Бифуркационные явления в преобразователе напряжения c частотно-импульсным управлением для ветрогенераторной установки

Abstract

Статья посвящена изучению влияния бифуркационных явлений, имеющих место во всех типах импульсно-модуляционных систем, которые в частности присутствуют в ветрогенераторных установках. Для исследования динамики преобразователя напряжения с частотно-импульсной модуляцией строится математическая модель и бифуркационные диаграммы, которые иллюстрируют область безопасной работы ветрогенераторных установок, проводится ряд численных экспериментов. Выявлен новый вид бифуркационного явления, названый в данной статье "пакетной" бифуркацией. Актуальность работы обуславливается необходимостью улучшения энергоэффективности силовых преобразовательных устройств для потребностей нетрадиционной энергетики, в частности - для ветрогенераторной установки. Одна из сложностей преобразования данного вида энергии заключается в невысоком уровне эффективности процесса. Ввиду переменной величины частоты вращения лопастей ветрогенераторной установки в определенном временном интервале параметры получаемой энергии также варьируются, следовательно, настройки её вторичных преобразователей должны соответствовать временным интервалам формирования сигнала генерации. Повышение качества функционирования альтернативных источников питания возможно за счет использования многочастотных режимов стабилизации устройства преобразования. В статье рассматривается модель импульсно-модуляционного понижающего преобразователя напряжения на основе частотно-импульсной модуляции. Изучены и предложены методики изменения ширины рабочей зоны одночастотного режима стабилизации. Цель: анализ режимов вторичного преобразователя напряжения ветрогенераторной установки и выработка подходов к исследованию бифуркационных явлений, имеющих место в преобразовательных структурах с частотно-импульсной модуляцией путем построения математической модели и численно-аналитического моделирования данного понижающего устройства для улучшения показателей надежности. Методы: проработка литературных источников по типовым схемам передачи энергии в ветрогенераторную установку с промежуточным звеном постоянного тока (DC/DC преобразователей); математическое моделирование и проведение численных экспериментов по изменению эксплуатационных данных понижающего преобразователя напряжения с частотноимпульсной модуляцией для выявления протекающих в нем бифуркационных процессов; построение бифуркационных диаграмм при различных параметрах преобразователя с целью повышения надежности работы. Результаты. Получены математические модели и численно-аналитическая методика построения c идентификацией динамических режимов функционирования понижающего преобразователя напряжения с частотно-импульсной модуляцией, выступающего в роли звена постоянного тока ветрогенераторной установки; построены бифуркационные диаграммы для стабилизации напряжения при различных параметрах системы управления; показано одновременное наличие одночастотных и пакетных режимов работы; идентифицирована бифуркация деления периода; изучено влияние параметров устройства на режимы работы, а также предложена методика изменения ширины рабочей зоны одночастотного режима стабилизации.

The relevance of the paper is determined by the need to improve energy efficiency parameters of power converting devices for the needs of alternative energy, in particular for a wind generator. One of the difficulties of converting wind energy is the low level of energy efficiency of this process. Due to the variable value of the rotational speed of the blades of the wind turbine in a certain time interval, the parameters of the received energy are variable, therefore, the settings of the secondary converters of electric energy must correspond to the time intervals for generating the signal. Improving the functioning of alternative power sources is possible through the use of multi-frequency stabilization modes of the converter. The article considers a model of a pulse-modulation step-down voltage converter based on pulse-frequency modulation. The authors have studied and proposed the methods for changing the width of the working zone of a singlefrequency stabilization mode. The main aim of the study is to analyze the changing modes of the secondary voltage converter of a wind generator and to develop approaches to the study of bifurcation phenomena that occur in a converter with pulse-frequency modulation by constructing a mathematical model and numerically-analytical modeling of a buck voltage converter to improve the reliability of the system under consideration. Methods: study of literature on standard energy conversion schemes in wind turbines with an intermediate DC link; mathematical modeling and conducting numerical experiments to change the operational parameters of a buck converter with pulse-frequency modulation to identify bifurcation in it; construction of bifurcation diagrams for various parameters of the transducer in order to increase the reliability of operation. The results. The authors obtained the mathematical models and numerical-analytical technique for constructing and identifying dynamic modes of a voltage converter with pulse-frequency modulation acting as a DC link of a wind generator set and constructed the bifurcation diagrams for voltage stabilization at different parameters of the control system. The simultaneous presence of single-frequency and burstpacked modes was shown, bifurcation of period division was identified; the influence of the system parameters on the operating modes was studied, and methods for changing the width of the working zone of the single-frequency stabilization mode were proposed.