Cztery struktury sterowania multiskalarnego | Politechnika Gdańska

Praca doktorska „Struktury sterowania maszyną dwustronnie zasilaną pracującą jako generator podłączoną do przekształtnika prądu” została napisana pod kierunkiem prof. dr hab. inż. Marcina Morawca. Recenzentami pracy są dr hab. inż. Grzegorz Iwański z Politechniki Warszawskiej, dr hab. inż. Andrzej Popenda z Politechniki Częstochowskiej oraz prof. dr hab. inż. Andriy Lozynskyy z Politechniki Lwowskiej.

Trendy w zakresie wytwarzania energii wskazują na przejście od dużych elektrowni opartych na paliwach kopalnych, takich jak węgiel czy ropa naftowa, do systemów energii odnawialnej, takich jak energia słoneczna, wodna i wiatrowa. Ciągłe zmniejszanie się zasobów paliw kopalnych doprowadziło do podniesienia ich cen. Z tego względu zwiększyło się zainteresowanie naukowców możliwością wykorzystania źródeł energii odnawialnej.

Maszyny indukcyjne z wirnikiem uzwojonym, znane również jako maszyny dwustronnie zasilane, są powszechnie stosowane w systemach energetyki wiatrowej. W maszynach tych znajdują się dwa pakiety uzwojeń. Jeden z pakietów jest podłączony do sieci zasilania prądu przemiennego – najczęściej uzwojenie stojana. Natomiast drugi podłączony jest do przekształtnika energoelektronicznego – najczęściej uzwojenie wirnika. Taka konfiguracja pozwala na lepszą kontrolę prędkości kątowej generatora i napięcia wyjściowego. Metody sterowania przepływem tych mocy są przedmiotem badań Pawła Kroplewskiego.

– Systemy oparte na maszynach dwustronnie zasilanych były przedmiotem intensywnych badań i rozwoju od lat 80. XX wieku. Stały się popularnym wyborem do przetwarzania energii wiatrowej ze względu na ich wysoką wydajność, niskie koszty i łatwość sterowania. Głównymi powodami stosowania tych układów w systemach energetyki wiatrowej są: niskie obciążenie konstrukcji mechanicznych, niezależna kontrola mocy czynnej i biernej oraz zmniejszony hałas – mówi naukowiec. - W pracy rozważałem sterowanie dwupoziomowym, trójfazowym przekształtnikiem prądu połączonym z generatorem dwustronnie zasilanym pracującym na sieć. Zaproponowałem cztery struktury sterowania, umożliwiające niezależne sterowanie mocą czynną i bierną, redukujące oscylacje w stanach ustalonych i przejściowych oraz zapewniające odporność na zapady napięcia w sieci.

Podczas badań przeprowadzone zostały symulacje i eksperymenty laboratoryjne w celu oceny reakcji analizowanego układu na różne zmiany, które mogą wystąpić w trakcie normalnej pracy w systemach energetyki wiatrowej, w tym skokowe: zmiany mocy czynnej i biernej, zmiany prędkości wirnika oraz zapady napięcia o różnej głębokości i czasie trwania.

Przetestowanych zostało pięć struktur sterowania mocą dla maszyny dwustronnie zasilanej - najczęściej stosowaną metodę sterowania zorientowanego polowo oraz czterech nieliniowych systemów sterowania, które zostały opracowane na bazie zależności modeli multiskalarnych maszyny dwustronnie zasilanej. Stworzony został również program symulacyjny do testowania tych struktur.

– Trzy z czterech proponowanych struktur sterowania multiskalarnego zostały wdrożone na stanowisku laboratoryjnym w celu oceny ich charakterystyk dynamicznych, co umożliwiło ich porównanie i analizę – tłumaczy Paweł Kroplewski. – Ostatnia z proponowanych struktur sterowania multiskalarnego, ze względu na swoją złożoność obliczeniową, została przeanalizowana tylko w badaniach symulacyjnych.

Najważniejsze wnioski uzyskane na podstawie badań symulacyjnych i laboratoryjnych:
- opracowane struktury systemów sterowania umożliwiają niezależną regulację mocy czynnej i biernej maszyny dwustronnie zasilanej w normalnych warunkach pracy generatora;
- proponowane systemy sterowania mocą maszyny dwustronnie zasilanej z nieliniowym sterowaniem multiskalarnym charakteryzują się dobrymi właściwościami dynamicznymi, takimi jak czas reakcji poniżej 75 ms na zmiany mocy czynnej i biernej;
- w przypadku płytkiego zapadu napięcia, proponowane systemy sterowania mocą umożliwiają kontrolę prądów wirnika, ale ich skuteczność zależy od głębokości zapadu;
- w przypadku głębokiego zapadu napięcia konieczne jest zastosowanie dodatkowych obwodów ochronnych dla przekształtnika prądu po stronie wirnika - przykładem jest dodatkowy system magazynowania energii podłączony do obwodu prądu stałego za pomocą przekształtnika mostkowego i włączany na czas trwania zapadu. Układ ten działałby jako tymczasowe źródło zasilania.

– Zaproponowane struktury nie w pełni eksplorują potencjał syntezy nowych systemów sterowania wykorzystujących modele multiskalarne maszyny dwustronnie zasilanej. Konfiguracje układów sterowania przedstawione w pracy stanowią podstawę do przyszłych badań nad wielofazowymi układami z maszynami dwustronnie zasilanymi, które są obecnie prowadzone na Politechnice Gdańskiej – dodaje naukowiec.

Paweł Kroplewski ukończył studia inżynierskie i magisterskie na Wydziale Elektroniki i Automatyki, na kierunku Elektrotechnika, a następnie czteroletnią Szkołę Doktorską. Obecnie czeka na termin obrony pracy doktorskiej. Swoją karierę zawodową wiąże z pracą przemyśle i opracowywaniem kolejnych innowacyjnych rozwiązań technicznych, które będzie można wdrażać w przedsiębiorstwach.