regulacija napetosti in frekvence asinhronskega ...ev.fe.uni-lj.si/1-2002/memisevic.pdf ·...

7
Elektrotehniˇ ski vestnik 69(1): 20–26, 2002 Electrotechnical Review, Ljubljana, Slovenija Regulacija napetosti in frekvence asinhronskega generatorja v avtonomnem omreˇ zju Rizah Memiˇ sevi´ c 1 , Vanja Ambroˇ ziˇ c 2 , Janez Nastran 2 1 Fakultet elektrotehnike, Franjevaˇ cka 2, 75 000 Tuzla, Bosna in Hercegovina 2 Fakulteta za elektrotehniko, Trˇ zaˇ ska 25, 1000 Ljubljana, Slovenija E-poˇ sta: [email protected], vanjaa, [email protected] Povzetek. V delu so prikazani trije naˇ cini napetostne in frekvenˇ cne regulacije asinhronskega generatorja v samostojnem omreˇ zju. Dva pristopa slonita na asinhronskem generatorju s kratkostiˇ cno kletko, ki je krmiljen s tokovnim virom, tretji pa na VSCF generatorju. Rezultati simulacij so podani za vse tri naˇ cine, za prvega pa tudi eksperimentalni rezultati. Kljuˇ cne besede: asinhronski generator, avtonomno omreˇ zje, aktivni filter Voltage and Frequency Control of the Asynchronous Generator in a Stand- Alone Network Extended abstract. Exploitation of small hydroelectric power plants, especially in countries rich in running water, such as Bosnia and Herzegovina and Slovenia, has become very impor- tant due to the increased power consumption. Asynchronous generators (AG) are very suitable for this purpose since they can be controlled through power electronics devices instead of using the mechanical control of water turbines. In this paper, three possible approaches to the control of an AG are presented. In the first approach (the so-called “controlled impedance”), the active and reactive power are controlled through the trigger- ing angle (α) and the duration of the PWM pulses (αPWM), following the relations for the inductive ((2), (3)) and the ca- pacitive load character. The simulation results are presented on Fig. 7, whereas the results on the laboratory model are shown on Figs. 8 and 9. In the second approach, the p q reference frame theory is described with a scheme on Fig. 10. The simulation results are in Fig. 11. The third method is suitable for the doubly fed AG. The ro- tor control loop is responsible for the flux orientation, while the stator converter controls the capacitor voltage that compensates the active and reactive power (Fig. 12). A comparison of the three methods shows that the best re- sults are obtained with the second method, since the voltage RMS change resulting from load variations is 3.2 %. However, the remaining two methods also show satisfactory results. In all the cases the current and voltage distortions are small. Key words: asynchronous generator, stand-alone network ac- tive filter 1 Uvod Nenehna rast porabe elektriˇ cne energije, vkljuˇ cno s pro- blemi onesnaˇ zevanja ter zmanjˇ sanjem rezerv konven- Prejet 14. junij, 2001 Odobren 20. januar, 2002 cionalnih virov so razlog za intenzivne raziskave na po- droˇ cju izrabe nekonvencionalnih virov energije, kot so moˇ c vetra, plime in oseke, bioplinov ter malih vodnih tokov. V BiH in Sloveniji so slednji le delno izkoriˇ ceni. V malih hidroelektrarnah imajo asinhronski genera- torji (AG) veliko prednost pred sinhronskimi zaradi ro- bustnosti, niˇ zje cene ter laˇ zjega in cenejˇ sega vzdrˇ zevanja. Pri analizi delovanja asinhronskih generatorjev raz- likujemo vzporedni pogon z obstojeˇ cim omreˇ zjem, iz katerega se ˇ crpa reaktivna energija za magnetenje ter de- lovanje v avtonomnem omreˇ zju. V prvem primeru sta regulacija turbine in napetosti odveˇ cni, oddajanje moˇ ci je samonastavljivo in ustreza trenutni moˇ ci pogonskega stroja [1, 2]. Najveˇ cji problem pri aplikaciji asinhronskega genera- torja v avtonomnem omreˇ zju je nezmoˇ znost proizvodnje reaktivne moˇ ci za lastno magnetenje ter za potrebe porab- nika. Njeno regulacijo lahko izvedemo s pomoˇ cjo krmil- jenega vira reaktivne moˇ ci [3, 4], kar pa ˇ se ne zadostuje za vzdrˇ zevanje konstantne efektivne vrednosti napetosti in konstantne frekvence. Za regulacijo aktivne moˇ ci in frekvence je potreben turbinski regulator. AG z lastnim zbujanjem (Self- Excited Induction Generators - SEIG) so se uveljavili zlasti pri izkoriˇ canju energije vetra in vode, ˇ cedalje pogosteje pa se uporabljajo razliˇ cice, ki jih pogan- jajo neregulirane turbine [5]. Napetostne razmere SEIG v avtonomnem omreˇ zju lahko izboljˇ samo, ˇ ce hkrati z vzporedno prikljuˇ cenimi kondenzatorskimi baterijami za samovzbujanje upora- bimo serijsko kompenzacijo [6]. To je najcenejˇ si naˇ cin izboljˇ sanja napetostnih razmer, ki je hkrati neobˇ cutljiv na

Upload: lediep

Post on 02-Feb-2018

233 views

Category:

Documents


5 download

TRANSCRIPT

Page 1: Regulacija napetosti in frekvence asinhronskega ...ev.fe.uni-lj.si/1-2002/memisevic.pdf · Regulacija napetosti in frekvence asinhronskega generatorja v avtonomnem omreˇzju 21 spremembo

Elektrotehniski vestnik 69(1): 20–26, 2002Electrotechnical Review, Ljubljana, Slovenija

Regulacija napetosti in frekvence asinhronskegageneratorja v avtonomnem omrezju

Rizah Memisevic1, Vanja Ambrozic2, Janez Nastran2

1 Fakultet elektrotehnike, Franjevacka 2, 75 000 Tuzla, Bosna in Hercegovina2 Fakulteta za elektrotehniko, Trzaska 25, 1000 Ljubljana, SlovenijaE-posta: [email protected], vanjaa, [email protected]

Povzetek. V delu so prikazani trije nacini napetostne in frekvencne regulacije asinhronskega generatorja vsamostojnem omrezju. Dva pristopa slonita na asinhronskem generatorju s kratkosticno kletko, ki je krmiljen stokovnim virom, tretji pa na VSCF generatorju. Rezultati simulacij so podani za vse tri nacine, za prvega pa tudieksperimentalni rezultati.

Kljucne besede: asinhronski generator, avtonomno omrezje, aktivni filter

Voltage and Frequency Control of the Asynchronous Generator ina Stand- Alone Network

Extended abstract. Exploitation of small hydroelectric powerplants, especially in countries rich in running water, such asBosnia and Herzegovina and Slovenia, has become very impor-tant due to the increased power consumption. Asynchronousgenerators (AG) are very suitable for this purpose since theycan be controlled through power electronics devices instead ofusing the mechanical control of water turbines. In this paper,three possible approaches to the control of an AG are presented.

In the first approach (the so-called “controlled impedance”),the active and reactive power are controlled through the trigger-ing angle (α) and the duration of the PWM pulses (αPWM ),following the relations for the inductive ((2), (3)) and the ca-pacitive load character. The simulation results are presented onFig. 7, whereas the results on the laboratory model are shownon Figs. 8 and 9.

In the second approach, the p− q reference frame theory isdescribed with a scheme on Fig. 10. The simulation results arein Fig. 11.

The third method is suitable for the doubly fed AG. The ro-tor control loop is responsible for the flux orientation, while thestator converter controls the capacitor voltage that compensatesthe active and reactive power (Fig. 12).

A comparison of the three methods shows that the best re-sults are obtained with the second method, since the voltageRMS change resulting from load variations is 3.2 %. However,the remaining two methods also show satisfactory results. In allthe cases the current and voltage distortions are small.

Key words: asynchronous generator, stand-alone network ac-tive filter

1 Uvod

Nenehna rast porabe elektricne energije, vkljucno s pro-blemi onesnazevanja ter zmanjsanjem rezerv konven-

Prejet 14. junij, 2001Odobren 20. januar, 2002

cionalnih virov so razlog za intenzivne raziskave na po-drocju izrabe nekonvencionalnih virov energije, kot somoc vetra, plime in oseke, bioplinov ter malih vodnihtokov. V BiH in Sloveniji so slednji le delno izkorisceni.

V malih hidroelektrarnah imajo asinhronski genera-torji (AG) veliko prednost pred sinhronskimi zaradi ro-bustnosti, nizje cene ter lazjega in cenejsega vzdrzevanja.

Pri analizi delovanja asinhronskih generatorjev raz-likujemo vzporedni pogon z obstojecim omrezjem, izkaterega se crpa reaktivna energija za magnetenje ter de-lovanje v avtonomnem omrezju.

V prvem primeru sta regulacija turbine in napetostiodvecni, oddajanje moci je samonastavljivo in ustrezatrenutni moci pogonskega stroja [1, 2].

Najvecji problem pri aplikaciji asinhronskega genera-torja v avtonomnem omrezju je nezmoznost proizvodnjereaktivne moci za lastno magnetenje ter za potrebe porab-nika. Njeno regulacijo lahko izvedemo s pomocjo krmil-jenega vira reaktivne moci [3, 4], kar pa se ne zadostujeza vzdrzevanje konstantne efektivne vrednosti napetostiin konstantne frekvence. Za regulacijo aktivne moci infrekvence je potreben turbinski regulator. AG z lastnimzbujanjem (Self- Excited Induction Generators - SEIG) sose uveljavili zlasti pri izkoriscanju energije vetra in vode,cedalje pogosteje pa se uporabljajo razlicice, ki jih pogan-jajo neregulirane turbine [5].

Napetostne razmere SEIG v avtonomnem omrezjulahko izboljsamo, ce hkrati z vzporedno prikljucenimikondenzatorskimi baterijami za samovzbujanje upora-bimo serijsko kompenzacijo [6]. To je najcenejsi nacinizboljsanja napetostnih razmer, ki je hkrati neobcutljiv na

Page 2: Regulacija napetosti in frekvence asinhronskega ...ev.fe.uni-lj.si/1-2002/memisevic.pdf · Regulacija napetosti in frekvence asinhronskega generatorja v avtonomnem omreˇzju 21 spremembo

Regulacija napetosti in frekvence asinhronskega generatorja v avtonomnem omrezju 21

spremembo frekvence.Dvojno napajani asinhronski generator lahko proiz-

vaja napetost konstantne amplitude in frekvence tudipri spremenljivi hitrosti rotorja, kar omogoca njegovouporabo v vetrnicah, za propulzijo ladij ter v letalstvu,ima pa tudi dobre lastnosti pri vzporednem obratovanjuz obstojecim omrezjem [7]. Ob dodatni regulaciji mociporabnika lahko energijo vetra optimalno izkoristimo celopri njegovi spremenljivi hitrosti [8].

Raziskovanje dinamicnih karakteristik zahtevnega sis-tema, ki sestoji iz AG, vodne turbine, regulatorja reak-tivne moci v avtonomni mrezi so v literaturi redko pris-otne. V [10] so podane karakteristike posameznih tipovvodnih turbin in turbinskih regulatorjev le za sinhronskegeneratorje, kjer je ugotovljeno, da imajo taksni sis-temi slabe dinamicne karakteristike, zlasti v avtonomnihmrezah.

V tem clanku bosta podana pristopa k regu-laciji napetosti in frekvence asinhronskega generatorjav avtonomnem omrezju. Prvi pristop je zasnovanna uporabi krmiljenega tokovnega vira za uravnavoproizvodnje in porabe aktivne in reaktivne moci vavtonomnem omrezju. Presezek proizvedene aktivnemoci se pretvarja v izgube na aktivnem uporu, v reak-tivnem podrocju pa tokovni vir lahko deluje bodisi kot virali pa kot porabnik reaktivne moci.

Drugi pristop temelji na aplikaciji dvojno napajanegaasinhronskega generatorja. Presezek moci vode nadmocjo porabnika se kaze kot izguba na vodni turbini.Regulacija napetosti poteka posredno prek fluksa v zracnirezi.

V obeh primerih so pocasni mehanski regulatorji za-menjani s hitrimi elektronskimi krmilniki.

2 Asinhronski generator, napajan s krmiljenimtokovnim virom v avtonomnem omrezju

Sistem na sliki 1 je sestavljen iz asinhronskega gener-atorja (G), kondenzatorske baterije (C) in krmiljenegatokovnega vira (TV).

G

BREME

TV

TV

TV

PGEN

QGEN

QC

PPOR

QPOR

P0POR

P0TV

PTV

QTV

C

Slika 1. Asinhronski generator, napajan s krmiljenim tokovnimvirom v avtonomnem omrezjuFigure 1. Asynchronous generator fed with a regulated currentsource in a stand-alone network

Generator, ki ga poganja neregulirana turbina odd-

aja aktivno moc ter socasno crpa reaktivno moc za mag-netenje, za kar skrbi kondenzatorska baterija. Krmiljenitokovni vir omogoca izravnavo aktivne moci generatorjain moci porabnika z odvajanjem presezka proizvedenemoci. To pomeni, da proizvaja ali porablja reaktivno mocodvisno od trenutnega stanja. Veljajo relacije:

PTV = PGEN − PPOR,

QTV = QC −QGEN −QPOR,(1)

kjer so P in Q aktivna in reaktivna moc tokovnega vira(TV), generatorja (GEN), porabnika (POR) in kondenza-torske baterije, P0POR in P0TV pa nicti komponenti mociporabnika in krmiljenega tokovnega vira.

Predlagani princip omogoca konstantno vrtilno hitrosthidroagregata in konstantno izhodno napetost brezturbinskega regulatorja in dodatnih naprav za regulacijonapetosti.

Princip krmiljenja tokovnega vira (1) je enak delo-vanju aktivnega mocnostnega filtra [9]. Razlika med sis-temoma se kaze v nadgradnji mocnostnega dela filtra, kjersmo v enosmernem tokokrogu dodali zaporedno vezana“aktivni” upor in induktivnost (slika 2).

RDC

LDC

S1

S3

S5

S2

S4

S6

S

R

T

C

Slika 2. Mocnostni del modificiranega aktivnega filtraFigure 2. Power stage of a modified active filter

V tem delu bosta analizirana dva koncepta regulacijemodificiranega aktivnega filtra:

• v prvem primeru izracunavamo parametre za pulzno-sirinsko modulacijo (PWM) na podlagi zelenihvrednosti aktivne in reaktivne moci, pri cemer neupostevamo kompenzacije nicte komponente moci,

• drugi koncept izhaja iz teorije p-q trenutnih vred-nosti moci in temelji na regulaciji toka aktivnega fil-tra.

2.1 Generiranje vzorcev za pulzno-sirinskomodulacijo

Neodvisno krmiljenje aktivne in reaktivne moci lahkoopravimo s spreminjanjem kota vklopa toka (α) obhkratni modulaciji s casom (kotom) prevajanja αPWM .Relacije sledijo iz Fourierove analize napetosti in tokov

Page 3: Regulacija napetosti in frekvence asinhronskega ...ev.fe.uni-lj.si/1-2002/memisevic.pdf · Regulacija napetosti in frekvence asinhronskega generatorja v avtonomnem omreˇzju 21 spremembo

22 Memisevic, Ambrozic, Nastran

filtra. Pri analizi je treba posebej obravnavati kapaci-tivno in induktivno naravo reaktivne moci. Upostevaneso naslednje omejitve in poenostavitve, katerih cilj jezmanjsanje deformacij napetosti:

• maksimalni kot prevajanja veje mostica je π/3,

• maksimalni kot zacetka prevajanja je π/6,

• napetost na sponkah generatorja je sinusne oblike,

• induktivnost vmesnega tokokroga je zanemarljiva.

Aktivno in reaktivno moc ob induktivni naravinavidezne moci aktivnega filtra (slika 3) sta:

PTV = 2√

3V 2

πRDC(4.33 · αPWM−

−0.375(cos(2α+ 2αPWM )− cos(2α))++1.764(sin(2α+ 2αPWM )− sin(2α))),

(2)

QTV = −2√

3V 2

πRDC(1.764(cos(2α+ 2αPWM )−

− cos(2α)) + 0.375(sin(2α++2αPWM )− sin(2α))).

(3)

Pri tem smo uporabili naslednje oznake:

αPWM — cas prevajanja (rad),

T — perioda (rad),

α — kot zacetka prevajanja (rad),

V — amplituda fazne napetosti,

RDC — upor v enosmernem tokokrogu (slika 2).

Podobno velja za kapacitivno naravo.

Slika 3. Napetost in tok filtra (induktivna narava bremena)Figure 3. Filters voltage and current (inductive load)

Pogoj za locen nadzor nad reaktivno in aktivno mocjofiltra je zapis zgornje enacbe v oblikah, ki eksplicitnoizrazata odvisnost P in Q od αPWM in α, kar pa je anal-iticno zelo tezko doseci.

Slika 4 kaze graficno ponazoritev odvisnostinavidezne moci (STV ) od αPWM , slika 5 pa odvis-nost sin(ϕ) = f(α). Glede na znani relaciji (4) in (5)lahko sedaj krmiljenje aktivnega filtra namesto po merilihaktivne in reaktivne moci krmilimo glede na navideznomoc in sinusu kota ϕTV .

Slika 4. Odvisnost STV = f(αPWM )Figure 4. STV as a function of αPWM

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

alfa (rad)

sin(fi)

Radna oblast reg.imp. za Rdc=150 (oma)

aPWM

sin(j

)

ind.

kap.

Slika 5. Odvisnost sin(ϕTV ) od αFigure 5. sin(ϕTV ) as a function of α

STV ≈√P 2TV +Q2

TV (4)

sin(ϕTV ) ≈ QTV√P 2TV +Q2

TV

(5)

Avtonomna mreza ima zelo majhno kratkosticno moc,posledica pa so velike spremembe in dolgotrajni prehodnipojavi napetosti in frekvence ob spremembi bremena. Topa zelo vpliva na reaktivno moc, ki jo kondenzatorska ba-terija posilja v sistem. Zato je potrebna korekcija reak-tivne moci po relaciji:

Page 4: Regulacija napetosti in frekvence asinhronskega ...ev.fe.uni-lj.si/1-2002/memisevic.pdf · Regulacija napetosti in frekvence asinhronskega generatorja v avtonomnem omreˇzju 21 spremembo

Regulacija napetosti in frekvence asinhronskega generatorja v avtonomnem omrezju 23

(QC −QGEN )′ = (QC −QGEN ) (U

UNAZ)2, (6)

kjer sta U in UNAZ trenutna in nazivna napetost. Iz (7)sledi izraz za korekcijo aktivne moci:

P ′GEN = PGEN NAZ(U

UNAZ)2 (7)

2.1.1 Simulacija delovanja v avtonomnem omrezju

G

BREME

AKTIVNI

FILTER

P, Q, U

U

(U/UNAZ

)2

QC-Q

GEN

PGEN

QPOR

PPOR

-

-

+

+

S

SIN(j)

S/PW

sin(j)/a

SINHR.

in

PROZ�.

IPOR

U

V

Slika 6. Blokovni diagram krmiljenja aktivnega filtraFigure 6. Block diagram of the active filter control

Napetost0.016(V)

Napetost na sponkah AG

Cas (s)v

Slika 7. Napetost AG Figure 7. AG voltage

Simulacije delovanja sistema na sliki 6, obremen-jenega s 70% navorom, kazejo naslednje:

• napetosti in tokovi so popaceni (slika 7) z izrazenima5. in 7. harmonsko komponento,

• najvecja odstopanja efektivne vrednosti napetostizaradi spremembe bremena so ±6%,

• sprememba hitrosti AG ob spremembi bremena jenajvec ±3%, kar je tudi maksimalno odstopanjefrekvence od nazivne vrednosti.

2.1.2 Rezultati na laboratorijskem modelu

Delovanje generatorja na samostojnem omrezju smopreiskusili na laboratorijskem modelu. V tem rezimu jeanalizirano delovanje regulirane impedance in generatorjaza stacionarna stanja. Regulacijska negativna povratnazanka deluje zelo ucinkovito. Cas umiritve pri spremembiobremenitve je najvec dve osnovni periodi.

Slika 8. Tok ene faze AG in kondenzatorskih baterijFigure 8. Phase current of AG and capacitor battery

Slika 9. Tok obremenjenega pretvornikaFigure 9. Converter current under load

2.2 Drugi koncept krmiljenja

Eden mogocih konceptov krmiljenja toka aktivnega filtratemelji na teoriji p−q trenutne moci. Temeljni pogoj za tapostopek je transformacija trifaznega RST koordinatnegasistema v staticni p − q sistem (v0 je nicta komponentanapetosti):

Page 5: Regulacija napetosti in frekvence asinhronskega ...ev.fe.uni-lj.si/1-2002/memisevic.pdf · Regulacija napetosti in frekvence asinhronskega generatorja v avtonomnem omreˇzju 21 spremembo

24 Memisevic, Ambrozic, Nastran

v0

vp

vq

=

√23

1√2

1√2

1√2

1 − 12 − 1

2

0√

32 −

√3

2

vR

vS

vT

. (8)

Enake relacije veljajo tudi za tokove.Trenutne vrednosti nicte, aktivne in reaktivne moci so

potemtakem:

P0TV

PTV

QTV

=

v0 0 00 vp vq

0 −vq vp

i0

ip

iq

. (9)

Ob predpostavljeni konstantni napetosti na sponkahgeneratorja sledi izraz za komponenti tokov aktivnega fil-tra:

[i∗PTVi∗QTV

]=

1v2p+v2

q

[vp −vqvq vp

] [−PGEN + PPOR

−QC +QPOR +QGEN

].

(10)Ob povratni transformaciji dobimo zelene vrednosti

faznih tokov (11), tokovni regulator pa skrbi za sledenjedejanskih tokov zelenim vrednostim.

i∗RSIi∗SSIi∗TSI

=

√23

1√2

1 01√2− 1

2

√3

21√2− 1

2 −√

32

i∗0SIi∗pSIi∗qSI

.(11)

Blokovni diagram kaze slika 10.

G

BREME

AKTIVNI

FILTER

P, Q, U

U

(U/UNAZ

)2

QC-Q

GEN

PGEN

QPOR

PPOR

-

-

+

+

P,Q/

ip,iq,i0 T

OK.

REG.

U

U

p,q,0/

RST

ip,iq,i0

iR,iS,iT

ITV

IPOR

Slika 10. Krmilni del aktivnega filtraFigure 10. Control diagram of the active filter

2.2.1 Simulacija delovanja v avtonomnem omrezju

S simulacijo sistema s slike 10 smo prisli do naslednjihsklepov:

• ob spremembi bremena prihaja do neznatne spre-membe efektivne vrednosti napetosti (najvec 3.2%,slika 11),

• spremembe hitrosti generatorja kot posledica spre-membe bremena so zanemarljive,

• do obcutnejsih sprememb navora prihaja zacasno lepri spremembah bremena.

3 Dvojno napajani AG v avtonomnem omrezju

Dvojno napajani asinhronski generatorji lahko proizva-jajo napetost konstantne amplitude in frekvence tudi obspremenljivi hitrosti rotorja. Zato jih imenujemo VSCFgeneratorji (Variable Speed Constant Frequency). Zapravilno delovanje VSCF generatorjev v podsinhronizmuin nadsinhronizmu je treba omogociti dvosmerni pretokmoci iz rotorskega tokokroga. Najboljse karakteristikedosezemo, ce to poteka s pomocjo dveh back-to-backPWM pretvornikov. Za PWM pretvornike je znacilnamajhna popacenost toka rotorja in statorja ter moznost de-lovanja v podsinhronskem in nadsinhronskem podrocju.

Delovanje VSCF generatorja v opisani konfiguracijina togem omrezju je opisan v stevilni literaturi [7, 8].Taksni sistemi z vektorsko regulacijo kazejo zelo do-bre dinamicne lastnosti. Posledicno se je pojavila idejauporabe neregulirane vodne turbine v avtonomnem sis-temu, kjer naj bi regulacijo napetosti prevzel VSCF AG.V avtonomnih omrezjih obicajno za regulacijo napetostiskrbi regulator reaktivne moci, regulacija frekvence paje namenjena turbinskemu regulatorju. S predlaganoresitvijo obe nalogi prevzame PWM pretvornik, ki jevezan na rotor AG.

Splosno shemo sistema kaze slika 12. Vsak PWMpretvornik lahko regulira po dve spremenljivki. Nalogarotorskega pretvornika je regulacija fluksa v zracni reziter sinhroniziranje vzdolzne (d) osi rotirajocega d − qkoordinatnega sistema s statorskim fluksom. Statorskipretvornik skrbi za regulacijo napetosti kondenzatorskebaterije v enosmernem vmesnem tokokrogu in kompen-zacijo reaktivne moci bremena.

3.1 Regulacija rotorskega pretvornika

Osnovna naloga krmilnega sistema je regulacija napetostiin frekvence. Regulacijo napetosti je mogoce doseci bod-isi neposredno ali pa, kot bomo pokazali v tem poglavju,posredno prek regulacije statorskega fluksa. Pri vektorskiregulaciji rotorski pretvornik skrbi za poravnavo med roti-rajocim koordinatnim sistemom in statorskim fluksom.Takrat je precna komponenta fluksa enaka nic.

Page 6: Regulacija napetosti in frekvence asinhronskega ...ev.fe.uni-lj.si/1-2002/memisevic.pdf · Regulacija napetosti in frekvence asinhronskega generatorja v avtonomnem omreˇzju 21 spremembo

Regulacija napetosti in frekvence asinhronskega generatorja v avtonomnem omrezju 25

BREME

VEKT. REG.

ROT. PRET.

IROT.

ISTAT.

wr TOK.

REG.

I*ROT.

V*

DC.

+

-

PI

QGEN.

QPOR.

IPOR.

V

REG. OMREZ�.

PRET.

TOK.

REG.

PDC

QGEN.

QPOR.

IOMREZ.PRET.

ISTAT.

I0POR.

VDC

I*OMREZ.PRET.

v

v

v

Slika 12. Blokovni diagram krmilnega sistema VSCF AG Figure 12. Block diagram of the VSCF AG

Slika 11. Efektivna vrednost napetosti AGFigure 11. Voltage RMS of an AG

Komponenti statorskega fluksa lahko potemtakem iz-razimo z enacbama (12) in (13):

Ψqs = 0 = Llsiqs + Lm (iqs + iqr) (12)

Ψds = Llsids + Lm (ids + idr) (13)

Za vzdrzevanje konstantnega statorskega fluksa skrbiids (13), medtem ko za pravilno orientacijo fluksa, to jeza relacijo (12), skrbi iqr.

3.2 Regulacija statorskega pretvornika

Vzdrzevanje napetosti dosezemo z regulacijo slipne moci.V podsinhronizmu jo je treba dovajati, v nadsinshronizmupa odvajati, ker sele tako ohranimo konstantno frekvenco.Pretok aktivne moci iz rotorja prek rotorskega pretvornikapovzroca spremembe napetosti na kondenzatorju v vmes-nem tokokrogu. Dolgotrajno delovanje v enem delovnemobmocju bi lahko pripeljalo do spremembe napetosti.

Ohranjanje konstantne kondenzatorske napetosti potekaprek aktivne komponente toka statorskega pretvornika,medtem ko z reaktivno komponento reguliramo pretokreaktivne moci.

Namen regulacije je zmanjsanje pretokov reaktivnemoci prek statorja AG. Nalogo statorskega pretvornikalahko opisemo takole: pretvornik deluje kot aktivni filter,ki kompenzira spremembe aktivne moci rotorja (reguliranapetost kondenzatorske baterije) in socasno kompenzirareaktivno moc porabnika.

Iz tega sledi definicija zelenih vrednosti komponenttoka statorskega pretvornika:

[i∗pi∗q

]=

1v2p+v2

q

[vp −vqvq vp

] [pDC

−qGEN. + qPOR.

],

(14)

kjer so:

pDC — delez prenesene aktivne moci s kondenzatorja vvmesnem tokokrogu na stator za regulacijo napetostivmesnega tokokroga,

qGEN , qPOR — reaktivni moci generatorja in porab-nika.

Transformacija v fazne tokove poteka prek relacije:

i∗Ri∗Si∗T

=

√23

1√2

1 01√2− 1

2

√3

21√2− 1

2 −√

32

−i

∗0

i∗pi∗q

(15)

3.3 Simulacija delovanja VSCF AG

Simulacije so v dobri meri potrdile pricakovanja gledekakovosti elektricne energije. Krmilni tokokrog omogoca

Page 7: Regulacija napetosti in frekvence asinhronskega ...ev.fe.uni-lj.si/1-2002/memisevic.pdf · Regulacija napetosti in frekvence asinhronskega generatorja v avtonomnem omreˇzju 21 spremembo

stabilno delovanje, le pri skocni spremembi bremena pri-haja do spremembe efektivne vrednosti napetosti (slika13).

0 .8 0 .85 0 .9 0 .95 1 1 .05 1 .1-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

Nape tos t na sponkah VSCF GEN.

Cas (s )

Napetost(V)

v

Slika 13. Napetost VSCF AGFigure 13. VSCF AG voltage

4 Sklep

Na podlagi do sedaj povedanega lahko pridemo do nasled-njih sklepov:

• Najboljso kakovost elektricne energije dosezemo prikrmilnem krogu, ki temelji na p − q teoriji moci.Sprememba efektivne vrednosti napetosti je ob spre-membi bremena minimalna in znasa 3.2 %. Defor-macije napetosti in tokov so zanemarljive.

• Kakovost elektricne energije zadovoljuje tudi pripreostalih dveh tipih krmilnih krogov. Pri krmiljenjuaktivnega filtra s PWM je maksimalno odstopanjenapetosti 6 %, pri vektorski regulaciji VSCF AG pa30 %. Deformacije valovnih oblik tokov in napetostista v obeh primerih minimalni.

Prikazani koncepti regulacije napetosti in frekvence,kjer pocasne turbinske regulatorje zamenjujemo s sistemimocnostne elektronike, poleg zapletenega sistema za re-gulacijo omogoca:

• hitrejsi in boljsi odziv na spremembe narave in mociporabnika,

• zmanjsanje gabaritov AG kot posledico eliminacijedodatnih turbinskih regulatorjev in vztrajnika ter

• zdruzevanje funkcij regulatorja napetosti infrekvence v eni napravi.

5 Literatura

[1] P. K. Sen, J. P. Nelson, Induction Generator: Theory andApplications, 29th Annual North American Power Sympo-sium, Laramie, Wyoming, pp. 269-274, Oct. 13-14, 1997.

[2] IEEE Standard 112–1991, IEEE Standard Test Procedurefor Polyphase Induction Motors and Generators, IEEE,NY, 1992.

[3] J. L. Bhattacharya, J. L. Woodward, Excitation balancingof a self-excited induction generator for maximum poweroutput, IEE Proc., Vol. 135, Pt.C, No. 2, March 1988.

[4] M. A. El Sharkawi, S. S. Venkata, T. J. Williams, N. G.Butler, An adaptive power factor controller for three phaseinduction generators, IEEE Trans, 1985, PAS -104, pp.1825-1831.

[5] T. F. Chan, Self-excited Induction Generators Drive byRegulated and Unregulated Turbines, IEEE Trans. on En-ergy Conversion, Vol. 11, No. 2, Sept. 1996.

[6] T. F. Chan, Analysis of Self-excited induction generatorusing an iterative method, IEEE Trans. on Energy Conv.,Vol. 10, No. 3, Sept. 1995.

[7] R. Pena, J. C. Clare, G. M. Asher, Doubly fed inductiongenerator using back-to-back PWM converters and its ap-plication to variable-speed wind-energy generation, IEEProc. Electr. Power Appl., Vol. 143, No. 3, May 1996.

[8] R. Pena, J. C. Clare, G. M. Asher, A doubly fed induc-tion generator using back-to-back PWM converters sup-plying an isolated load from a variable speed wind turbine,IEE Proc. Electr. Power Appl., Vol. 143, No. 5, September1996.

[9] M. Aredes, J. Hafner, K. Heumann, Three-Phase Four-Wire Shunt Active Filter Control Strategies, IEEE Trans.on Power Electr., Vol. 12, No. 2, March 1997.

[10] P. Omahen, Karakteristike razlicitih tipova agregata uizolovanim rezimima delovanja elektroenergetskog sis-tema, ELVEA2 55(2), str. 79-83, 1988.

Rizah Memisevic je diplomiral (1988), magistriral (1992) indoktoriral (2000) na Fakulteti za elektrotehniko v Tuzli, BiH.Tezisce njegovega dela so aplikacije mocnostne elektronike inmikroracunalniskih sistemov v elektromotorskih pogonih, uk-varja pa s tudi s problematiko kakovosti elektricne energije inprenosom enosmerne visoke napetosti.

Vanja Ambrozic je studiral industrijsko elektrotehniko naFakulteti za elektrotehniko, kjer je diplomiral leta 1986, mag-istriral leta 1990 in doktoriral leta 1993. Od leta 1987 je za-poslen na Fakulteti za elektrotehniko. Kot docent (od leta 1996)predava predmete s podrocja mikroracunalniskega vodenja pro-cesov, regulacije elektromotorskih pogonov in krmilnih siste-mov. Njegovo raziskovalno delo je povezano z novimi prijemi vregulaciji in diagnostiki elektromotorskih pogonov.

Janez Nastran je diplomiral leta 1971, magistriral pa leta 1977na Fakulteti za elektrotehniko Univerze v Ljubljani. Leta 1985je na isti fakulteti uspesno zagovarjal doktorsko disertacijo, zakatero je prejel nagrado dr. Vratislava Bedjanica. Tezisce nje-govega dela sta mocnostna elektronika in regulacijska tehnika.Leta 1993 je dobil nagrado Republike Slovenije za znanstveno-raziskovalno delo. Leta 1996 je bil izvoljen za izrednega profe-sorja na Fakulteti za elektrotehniko v Ljubljani