry ⇓ CM-t térvektoros PWM (SVPWM) vezérli.
CW
mref
TTÍÍPUSOK PUSOK DFIG DFIG
Machine Model
irqref
CIQ irdref
CID
ucq
ucrx
ucd
ucry
SVPWM
Mezőorientált szabályozá s d-q rotoráram komponensekkel
TARTALOM TARTALOM
• E verziónak előnye az állandó kapcsolási frekvencia. • Hátránya az igényelt két koordináta transzformáció.
MEZ. OR. FFáázis zisááramok ramok d-q rotor DTC DTC--DPC DPC SZIMUL SZIMULÁ ÁCI CIÓ Ó SVPWM SVPWM 11 SVPWM SVPWM 22 SVPWM SVPWM 33 DTC DTC--DPC DPC LENDKE LENDKE-R RÉÉK K Sebess Sebesséégg limit limit Telj. Telj. limit limit JJÁ ÁRUL RULÉÉKOS KOS Felh Felh.. Aszimm Aszimm.. 7/18
TARTALOM TARTALOM
K özvetlen szabályozá sok: DTC és DPC
TTÍÍPUSOK PUSOK
IM
CM
udc DFIG DFIG
Ezek közvetlenül szabályozzák az m nyomatékot (ill. p hatásos teljesítményt) és a ψr rotor fluxus amplitúdót (ill. a q meddőteljesítményt).
Direct Torque Control
Machine Model wref
CW
idref
m ref
ψrref
MEZ. MEZ. OR. OR. FFáázis zisááramok ramok dd--qq rotor rotor
irdref
A ψ rref alapjel a vizsgált esetben: ψ rref = ψ 2rdref + ψ 2rqref ≈ ψ rdref = ψ + Lr′ irdref
• Végeredményben az ezeket meghatározó rotoráram komponenseket (i rd, irq) indirekt módon szabályozzák. • Előnye a jó dinamika és a robusztus viselkedés. • Nem igényel koordináta transzformációt, de a gépmodell elég bonyolult.
DTC--DPC DTC SZIMUL SZIMULÁ ÁCI CIÓ Ó SVPWM SVPWM 11 SVPWM SVPWM 22 SVPWM SVPWM 33 DTC DTC--DPC DPC LENDKE LENDKE-R RÉÉK K Sebess Sebesséégg limit limit Telj. Telj. limit limit JJÁ ÁRUL RULÉÉKOS KOS Felh Felh.. Aszimm Aszimm.. 8/18
TARTALOM TARTALOM
Szimulációs [pu] eredmények SVPWM (1)
Szinkron felett
1.5
w
1
0.5
Szinkron alatt
pr=m(w1 -w)
0
TTÍÍPUSOK PUSOK DFIG DFIG MEZ. MEZ. OR. OR. FFáázis zisááramok ramok dd--qq rotor rotor
t DTC DTC--DPC DPC
-0.5
m
-1
pm=mw -1.5 0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
[pu]
motor generátor A folyamat (viszonylagos értékek): • Gyorsítás w=0.7-ről wref=1.111-re • Kezdeti értékek: ψ=1, id=ψ/Lm=0.5, iq=0, ird=0, irq=0. Fő adatok: (viszonylagos értékek) • Ul=1; Udc=3=const.; Lm=2, =0.2, R=Rr=0.02; idref=0; 5.23kHz kapcsolási frekvencia.
SZIMULÁCI SZIMULÁ CIÓ Ó SVPWM 1 SVPWM SVPWM 22 SVPWM SVPWM 33 DTC DTC--DPC DPC LENDKE LENDKE-R RÉÉK K Sebess Sebesséégg limit limit Telj. Telj. limit limit JJÁ ÁRUL RULÉÉKOS KOS Felh Felh.. Aszimm Aszimm.. 9/18
TARTALOM TARTALOM
TTÍÍPUSOK PUSOK
Szimulációs eredmények SVPWM (2) Park-vektorok
DFIG DFIG MEZ. MEZ. OR. OR. FFáázis zisááramok ramok dd--qq rotor rotor DTC DTC--DPC DPC SZIMULÁCI SZIMULÁ CIÓ Ó SVPWM SVPWM 11 SVPWM 2 SVPWM SVPWM 33 DTC DTC--DPC DPC
A rotoráram rotor koordináta rendszerben
A rotoráram vektor forgásirány váltása jól megfigyelhető, ami a szinkron szögsebességen való átmenetnek a következménye.
LENDKE LENDKE-R RÉÉK K Sebess Sebesséégg limit limit Telj. Telj. limit limit JJÁ ÁRUL RULÉÉKOS KOS Felh Felh.. Aszimm Aszimm.. 10/18
TARTALOM TARTALOM
Szimulációs eredmények SVPWM (3) Park-vektorok
TTÍÍPUSOK PUSOK DFIG DFIG MEZ. MEZ. OR. OR. FFáázis zisááramok ramok dd--qq rotor rotor DTC DTC--DPC DPC
A rotoráram d-q koordináta rendszerben
A sztátor áram d-q koordináta rendszerben
A sztátor és a rotoráram d komponensek a fluxusképzésben szerepet cseréltek. A q komponensek motoros/generátoros előjelváltása is megfigyelhető.
SZIMULÁCI SZIMULÁ CIÓ Ó SVPWM SVPWM 11 SVPWM SVPWM 22 SVPWM 3 DTC DTC--DPC DPC LENDKE LENDKE-R RÉÉK K Sebess Sebesséégg limit limit Telj. Telj. limit limit JJÁ ÁRUL RULÉÉKOS KOS Felh Felh.. Aszimm Aszimm.. 11/18
Szimulációs eredmények DTC-DPC Park-vektorok Kezdetben az állórész fedezi a meddő teljesítményt (isd≈0,5), majd ezt a szerepet átveszi a szabályozott forgórész (ird≈ψ s/Lm≈0.5). Ha a hálózatoldali áramirányító (CL) szintén egységnyi teljesítménytényezőre van szabályozva (DPC elven), akkor az eredő hálózati teljesítmény tényező is egy lesz. ry
q
1
β
q
ir
ir
rx
0
d 0
α
d 0
0
is
iλ
-1 -1
0
1
TARTALOM TARTALOM
TTÍÍPUSOK PUSOK DFIG DFIG MEZ. MEZ. OR. OR. FFáázis zisááramok ramok dd--qq rotor rotor DTC DTC--DPC DPC SZIMULÁCI SZIMULÁ CIÓ Ó SVPWM SVPWM 11 SVPWM SVPWM 22 SVPWM SVPWM 33 DTC--DPC DTC LENDKE LENDKE-R RÉÉK K Sebess Sebesséégg limit limit Telj. Telj. limit limit JJÁ ÁRUL RULÉÉKOS KOS Felh Felh.. Aszimm Aszimm.. 12/18
0
0
0
A sztochasztikusan rendelkezésre álló szélenergia akkor lehet igazán hálózat (és rendszerirányító) barát, ha energiatárolót alkalmazunk. A változás különböző spektrumaira különböző tárolási elvek használhatók. A rövididejű (turbulens, max. 1-2 perces) változások kompenzálására lendítőkereket lehet alkalmazni. A hajtás, az elektronika, az áramirányítók vezérlési elvei ugyanazok, mint a szélgenerátornál. A hálózatoldali áramirányító megspórolható, ha az alábbi módon alakítjuk ki a rendszert: CM SG v
p
G
ω
CFWM
iFW
fFW JFW
IFW ω FW
CL
i C
f1 a b c
FWa FWb FWc
iL
iG
p
FW
C
u dc
La Lb Lc
fL p
L
TARTALOM TARTALOM
TTÍÍPUSOK PUSOK DFIG DFIG MEZ. MEZ. OR. OR. FFáázis zisááramok ramok dd--qq rotor rotor DTC DTC--DPC DPC SZIMUL SZIMULÁ ÁCI CIÓ Ó SVPWM SVPWM 11 SVPWM SVPWM 22 SVPWM SVPWM 33 DTC DTC--DPC DPC LENDKELENDKERÉK Sebess Sebesséégg limit limit Telj. Telj. limit limit JJÁ ÁRUL RULÉÉKOS KOS Felh Felh.. Aszimm Aszimm.. 13/18
A fordulatszám korlátok elérésének hatása
TARTALOM TARTALOM
TTÍÍPUSOK PUSOK DFIG DFIG MEZ. MEZ. OR. OR. FFáázis zisááramok ramok dd--qq rotor rotor DTC DTC--DPC DPC SZIMUL SZIMULÁ ÁCI CIÓ Ó SVPWM SVPWM 11 SVPWM SVPWM 22 SVPWM SVPWM 33 DTC DTC--DPC DPC LENDKELENDKERÉK Sebesséé g limit Sebess Telj. Telj. limit limit JJÁ ÁRUL RULÉÉKOS KOS Felh Felh.. Aszimm Aszimm.. 14/18
TARTALOM TARTALOM
Teljesítményben is elérhetjük a korlátot
TTÍÍPUSOK PUSOK DFIG DFIG
• Fordulatszám korlát: 4, 8, 12
MEZ. MEZ. OR. OR. FFáázis zisááramok ramok dd--qq rotor rotor
• Teljesítmény korlát: 6, 10
DTC DTC--DPC DPC SZIMUL SZIMULÁ ÁCI CIÓ Ó SVPWM SVPWM 11 SVPWM SVPWM 22 SVPWM SVPWM 33 DTC DTC--DPC DPC LENDKELENDKERÉK Sebess Sebesséégg limit limit Telj. limit JJÁ ÁRUL RULÉÉKOS KOS Felh Felh.. Aszimm Aszimm.. 15/18
Az áramirányítók járulékos feladatokat is képesek ellátni, akár szélmentes időben is:
TARTALOM TARTALOM
TTÍÍPUSOK PUSOK
1. Aktív felharmonikus szűrés. 2. Meddőkompenzálás. 3. Aszimmetrikus terhelés kompenzálása. ∆iref ua uλa
DFIG DFIG MEZ. MEZ. OR. OR. FFáázis zisááramok ramok dd--qq rotor rotor DTC DTC--DPC DPC
LOAD Sens.
Lλ
Rλ iλa
~
iL a
~
a ia b
CU
αλ
iprefo i pref
pq
u dc
iaref ibref
iqref
iqrefo
abc ∆i pref
∆iqref
icref
ia ib ic u CIA ca u CIB cb u CIC cc
G
Da Db Dc 3Ph-PWM
SYNC
idcg CG
Cdc R dc idcC udc
c
~
udcref
CL idcλ
Da
SZIMUL SZIMULÁ ÁCI CIÓ Ó SVPWM SVPWM 11 SVPWM SVPWM 22 SVPWM SVPWM 33 DTC DTC--DPC DPC LENDKE LENDKE-R RÉÉK K Sebess Sebesséégg limit limit Telj. Telj. limit limit
Db Dc
JÁRUL RULÉ ÉKOS Felh Felh.. Aszimm Aszimm.. 16/18
TARTALOM TARTALOM
Aktív felharmonikus szűrés és meddő kompenzálás (áramirányító felharmonikusai és meddőigénye)
TTÍÍPUSOK PUSOK DFIG DFIG MEZ. MEZ. OR. OR. FFáázis zisááramok ramok dd--qq rotor rotor DTC DTC--DPC DPC SZIMUL SZIMULÁ ÁCI CIÓ Ó SVPWM SVPWM 11 SVPWM SVPWM 22 SVPWM SVPWM 33 DTC DTC--DPC DPC LENDKE LENDKE-R RÉÉK K Sebess Sebesséégg limit limit Telj. Telj. limit limit JÁRUL RULÉ ÉKOS Felh.. Felh Aszimm Aszimm.. 17/18
TARTALOM TARTALOM
TTÍÍPUSOK PUSOK
Aszimmetrikus terhelés és meddő kompenzálás
DFIG DFIG MEZ. MEZ. OR. OR. FFáázis zisááramok ramok dd--qq rotor rotor DTC DTC--DPC DPC SZIMUL SZIMULÁ ÁCI CIÓ Ó SVPWM SVPWM 11 SVPWM SVPWM 22 SVPWM SVPWM 33 DTC DTC--DPC DPC LENDKE LENDKE-R RÉÉK K Sebess Sebesséégg limit limit Telj. Telj. limit limit JÁRUL RULÉ ÉKOS Felh Felh.. Aszimm.. Aszimm 18/18
