變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中矩陣變換器的仿真研究

劉曉宇,張潤(rùn)和,武海濤

摘 要:雙級(jí)矩陣變換器是在傳統(tǒng)9開關(guān)矩陣變換器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型矩陣式變換器,其自身的優(yōu)點(diǎn)更適宜作為變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中雙饋電機(jī)的勵(lì)磁裝置。分析了雙級(jí)矩陣變換器的拓樸結(jié)構(gòu)和基本原理,根據(jù)其特點(diǎn)采用PWM控制與空間矢量調(diào)制法相結(jié)合并應(yīng)用零電流換流法進(jìn)行控制,并基于Matlab/Simulink對(duì)雙級(jí)矩陣變換器進(jìn)行了建模與仿真。仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制方案的可行性和正確性。

關(guān)鍵詞:風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng);雙級(jí)矩陣變換器;零電流換流;PWM 控制;空間矢量調(diào)制;建模與仿真

中圖分類號(hào):TP23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2009)19-176-05

Simulation Research on Matrix Converter in Variable Speed Constant Frequency Wind Power

Generation System

LIU Xiaoyu,ZHANG Runhe,WU Haitao

(College of Information Engineering,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot,010062,China)

Abstract:Two-Stage Matrix Converter (TSMC) is a kind of new matrix converter developed on the basis of the conventional nine-switch matrix converter,by virtue of its advantages,more suitable for serving as the exciter of variable speed constant frequency doubly-fed wind power generation system.The topology structure and principle of TSMC are analysed,and taking accordingly the PWM space vector modulation and zero current commutation to research its features.A simulation mo-del based on Matlab/Simulink is built for the TSMC,and the simulation confirmed the feasibility and validity of control scheme.

Keywords:wind power generation system;TSMC;zero current commutation;PWM control;space vector modulation;modeling and simulation

0 引 言

能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)使人們?cè)絹碓揭庾R(shí)到開發(fā)可再生能源的重要性,必須采取可持續(xù)化發(fā)展戰(zhàn)略,利用科技手段開發(fā)可再生能源[1-4]。由于風(fēng)能是一種無(wú)污染可再生的“綠色”能源,因此對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究已成為全世界當(dāng)前能源開發(fā)利用的一個(gè)重大課題。為提高風(fēng)能的獲取轉(zhuǎn)換的利用率,目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要采用變速恒頻雙饋發(fā)電系統(tǒng)[5-7]。在變速下實(shí)現(xiàn)恒頻發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)是利用變換器對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)進(jìn)行交流勵(lì)磁控制。目前所使用的變換器主要有交-交變換器和交-直-交變換器,但是它們普遍存在輸入功率因數(shù)低,諧波含量大,輸出頻率受到限制,控制策略復(fù)雜等缺點(diǎn)。因此,研究性能更為良好的變換器具有重大的現(xiàn)實(shí)意義[8]。

1 雙級(jí)矩陣變換器的特點(diǎn)

雙級(jí)矩陣變換器是由傳統(tǒng)9開關(guān)矩陣式變換器演變而來的一種具有新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的矩陣變換器,它不僅保留了傳統(tǒng)9開關(guān)矩陣變換器的優(yōu)點(diǎn)[9],而且可以克服傳統(tǒng)9開關(guān)矩陣變換器的一些缺點(diǎn)。雙級(jí)矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括整流側(cè)與逆變側(cè),可分別對(duì)整流側(cè)和逆變側(cè)進(jìn)行控制,因而與傳統(tǒng)9開關(guān)矩陣變換器相比,其控制策略更為靈活、簡(jiǎn)單;雙級(jí)矩陣變換器的整流側(cè)開關(guān)可實(shí)現(xiàn)零電流換流,系統(tǒng)換流控制比傳統(tǒng)矩陣變換器更為簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn)?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn),雙級(jí)矩陣變換更適合作為雙饋發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁裝置。雙級(jí)矩陣變換器勵(lì)磁的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)原理圖

2 雙級(jí)矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和基本原理

2.1 雙級(jí)矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

雙級(jí)矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由整流側(cè)和逆變側(cè)兩部分組成,中間直流部分無(wú)須很大的儲(chǔ)能元件。由于要求能量可雙向流通,因此整流側(cè)和逆變側(cè)均采用雙向開關(guān)。

但當(dāng)保證中間直流環(huán)節(jié)電壓Udc的極性始終為正時(shí),逆變側(cè)的雙向開關(guān)就可以由單向的電力電子開關(guān)管來代替,這樣實(shí)際需要的電力電子開關(guān)管數(shù)量則為18個(gè)(例如IGBT),其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示[10,11]。

圖2 雙級(jí)矩陣式變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為避免開關(guān)器件在關(guān)斷時(shí)受到大電壓和大電流的沖擊,一般要設(shè)置相應(yīng)的箝位電路。雙級(jí)矩陣變換器的箝位電路非常簡(jiǎn)單,僅用一個(gè)二極管與電容串聯(lián)即可,如圖2所示。

2.2 基本工作原理

設(shè)雙級(jí)矩陣變換器輸入三相電源相電壓為:

Ui=uAuBuC=Uimcos(ωit)

Uimcos(ωit-2π3)

Uimcos(ωit+2π3)(1)

式中:ωi為輸入電壓角頻率;Uim為輸入相電壓幅值。

設(shè)期望三相輸出線電壓為:

Uo=uUVuVWuWU=3Uomcos(ωot+φo)

3Uomcos(ωot+φo-2π3)3Uomcos(ωot+φo+2π3)(2)

式中:ωo為輸出電壓角頻率;Uom為輸出相電壓幅值;φo為輸出電壓初始相位角。

這樣,存在3×3的占空比矩陣T,使得:

uUVuVWuWU=TuAuBuC(3)

雙級(jí)矩陣變換器的整流側(cè)和逆變側(cè)相對(duì)彼此獨(dú)立,分析時(shí)可將其分解為交-直和直-交兩個(gè)部分,故T為:

T=mSUpSUnSVpSVnSWpSWnSApSAnSBpSBnSCpSCn(4)

式中:m為調(diào)制系數(shù),且0≤m≤1。

3 雙級(jí)矩陣變換器的控制及換流策略

3.1 控制策略

由于雙級(jí)矩陣變換器從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上可分為整流側(cè)電路和逆變側(cè)電路,因而其控制策略也分為整流側(cè)的控制和逆變側(cè)的控制[12-14]。

3.1.1 整流側(cè)的脈寬調(diào)制(PWM)

整流側(cè)采用脈寬調(diào)制(PWM),其調(diào)制目標(biāo)之一是維持整流側(cè)輸出電壓Udc>0恒成立。為了保證電壓的最大傳輸比,使整流側(cè)輸出電壓Udc恒為最大值,可將輸入電壓在一個(gè)周期內(nèi)六等分,把每個(gè)等分稱為一個(gè)扇區(qū),每個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的角度為π/3,如圖3所示。這樣每個(gè)扇區(qū)具有相同的特點(diǎn),其中一相電壓絕對(duì)值為最大,另兩相電壓極性與它正好相反。

圖3 輸入電壓六區(qū)間的劃分

在每一扇區(qū)內(nèi),PWM調(diào)制周期可分為兩個(gè)時(shí)間段,以第1扇區(qū)為例說明:在第一扇區(qū)中uA為正,并且其電壓絕對(duì)值為最大;uB,uC兩相電壓極性同它相反。這時(shí)A相始終正向?qū)?為了得到波動(dòng)不大的直流側(cè)電壓,使B,C兩相交替導(dǎo)通,即:

第一個(gè)時(shí)間段內(nèi)使SApp,SApn,SBnp,SBnn導(dǎo)通,此時(shí)直流電壓為線電壓UAB=uA-uB。

第二個(gè)時(shí)間段內(nèi)使SApp,SApn,SCnp,SCnn導(dǎo)通,此時(shí)直流電壓為線電壓UAC=uA-uC。

整流側(cè)調(diào)制的第二個(gè)目標(biāo)是使輸入功率因數(shù)為1。仍以第1扇區(qū)為例,A相始終連到直流正極p;B,C兩相按照開關(guān)狀態(tài)交替接到直流負(fù)極n。在一個(gè)PWM周期內(nèi),局部直流平均電流為恒定值,三相輸入電流局部平均值為A,B,C。設(shè)dAB,dAC分別為兩個(gè)時(shí)間段的占空比,則:

dAB+dAC=1(5)

A=(dAB+dAC)=

B=dAB

C=dAC(6)

為實(shí)現(xiàn)輸入功率因數(shù)為“1”,應(yīng)使每相輸入電流在任意時(shí)刻與其同一相電壓成正比,即:

A∝uAB∝uBC∝uC(7)

因此,第一時(shí)間段的占空比為:

dAB=-B=-BA=-cos θBcos θA=-uBuA(8)

SApp,SApn,SBnp,SBnn在一個(gè)PWM周期中的導(dǎo)通時(shí)間為:

τAB=Ts?dAB(9)

第二時(shí)間段的占空比為:

dAC=-C=-CA=-cos θCcos θA=-uCuA(10)

SApp,SApn,SCnp,SCnn在一個(gè)PWM周期中的導(dǎo)通時(shí)間為:

τAC=Ts?dAC(11)

一個(gè)PWM周期內(nèi)的直流側(cè)平均電壓為:

=dAB?UAB+dAC?UAC(12)

將式(1),式(8)~式(11)代入式(12)中,得:

=3Uim2cos θA(13)

同理可得在一般情況下各PWM周期內(nèi)的局部平均電壓:

=3Um2cos θi(14)

式中:cos θi=max(cos θA,cos θB,cos θC)。

按照同樣的方法可以得到其他扇區(qū)的開關(guān)狀態(tài)和相應(yīng)的占空比,如表1所示。

表1 各扇區(qū)整流側(cè)的開關(guān)狀態(tài)和直流電壓

扇區(qū)第一時(shí)間段第二時(shí)間段

導(dǎo)通開關(guān)直流電壓導(dǎo)通開關(guān)直流電壓

1SAp,SBnUABSAp,SCnUAC

2SBp,SCnUBCSAp,SCnUAC

3SBp,SCnUBCSBp,SAnUBA

4SCp,SAnUCASBp,SAnUBA

5SCp,SAnUCASCp,SBnUCB

6SAp,SBnUABSCp,SBnUCB

3.1.2 逆變側(cè)的空間矢量調(diào)制(SVPWM)

逆變側(cè)采用空間矢量調(diào)制(SVPWM)[15,16]。假設(shè)直流電壓恒定,逆變側(cè)的6個(gè)開關(guān)可以合成6個(gè)有效空間矢量以及2個(gè)零矢量,如圖4所示。

線電壓有效空間矢量幅值為2/3。設(shè)UJ為期望的某一瞬間的線電壓空間矢量,當(dāng)它處于六邊形的某個(gè)扇區(qū)內(nèi)時(shí),此扇區(qū)相鄰的兩個(gè)有效空間矢量為Uα,Uβ,UJ與Uα的夾角為θ?？梢愿鶕?jù)空間矢量調(diào)制原理和正弦定理得到Uα,Uβ,U0(零矢量)的占空比分別為:

dα=23Uom2u/3sinπ3-θ=m2sinπ3-θ

dβ=23Uom2u/3sin θ=m2sin θ

d0=1-dα-dβ(15)

逆變側(cè)調(diào)制系數(shù)為:

m2=Uom/(16)

式中:Uom為期望輸出線電壓空間矢量UJ的幅值。

各矢量的作用時(shí)間分別為:

τα=Ts?dα

τβ=Ts?dβ

τ0=Ts?d0(17)

在實(shí)際調(diào)制中,由于是一個(gè)變量,因此要對(duì)式(16)~式(18)進(jìn)行修正,修正公式為:

m2=23?UomUmcos θi(18)

綜合整流側(cè)的PWM調(diào)制和逆變側(cè)的空間矢量調(diào)制可得雙級(jí)矩陣變換器的控制規(guī)律。應(yīng)該注意的是在一個(gè)PWM周期內(nèi),整流側(cè)的輸出直流電壓值是不同的,因而逆變側(cè)在一個(gè)PWM周期中矢量的占空比以及作用時(shí)間應(yīng)該在兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)分別計(jì)算。

圖4 輸出電壓空間矢量六邊形和輸出線電壓矢量合成圖

圖5為雙級(jí)矩陣變換器的開關(guān)矢量序列,可以注意到零矢量被分配到了每個(gè)時(shí)間段的首、末端,這樣可以使雙級(jí)矩陣變換器的整流側(cè)采用零電流換流法。另外在第一個(gè)時(shí)間段的末端和第二個(gè)時(shí)間段的首端插入的零矢量為U7而不是U0,這將減少開關(guān)損耗。

3.2 換流策略

換流是指將負(fù)載電流從一個(gè)雙向開關(guān)管換到另一個(gè)雙向開關(guān)管。在矩陣式變換器的運(yùn)行過程中,開關(guān)管通斷狀態(tài)不斷改變,換流始終存在。因此如何實(shí)現(xiàn)安全換流,是矩陣式變換器控制策略中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

圖5 雙級(jí)矩陣變換器PWM序列

矩陣式變換器雙向開關(guān)的兩個(gè)輸入線不能同時(shí)與同一輸出線相連,以避免短路,同時(shí)每一輸出線必須始終與一輸入線連接,以避免感性負(fù)載開路。這就意味著兩個(gè)開關(guān)換流時(shí)既不能有死區(qū)又不能有交疊,否則任何一種情況都將導(dǎo)致開關(guān)管損壞。四步換流法是解決矩陣式變換器換流問題比較好的方法,但其控制復(fù)雜,穩(wěn)定性差。雙級(jí)矩陣變換器在結(jié)構(gòu)上分為整流側(cè)和逆變側(cè),因而在控制上比傳統(tǒng)矩陣變換器更為自由、靈活,可使用零電流換流策略,換流簡(jiǎn)單可靠,易實(shí)現(xiàn)[17]。

在逆變側(cè)的空間矢量調(diào)制中,每個(gè)PWM周期都要插入零矢量,使輸出達(dá)到期望值。當(dāng)逆變側(cè)插入零矢量時(shí),其三相輸出全部接到直流同一極(p極或n極),此時(shí)直流電流為零,而零電流換流策略就是當(dāng)整流級(jí)電路的電流也為零時(shí)(即逆變側(cè)插入零矢量時(shí))整流側(cè)開關(guān)管換流。但必須保證開關(guān)管開通瞬間沒有重疊,否則將導(dǎo)致輸入線電壓間短路。這樣,既保證了換流的可靠性,又使控制簡(jiǎn)單。

用圖6中A相到B相的換流為例說明:在t0時(shí)刻,逆變側(cè)工作在零矢量U0或U7狀態(tài);在確保逆變部分工作在零矢量U0或U7狀態(tài)后,在t1時(shí)刻,先關(guān)斷SA1信號(hào),使A相上橋臂雙向開關(guān)關(guān)斷;為避免A,B兩相橫向短路,必須插入一個(gè)死區(qū)時(shí)間。在t2時(shí)刻,開通SB1信號(hào),使B相上橋臂雙向開關(guān)導(dǎo)通;在確保B相上橋臂雙向開關(guān)完全導(dǎo)通后,在t3時(shí)刻,逆變部分零矢量U0或U7狀態(tài)結(jié)束,換流過程從而結(jié)束。

圖6 開關(guān)拓?fù)潆娐返牧汶娏鲹Q流

從以上分析可知,開關(guān)器件的開關(guān)速度決定了最小安全換流時(shí)間,也就是說開關(guān)器件的開關(guān)速度決定了最小零矢量作用時(shí)間。

4 雙級(jí)矩陣變換器的仿真

按照上述的調(diào)制策略并基于Matlab/Simulink的仿真平臺(tái)建立了雙級(jí)矩陣變換器的系統(tǒng)仿真模型[15,16],如圖7所示。

仿真條件如下:輸入為對(duì)稱三相電源,其相電壓幅值為380 V ,頻率為50 Hz;要求輸入功率因數(shù)為“1”;采樣頻率Ts=20 kHz;期望輸出電壓為380 V/50 Hz的三相對(duì)稱電壓;負(fù)載為阻感性負(fù)載;仿真算法為ode23tb。

圖7 雙級(jí)矩陣變換器的系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖

圖8為矩陣變換器輸入側(cè)的A相電壓和A相電流,從仿真結(jié)果可以看出電流與電壓同相位,輸入功率因數(shù)為“1”。

圖8 矩陣變換器輸入電壓與輸入電流

圖9為矩陣變換器整流側(cè)輸出電壓Udc波形,由仿真結(jié)果可以看出,整流側(cè)輸出電壓Udc>0 恒成立,且Udc 恒為最大值,能夠保證輸出電壓的傳輸比,達(dá)到整流側(cè)的要求。

圖9 矩陣變換器整流側(cè)的輸出電壓波形

圖10為矩陣變換器輸出線電壓UAB波形,可以看出,其輸出頻率為50 Hz時(shí),線電壓幅值為660 V左右。

圖10 矩陣變換器輸出線電壓波形

仿真結(jié)果表明,輸出雙級(jí)矩陣變換器的性能優(yōu)越,完全可以作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的交流勵(lì)磁裝置。

5 結(jié) 語(yǔ)

雙級(jí)矩陣變換器由于其自身的優(yōu)點(diǎn)在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中有很多優(yōu)勢(shì)。本文從雙級(jí)矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)入手,分析討論了基本工作原理,并就其控制策略和換流技術(shù)進(jìn)行了深入的研究,提出了可行性的解決方案。運(yùn)用Matlab仿真軟件,建立了雙級(jí)矩陣變換器的仿真模型。

仿真結(jié)果表明,采用雙級(jí)矩陣變換器作為交流勵(lì)磁電源,不但能滿足交流勵(lì)磁變速恒頻發(fā)電所必須的功率雙向流通,而且可以簡(jiǎn)單、靈活地實(shí)現(xiàn)相間換流,有效地抑制諧波對(duì)電網(wǎng)的污染,進(jìn)而提高系統(tǒng)電能質(zhì)量。這一結(jié)果也為變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供了較為可貴的參考。

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