TŁUMIENIE OSCYLACJI STRUMIENIA MAGNETYCZNEGO I MOCY MASZYNY DWUSTRONNIE ZASILANEJ

Transkrypt

1 Andrzej Popenda Politechnika Cztochowka, Cztochowa TŁUMIENIE OSCYLACJI STRUMIENIA MAGNETYCZNEGO I MOCY MASZYNY DWUSTRONNIE ZASILANEJ THE FLUX AND POWER OSCILLATION DAMPING IN DOUBLY FED MACHINE Abtract: The doubly fed machine (DFM) i ueful a a generator in wind power plant and hydro-electric power tation, a well a a haft generator on hip. Howeer, mall ocillation occur in almot each ytem with DFM independently of upply way if intermediate ariable hae been changed rapidly. The tator flux ector component form an ocillating ytem. Ocillation are ery weak damped and may be tranformed into tranient of power. Thee one can affect a work of other power ource and load connected together with DFM to the ame grid. The mentioned problem appeared in the literature ource eeral time. The effectie damping method conit in application of inere feedback to correct propertie of control ytem with DFM. The former tructure propoed by author include the damping feedback with ignal obtained from relationhip of induction machine mathematical model. Thi olution cannot be applied in practice due to big ditortion of ignal exiting in damping feedback. Aymmetrie of machine and inerter a well a non-linear characteritic of machine magnetic circuit are the mot probable reaon of thi ditortion. The ocillation may be damped in the DFM control ytem if the feedback contain ignal obtained by filtration of DFM actie and reactie power with the aid of band-pa filter applied for each component of the power. The tructure of uch ytem and inetigation reult are preented in the paper. 1. Wtp Mazyn dwutronnego zailania (MDZ) mona toowa w iłowniach wiatrowych i wodnych pracujcych ze zmienn prdkoci obrotow, jak równie w okrtowym ytemie elektroenergetycznym, wykorzytujcym rezerwy mocy napdu głównego. W odrónieniu od mazyn ynchronicznych, na których w wikzoci oparte konwencjonalne ytemy elektroenergetyczne, prdko ktowa MDZ nie jet jednoznacznie powizana z cztotliwoci indukowanego napicia, co znacznie ułatwia wybór napdu generatora. Charakterytyczn cech terowanej od trony wirnika MDZ jet wytpowanie łabo tłumionych ocylacji trumienia magnetycznego oraz czynnej i biernej mocy tojana. Ocylacje mog mie niekorzytny wpływ na prac innych generatorów i odbiorników, zczególnie w ytemach elektroenergetycznych małej mocy. Problem tłumienia zkodliwych ocylacji był poruzany w literaturze fachowej niejednokrotnie, m. in. [3, 4].. Struktura układu terowania MDZ Przemiennik cztotliwoci zaila w rozwaanym układzie uzwojenie wirnika MDZ, natomiat uzwojenie tojana jet przyłczone do ieci (ry. 1). Prd wirnika jet wielkoci terujc: jego amplituda i faza decyduj o wartociach mocy czynnej i biernej oddawanej z obwodów tojana do ieci. Cz wytworzonej w obwodach tojana energii jet dotarczana do przemiennika cztotliwoci, zazwyczaj za porednictwem tranformatora eparujco-obniajcego. Zawarty w przemienniku cztotliwoci napiciowy falownik PWM jet wypoaony w zamknite obwody regulacji prdu wyjciowego i wraz z MDZ tworzy obiekt regulacji. Prawidłow prac generatorow MDZ w konwencjonalnym ytemie elektroenergetycznym zapewniaj regulatory czynnej i biernej mocy tojana, które teruj przemiennikiem cztotliwoci. Regulacja mocy czynnej i biernej w układzie wpółrzdnych wirujcym z prdkoci ynchroniczn wie i z koniecznoci tranformacji wyjciowych ygnałów regulatorów do układu wpółrzdnych zwizanego z wirnikiem, w którym jet generowany prd wirnika. Kt połoenia wirnika, potrzebny jako argument w zalenociach tej tranformacji, przewanie jet mierzony za pomoc przetwornika kodowego. Opracowana przez autora truktura układu regulacji mocy MDZ, pracujcego bez czujnika kta połoenia wirnika [1], pozwala na oignicie podobnych właciwoci jak w układzie z przetwornikiem kodowym. Poaw do wyeliminowania przetwornika kodowego z układu regulacji mocy MDZ jet zatoowanie fazowego

2 przenia zwrotnego (ptla ynchronizacji fazy, z ang. PLL). x y p = Lix + Lmir (3) p + ( q + q ) 0 ( q + q0 ) U + ( q + q ) ω = Liy + Lmir (4) p 0 Ry. 1. Układ regulacji mocy MDZ z zatoowaniem PLL do owarzania połoenia wirnika 3. Dynamika terowanej prdowo MDZ Równania napiciowe terowanej prdowo MDZ w ortogonalnym układzie wpółrzdnych x-y zwizanym z wektorem napicia tojana (ieci) natpujce: dψ x R = L ψ x + ω ψ y RL + L m i rx + U (1) gdzie p, q czynna i bierna moc tojana, q 0 moc bierna przy biegu jałowym mazyny, okazało i w praktycznych rozwizaniach niekuteczne, głównie z powodów nieymetrii mazyny i przekztałtnika oraz naycenia obwodu magnetycznego mazyny. Zamiat ygnałów (3-4), naley zatoowa w odprzgajcych obwodach układu terowania odfiltrowane przebiegi mocy czynnej i biernej MDZ. Wykorzytane w tym celu filtry pamowo-przeputowe dotrojone do tałej cztotliwoci ocylacji mocy. Zmodyfikowan truktur układu terowania MDZ z zatoowaniem filtrów pamowo-przeputowych pokazano na ry.. dψy R R Lm = ψy ωψx + iry L L () gdzie: kładowe wektora trumienia tojana ψ x, ψ y zmiennymi tanu, a kładowe wektora prdu wirnika i rx, i ry wielkociami terujcymi. Zmiany napicia tojana U lub jego pulacji ω naley traktowa jako zakłócenia. Równania (1-) opiuj obiekt, którego zmienne tanu ocyluj po zmianie wielkoci terujcych lub po wytpieniu zakłócenia. Ze wzgldu na tounkowo mał warto rezytancji tojana R, ocylacje te wykazuj łab kłonno do zanikania. Ponao one równie obecne w przebiegach czynnej i biernej mocy tojana. 4. Tłumienie ocylacji MDZ Skuteczna metoda tłumienia ocylacji polega na zatoowaniu w trukturze terowania MDZ dodatkowych obwodów przenia zwrotnego, modyfikujcych wielkoci terujce. Proponowane pocztkowo przez autora [4] odprzenie równa (1-) za pomoc ygnałów: Ry.. Układ terowania MDZ tłumicy ocylacje Celem zatoowania filtrów pamowo-przeputowych w obwodach przenia zwrotnego jet wyeliminowanie kładowej tałej wytpujcej w przebiegach mocy czynnej i biernej oraz kładowej wyokocztotliwociowej pochodzcej od przekztałtnika. Odfiltrowane przebiegi p f mocy czynnej i q f mocy biernej wzmocnione κ razy w celu uzykania dotatecznej kutecznoci tłumienia ocylacji i modyfikuj zadane wielkoci terujce i rxz, i ryz.

3 5. Sterowanie MDZ w układzie ekperymentalnym Do bada ekperymentalnych wykorzytano mazyn piercieniow o mocy znamionowej 1,1 kw, napdzan obcowzbudnym ilnikiem prdu tałego o regulowanym napiciu twornika. W układzie ekperymentalnym zarówno prdko obrotowa, jak i prd twornika ilnika prdu tałego nie były objte regulacj, a zatem zmienno prdkoci obrotowej napdu przebiegała zgodnie z jego charakterytyk zewntrzn, w zalenoci od topnia obcienia MDZ moc czynn. Sterowanie MDZ za porednictwem falownika zrealizowano zgodnie ze chematem na ryunku 1, w oparciu o ytem mikroproceorowy. Do zada ytemu mikroproceorowego naley midzy innymi okreowe odczytywanie mierzonych wielkoci z przetworników a/c, obliczanie i terowanie czynn i biern moc oddawan do ieci, owarzanie kta połoenia wirnika, tranformacja wektorów wielkoci i terowa. Składowe wektora prdu tojana, mierzone za pomoc a/c, tranformowane z układu trójfazowego do nieruchomego, to jet zwizanego ze tojanem, układu wpółrzdnych protoktnych. Do tego celu wykorzytano zalenoci: iα = (ib ic ) / 3 (5) iβ = i b i c (6) Zalenoci wykorzytane do obliczenia kładowych wektora prdu wirnika analogiczne. Składowe wektora napicia tojana owarzane przy uyciu impulowej ptli fazowej [5]. Ponize zalenoci pozwalaj obliczy czynn i biern moc chwilow: p = uα iα + uβiβ (7) q = uαiβ uβiα (8) Regulatory mocy czynnej i biernej oraz kta fazowego α teruj układem zgodnie z algorytmem: ε = x z x (9) I 1 ( j) = I( j ) + εh (10) = k ε + k I( ) (11) c c1 c j gdzie c jet ygnałem wyjciowym z regulatora, k c1, k c tałe wpółczynniki, ε - błd regulacji, x, x z wielko regulowana oraz jej warto zadana, h krok całkowania, j = 1,, 3,.... Wytpujce w odprzgajcych obwodach ygnały p f, q f uzykiwane w wyniku filtracji mocy czynnej p i biernej q MDZ za pomoc filtrów pamowo-przeputowych. Ponize równanie róniczkowe drugiego rzdu opiuje kady z dwóch filtrów uytych w układzie: d d dx a f a f a 0f = b 1 (1) gdzie f jet ygnałem wyjciowym z filtra, a, a 1, a 0, b 1 tałe wpółczynniki, x ygnał wej- ciowy. Algorytm tych filtrów realizowany w ytemie mikroproceorowym jet natpujcy: f(j) = f(j 1) + k1x kf(j 1) k3if(j) (13) I f ( j) = If ( j 1) + f ( j) (14) gdzie k 1, k, k 3 tałe wpółczynniki, przy czym k 1 < k < k 3 < 1. Zmodyfikowane przez κp f, κq f zadane wielkoci terujce i rxz, i ryz tranformowane z układu wpółrzdnych x-y wirujcego z prdkoci ynchroniczn do układu biegunowego, a natpnie do układu trójfazowego u,, w zwizanego z wirnikiem. Wartoci trygonometrycznych funkcji i kofunkcji wytpujcych w zalenociach tranformacji umiezczone w potaci tablic w pamici mikroproceorowej. Oworzona w wyniku zatoowania PLL prdko ktowa wirnika ω t jet całkowana numerycznie: γ t( j) = γ t( j 1) + ωt h (15) a otrzymany w ten poób kt połoenia wirnika γ t jet dodany do zadanego kta fazowego α z i teruje przekztałtnikiem. 6. Wyniki bada Tetowano kuteczno obwodów odprzgajcych, zatoowanych w proponowanej trukturze, dla kilku wartoci wpółczynnika κ. Zarejetrowano przebiegi mocy p, q oraz odfiltrowanych wielkoci p f, q f od chwili włczenia układu (ry. 3, 4). Zmienne na oiach rzdnych wyraone w procentach znamionowej mocy pozornej MDZ, natomiat cza podano w miliekundach.

4 a) κ = 0 d) κ = 3 b) κ = 8 a) κ = 0 c) κ = 16 b) κ = 8 Ry. 3. Przebiegi czaowe w układzie tłumicym z ry., dla rónych wartoci parametru κ Ry. 4. Przebiegi czaowe w układzie tłumicym z ry., w krótkim przedziale czau

5 7. Dykuja wyników Do przeprowadzenia dykuji uzykanych wyników bada pomocne bd charakterytyki amplitudy ocylacji po ich tłumieniu oraz czau tłumienia ocylacji w zalenoci od wpółczynnika κ, wykre- lone w oparciu o uzykane przebiegi czaowe. Ry. 5. rednia amplituda ocylacji mocy po ich tłumieniu w zalenoci od wpółczynnika κ, przy czym κ = 0 oznacza brak tłumienia Poługujc i charakterytyk na ryunku 5 mona porówna wartoci amplitud ocylacji po zako-czeniu proceu tłumienia, dla rónych wartoci wpółczynnika κ. Naley zauway, e kutecz-no tłumienia wzrata ze wzrotem wartoci tego wpółczynnika. Ocylacje praktycznie nie tłumione w układzie z otwartymi obwodami odprzgajcymi (κ = 0). Dla κ = 8, 16, 3 amplituda ocylacji po ich tłumieniu jet mniejza ni 1%, lecz ocylacje całkowicie nie zanikaj. Ry. 6. Orientacyjny cza potrzebny na tłumienie ocylacji w zalenoci od wpółczynnika κ Korzytajc z charakterytyki na ryunku 6 mona porówna czay potrzebne na czciowe tłumienie ocylacji. Przy wyzych wartociach κ, z powodu coraz ilniejzych deformacji przebiegów mocy, cza tłumienia ocylacji maleje nieznacznie ze wzrotem κ. Dalze zwikzanie tego wpół-czynnika prowadzi do wydłuenia czau tłumienia ocylacji, a w konekwencji do utraty tabilnoci przez układ. Optymalne właciwoci układu tłumicego uzykuje i zatem dla κ = Wnioki Amplituda ocylacji mocy czynnej i biernej MDZ w badanym układzie, zawierajcym mazyn małej mocy, przy braku prze tłumicych tanowi ok. 5% nominalnej mocy pozornej mazyny. Ocylacje mog i przyczynia do pogorzenia tabilnoci ytemu elektroenergetycznego. Zaproponowano now truktur układu terowania MDZ, w której zatoowano dodatkowe obwody prze zwrotnych w celu wytłumienia ocylacji. Zawarte w ptlach odprzgajcych ygnały pochodz z filtracji czynnej i biernej mocy tojana MDZ. Skuteczno tłumienia ocylacji w badanym układzie zaley od wpółczynnika wzmocnienia κ odfiltrowanych ygnałów, lecz nadmierne zwikzanie tego wpółczynnika moe detabilizowa układ. Zaproponowana truktura jet niekomplikowana i nie wymaga duych mocy obliczeniowych. 9. Literatura [1]. Popenda A.: Analiza i badanie bezczujnikowego układu terowania prac prdnicow mazyny dwu-tronnie zailanej. Mieicznik Gopodarka Paliwami i Energi nr 9-10/004, Oficyna Wyd. Energia,. 4-7 []. Krzemiki Z., Popenda A., Ladach P., Melcer M.: Senorle control ytem of double fed induction machine with predictie current controller. Proceeding of Int. Conf. EPE 001, Graz Autria (on CD-ROM) [3]. Krzemiki Z.: Cyfrowe terowanie mazynami aynchronicznymi. PAN, Komitet Elektrotechniki, Wydawnictwo Politechniki Gdakiej 001 [4]. Popenda A.: Stany nieutalone i tabilno wybranych układów terowania mazyny aynchronicznej dwutronnie zailanej. Rozprawa doktorka, Politechnika Gdaka 1999 [5]. Popenda A.: Ptla ynchronizacji fazowej nie tylko w radiotechnice. Konferencja Modelowanie i Symulacja MiS. Zakopane Kocieliko, 000.