直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中TSMC的研究

王 碩，田立欣，黃殿君，蓋國權(quán)

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080；2.內(nèi)蒙古電力（集團）有限責(zé)任公司巴彥淖爾電業(yè)局 內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000）

風(fēng)能是一種可再生的、無污染的綠色能源，所以風(fēng)電的發(fā)展越來越受到人們的重視，各國都在大力發(fā)展本國的風(fēng)電項目。直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)也以其自身的獨特優(yōu)勢受到越來越多科研工作者的重視，而在直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的全功率變流器的地位是至關(guān)重要的，所以筆者討論了將TSMC（雙級矩陣變換器）用于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。TSMC器集合了矩陣變換器和傳統(tǒng)的交-直-交變換器的優(yōu)點，對TSMC的深入研究不僅對風(fēng)力發(fā)電并且整個電力變換領(lǐng)域都有重要的意義。

1 TSMC用于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系介紹

直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)力機直接與永磁同步發(fā)電機相連，不需要升速齒輪箱。首先將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為頻率和幅值均變化的交流電，然后通過電力電子變換裝置變?yōu)楹惴泐l率的交流電接入電網(wǎng)。與現(xiàn)在普遍使用的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比，由于采用風(fēng)機與永磁同步發(fā)電機直接耦合，省去了齒輪箱，這樣大大減小了系統(tǒng)噪聲，降低了系統(tǒng)的控制難度，提高了系統(tǒng)的可靠性，延長了系統(tǒng)的使用壽命，降低了風(fēng)力發(fā)電成本。并且隨著全功率變流技術(shù)的快速發(fā)展，目前的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)正向無齒輪箱的直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電的趨勢發(fā)展，而且已經(jīng)在不同功率等級的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中開始應(yīng)用。直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對變流裝置要求較高，所以本文將TSMC應(yīng)用于直驅(qū)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，來得到性能更好的風(fēng)力發(fā)電機組。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[1-2]如圖1所示。

圖1 TSMC用于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 StructureofTSMCusedindirect-drivewindpowergenerationsystem

2 TSMC（雙級矩陣變換器）

TSMC與傳統(tǒng)的的交直交PWM變頻器和矩陣變換器相比，首先，具有良好的輸入輸出性能、高輸入功率因數(shù)，并且可以實現(xiàn)能量的雙向傳輸；其次，直流環(huán)節(jié)不需要大電容，鉗位電路簡單；再次，整流級可以實現(xiàn)開關(guān)零電流換流，逆變級可以采用傳統(tǒng)的矩陣變換器的換流方法，換流方法簡單，提高了整體的可靠性；并且具有中間直流環(huán)節(jié)可以采用比較成熟的PWM控制，進一步降低了系統(tǒng)的控制難度。

TSMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)由18個IGBT組成，整流級由6組發(fā)射極相連的IGBT構(gòu)成的雙向開關(guān)組成，逆變級與傳統(tǒng)的逆變器相同。

圖2 TSMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology of TSMC

3 TSMC的調(diào)制方法

3.1 整流級的PWM調(diào)制

TSMC整流級的調(diào)制目標(biāo)為：保證直流側(cè)的輸出電壓始終為正，電壓傳輸比為最大，并且輸入功率因數(shù)為一[3-6]。

設(shè)三相輸入電壓為：

式中Uim為輸入相電壓的幅值，ωi為輸入電壓的角頻率。為了便于分析整流級的調(diào)制原理，將一個周期的輸入電壓分成6等份，即六個扇區(qū)，每個扇區(qū)為π/3。如圖3所示。

圖3 整流級的扇區(qū)劃分Fig.3 Voltage intervals of rectifier stage

每個扇區(qū)都有一個共同的特點，一相的電壓絕對值最大，另外兩相的極性與之相反。所以將每一個扇區(qū)分為兩個時間段，在這連兩個時間段內(nèi)，保證電壓絕對值最大的那相的上橋臂或下橋臂始終導(dǎo)通，另外兩相的上下橋臂輪流導(dǎo)通。這樣在一個扇區(qū)內(nèi)就可以輸出兩個幅值最大的極性為正的電壓矢量，并且不會出現(xiàn)零矢量。

下面以扇區(qū)一為例進行說明：在扇區(qū)一中A相電壓始終為正且電壓值最大，B、C兩相電壓極性與之相反。所以，為保證電壓傳輸比為最大，在扇區(qū)一中A相始終導(dǎo)通，B相和C相輪流導(dǎo)通。 即第一段時間內(nèi) SAp1、SAp2、SBn1、SBn2導(dǎo)通，這時直流側(cè)的輸出電壓udc=uAB=uA-uB，傳遞函數(shù)為

第二段時間內(nèi) SAp1、SAp2、SCn1、SCn2導(dǎo)通，這時直流側(cè)的輸出電壓udc=uAC=uA-uC，傳遞函數(shù)為

整流級調(diào)制的另外一個目的，要保持輸入功率因數(shù)為1。仍以扇區(qū)一為例，直流側(cè)的正極p在扇區(qū)一中始終連接在A相，B、C兩相則輪流連接到直流側(cè)的負(fù)極n。在一個PWM調(diào)制周期內(nèi)，局部直流電流的平均值為iˉ為定值，三相輸入電流的局部平均值為iˉA、iˉB、iˉC。設(shè)兩段時間的占空比分別為dAB、dAC，所以有

為保持輸入功率因數(shù)為1，需使每相輸入電流平均值的大小始終與同相電壓成正比，所以

因此，第一段時間的占空比為

所以一個 PWM 調(diào)制周期內(nèi)， 開關(guān) SAp1、SAp2、SBn1、SBn2導(dǎo)通時間為：

式中，Ts為PWM調(diào)制周期。

第二段時間的占空比為

開關(guān) SAp1、SAp2、SCn1、SCn2的導(dǎo)通時間為：

同理可得其他扇區(qū)的開關(guān)狀態(tài)以及相應(yīng)的占空比。所以一個PWM調(diào)制周期內(nèi)的直流側(cè)平均電壓為

將式（1）、（7）和（9）代入式（11），得

同理可得其他調(diào)制周期內(nèi)的局部平均電壓為：

其中，cosθi=max（|cosθA|，|cosθB|，|cosθC|）。

3.2 逆變級的SVPWM調(diào)制

其中，d0為零電壓矢量，Uom為輸出線電壓空間矢量US的幅值，m為逆變級的調(diào)制比。

因為在實際情況中，uˉdc是變化的，所以實際的調(diào)制比為（將式（13）代入式（17））：

由于整流級的一個調(diào)制周期內(nèi)兩個時間段內(nèi)的直流電壓是不同的，所以逆變級的調(diào)制周期也要分為兩個階段進行。為了保證系統(tǒng)的電壓傳輸比，應(yīng)使一個調(diào)制周期內(nèi)的輸出矢量相位相同，所以整流級和逆變級的兩個時間段的占空比應(yīng)該相同：

第一段時間TAB：

第二段時間：

所以在TAB時間段內(nèi)，矢量UM分配的時間為TMAB，UN分配的時間為TNAB，U0分配的時間為T0AB；在TAC時間段內(nèi)，矢量UM分配的時間為TMAC，UN分配的時間為TNAC，U0分配的時間為T0AC。

4 TSMC的換流

TSMC相對傳統(tǒng)矩陣變換器來說，無需復(fù)雜的四步換流，換流簡單可靠。逆變級開關(guān)的換流可直接采用傳統(tǒng)的直—交逆變器的可靠地?fù)Q流方法。

整流級雙向開關(guān)的換流，當(dāng)雙向開關(guān)換流是逆變級都工作在零電壓空間矢量狀態(tài)，這樣就可以實現(xiàn)整流級的零電流環(huán)流，簡單可靠，這也是TSMC最主要的優(yōu)點之一。

5 仿真分析

圖4 直流電流和直流電壓仿真波形Fig.4 Simulation waveform of DC current and DC voltage

本文基于Matlab∕Simulink建立了TSMC的仿真模型，仿真參數(shù)如下：輸入相電壓為380 V，三相對稱阻感負(fù)載為電阻R=1 Ω、電感L=5 mH，系統(tǒng)的調(diào)制頻率為6 kHz。由于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中永磁同步發(fā)電機發(fā)出的為頻率變化的交流電，然后通過TSMC變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率的交流電。所以系統(tǒng)仿真主要驗證在輸入電壓頻率變化的情況下，系統(tǒng)能否較好的輸出與電網(wǎng)頻率相同的交流電。

第一種情況當(dāng)輸入電壓為50 Hz時，輸出電壓也為50 Hz。系統(tǒng)的仿真結(jié)果如下，圖 4（a）為直流電流波形，圖 4（b）為直流電壓波形，由圖可知直流電壓主要在輸入線電壓的幅值和其三分之一間變動，并且始終保持為正。圖5為輸出電壓和電流波形。圖6為輸出電流的頻譜分析。

圖5 輸出線電壓和電流仿真波形Fig.5 Simulation waveform of output line voltage and current

圖6 輸出電流的頻譜分析Fig.6 Spectral analysis of the output current

第二種情況輸入電壓為100 Hz，輸出電壓為50 Hz時，系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖7所示。圖7（a）為輸出電壓波形，（b）為輸出電流波形。

第三種情況輸入電壓為30 Hz，輸出電壓為50 Hz時，系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖8所示。圖8（a）為輸出電壓波形，（b）為輸出電流波形。

根據(jù)仿真結(jié)果可得：TSMC在不同輸入頻率的情況下，都能有穩(wěn)定的輸出50 Hz的交流電壓，很好的滿足直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電[7]系統(tǒng)對全功率變換器的要求，并且通過FFT分析可以了解到，系統(tǒng)除了開關(guān)頻率附近的高頻諧波，其他低頻諧波的分量很小，所以通過仿真結(jié)果可以得出TSMC具有優(yōu)秀的輸入輸出性能，并且非常適用于直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

圖7 輸入電壓為100 Hz時輸出電壓和電流波形Fig.7 When the frequency of input voltage is 100 Hz，the output voltage and current waveforms

圖8 輸入電壓為30 Hz時輸出電壓和電流波形Fig.8 When the frequency of input voltage is 30 Hz，the output voltage and current waveforms

6 結(jié)束語

本文首先分析了直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢以及對全功率變流器的要求，在此基礎(chǔ)上研究了將TSMC作為直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系的全功率變流器，充分發(fā)揮了TSMC的各項優(yōu)勢，是直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的性能優(yōu)勢更加突出。然后對TSMC整流級的PWM調(diào)制和逆變級的空間矢量調(diào)制進行了計算和推導(dǎo)，并且分析了TSMC的換流方法。最后通過MATLAB對整流級和逆變級的調(diào)制策略進行了仿真驗證，并且對不同頻率輸入的情況下的TSMC的穩(wěn)定輸出能力進行了驗證。同時也為以后的研究提供了理論基礎(chǔ)。

[1]李建林，許洪華.風(fēng)力發(fā)電中的電力電子變流技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[2]瞿興鴻，廖勇，姚俊，等.永磁同步直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)變流器設(shè)計[J].電力電子技術(shù)，2008，42（3）：22-24.

QU Xing-hong，LIAO Yong，YAO Jun，et al.Design of gridconnected converter for a permanent magnet synchronous direct-drive wind powergeneration system [J].Power Electronics，2008，42（3）：22-24.

[3]孫凱，周大寧，梅楊.矩陣變換器技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[4]鄧文浪，楊欣榮，朱建林，等.18開關(guān)雙級矩陣變換器的空間矢量調(diào)制策略及其仿真研究 [J].中國電機工程學(xué)報，2005，25（15）：84-90.

DENG Wen-lang，YANG Xin-rong，ZHU Jian-lin，et al.Space vector modulation strategy of two-siage matrix converter with 18 Switches and It’s Simulation Study[J].Proceedings of the CSEE，2005，25（15）：84-90.

[5]劉見，粟梅，孫堯，等.基于雙級矩陣變換器的永磁同步電機矢量控制[J].電力電子技術(shù)，2010，44（11）：65-68.

LIU Jian，SU Mei，SUN Yao，et al.Permanent magnet synchronous motor vector control based on Two-stage matrix converter[J].Power Electronics，2010，44（11）：65-68.

[6]王汝田，王建元，王永，彭茂君.雙級矩陣變換器的簡化調(diào)制方法[J].高電壓技術(shù)，2010，36（7）：1815-1820.

WANGRu-tian，WANGJian-yuan，WANGYong，etal.Simplified modulation method for two-stage matrix converter[J].High Voltage Engineering，2010，36（7）：1815-1820.

[7]鄒園，盛四清，虢韜.基于HHT風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)諧波檢測方法的研究 [J].陜西電力，2011（12）：54-57.

ZOU Yuan,SHENG Si-qing,GUO Tao.HHT-based wind power system harmonic detection[J].Shaanxi Electric Power,2011（12）：54-57.