Control System of Wind Generator Based on Switched Reluctance Motor

Abstract

The work is devoted to the development of a control system for a wind generator with the use of a switched reluctance motor. The search for new structures for the construction of the power unit and control system of electromechanical systems of wind power complexes is an urgent task of today. The most common construction options for such systems include doublefed induction motors and permanent magnet synchronous generators. In the first case there is no possibility of full control of the flow of power transmitted to the network, and in the second case the main disadvantage is the high cost of such an electric machine, which is explained by the use of rare earth materials in its design. The use of a switched reluctance motor as a generator has significant differences compared to similar use of electric machines based on torque generation due to the Lorentz force. A mathematical model of the electromechanical system of a wind generator with a switched reluctance motor in the Matlab / Simulink environment was developed. It was shown by mathematical modeling that when changing the sign of load torque, the machine does not go into braking mode independently, as is the case with other electric machines. This creates considerable difficulties in the operation of such a system, since the transition to brake mode requires a change in control effects on the switched reluctance motor. Features of functioning of the switched reluctance motor in the mode of regenerative braking have been stated. The limits of change of control angles which allow to receive the maximum amount of the generated electric energy and reduction of pulsations of brake torque of the machine have been defined. The structure of the control system of a switched reluctance motor has been developed, which involves the use of a modified speed controller, which divides its output signal into a sign function, which is subsequently used to select the converter control angles, as well as the absolute value used in the operation of the modulation algorithm of the required current magnitude .

Робота присвячена розробці системи керування вітрогенератором з використанням вентильного реактивного двигуна. Пошук нових структур побудови силової частини та системи керування електромеханічних систем вітрогенераторних комплексів є актуальною задачею сьогодення. До найбільш розповсюджених варіантів побудови таких систем відносяться вітрогенератори на базі асинхронної машини з подвійним живленням і синхронні генератори з постійними магнітами. У першому випадку відсутня можливість повного керування потоком потужності, що передається до мережі, а у другому випадку основним недоліком є висока вартість такої електричної машини, що пояснюється використанням рідкоземельних матеріалів у її конструкції. Використання вентильної реактивної машини у якості генератора має суттєві відмінності у порівнянні з аналогічним використанням електричних машин, що базуються на створенні крутного моменту за рахунок сили Лоренца. Було розроблено математичну модель електромеханічної системи вітрогенератора з вентильним реактивним двигуном у середовищі Matlab/Simulink. Шляхом математичного моделювання було показано, що при зміні знаку момента навантаження машина не переходить самостійно в гальмівний режим, як це відбується у випадку інших електричних машин. Це створює значні складнощі у функціонування такої системи, оскільки перехід у гальмівний режим вимагає зміни керуючих впливів на вентильний реактивний двигун. Встановлено особливості функціонування вентильного реактивного двигуна в режимі рекуперативного гальмування. Визначено межі зміни кутів керування, що дозволяють отримувати максимальну кількість генерованої електричної енергії при зменшенні пульсацій гальмівного моменту машини. Розроблено структуру системи керування вентильним реактивним двигуном, що передбачає використання модифікованого регулятора швидкості, що виконує розділення свого вихідного сигналу на знакову функцію, що в подальшому використовується для вибору кутів керування перетворювачем, а також на абсолютну величину, що використовується при роботі алгоритму модуляції необхідної величини струму.

Работа посвящена разработке системы управления ветрогенератором с использованием вентильного реактивного двигателя. Поиск новых структур построения силовой части и системы управления электромеханических систем ветрогенераторных комплексов является сегодня актуальной задачей. К наиболее распространенным вариантам построения таких систем относятся ветрогенераторы на базе асинхронной машины с двойным питанием и синхронные генераторы с постоянными магнитами. В первом случае отсутствует возможность полного управления потоком мощности, которая передается в сеть, а во втором случае основным недостатком является высокая стоимость такой электрической машины, что объясняется использованием редкоземельных материалов в ее конструкции. Использование вентильной реактивной машины в качестве генератора имеет существенные отличие в сравнении с аналогичным использованием электрических машин, которые базируются на создании крутящего момента за счет силы Лоренца. Было разработано математическую модель электромеханической системы ветрогенератора с вентильным реактивным двигателем в среде Matlab/Simulink. Путем математического моделирования было показано, что при изменении знака момента нагрузки машина не переходит самостоятельно в тормозной режим, как это происходит в случае других электрических машин. Это создает значительные трудности в функционировании такой системы, поскольку переход в тормозной режим требует изменения управляющих воздействий на вентильный реактивный двигатель. Определены особенности функционирования вентильного реактивного двигателя в режиме рекуперативного торможения. Определено пределы изменения углов управления, что позволяет получить максимальное количество генерируемой электрической энергии при уменьшении пульсаций тормозного момента машины. Разработано структуру системы управления вентильным реактивным двигателем, которая предусматривает использование модифицированного регулятора скорости, который выполняет разделение своего выходного сигнала на знаковую функцию, которая в дальнейшем используется для выбора углов управления преобразователем, а также на абсолютную величину, которая используется при работе алгоритма модуляции необходимой величины тока.