Математичне моделювання в реальному часі асинхронного генератора з інвертором напруги в колі ротора

Abstract

Описано математичну модель електромеханічної системи із асинхронним генератором із регулюванням струму ротора перетворювачем частоти з автономним інвертором напруги, керованим регуляторами струму. Асинхронні генератори завдяки їх простоті доволі широко використовують у вітроенергетичних установках. Регулювання струмів ротора за допомогою перетворювача частоти дає змогу регулювати швидкість та коефіцієнт потужності в колі статора. Потужність перетворювача частоти визначається діапазоном зміни ковзання і може становити 25–30% сумарної потужності генератора. Синтез відповідної системи керування вимагає розроблення математичної моделі, яка повинна враховувати нелінійність магнітних зв’язків у асинхронній машині та взаємні впливи між компонентами системи. Поєднання реальної системи керування з математичною моделлю силової схеми системи генерування електроенергії за технологією “hardware-in-the-loop”, яка працює у реальному часі, дає змогу провести випробування та налаштування системи керування. Для створення математичної моделі застосовано оригінальний авторський метод середніх напруг на кроці числового інтегрування для математичного моделювання електричних кіл. Застосування цього методу забезпечує високу швидкодію та числову стійкість і створює умови для неперервної роботи моделі в режимі реального часу в поєднанні із фізичними об’єктами (наприклад, із фізичним контролером). Це дає змогу використати її для синтезу та тестування систем керування асинхронним генератором. Реалізована в моделі система векторного керування забезпечує регулювання швидкості обертання генератора та реактивної потужності в колі статора і створює умови для використання зазначеної системи, наприклад, для вітроенергетичних установок.

The mathematical model of an electromechanical system with an asynchronous generator with rotor’s current regulation by frequency converter with an autonomous voltage inverter controlled by current controllers has been described in the article. Asynchronous generators due to their simplicity are widely used in wind power plants. The rotor currents regulation by frequency converter allows to control the speed and power factor in the stator’s circle. In this case, the power of the frequency converter is determined by the range of slip variation and can be 25–30% of total power of the generator. The synthesis of the corresponding control system requires the development of a mathematical model that should take into considertion the nonlinearity of magnetic link in the asynchronous machine and the mutual interactions between components of the system. The combination of a real control system with a real-time mathematical model of the power scheme using the “hardware-in-the-loop” technology allows to test and configure the control system. The feature of the model is the use of author’s method of an average voltage on integration step for mathematical modeling of electrical circuits. The using of this method allows the high calculation performance and stability, and, also, ensured the continuous operation of the computer model in a real time mode in combination with physical objects (as example with a physical controller). This allows it to be used to synthesize and test control systems of asynchronous generator. The vector control system implemented in the model provides the regulation of the rotational speed of the generator and the reactive power in the stator's circle and creates conditions for the use of the specified system, for example, for wind power plants.