矩陣變換器在風(fēng)力發(fā)電系統中的應用研究

摘要：風(fēng)力發(fā)電是一種重要的新能源技術(shù)。介紹了應用于新型風(fēng)力發(fā)電系統的矩陣變換器，詳細分析了具有9個(gè)雙向開(kāi)關(guān)的傳統矩陣變換器與改進(jìn)的雙橋結構矩陣變換器，以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)。通過(guò)分析比較得出，雙橋結構矩陣變換器控制策略簡(jiǎn)單，對于不同負載，開(kāi)關(guān)數目可以減少。其中，具有15個(gè)開(kāi)關(guān)的雙橋矩陣變換器以其經(jīng)濟性和控制的成熟性，適用于新型的風(fēng)力發(fā)電系統。最后，詳細介紹了該雙橋式矩陣變換器箝位電路的工作原理和參數設計。

關(guān)鍵詞：矩陣變換器；雙向開(kāi)關(guān)；雙橋結構拓撲；箝位電路

1 引言

隨著(zhù)電力電子裝置的日益普及，諧波和無(wú)功電流造成的電力公害越來(lái)越受到重視。風(fēng)力發(fā)電作為一種真正的“綠色”能源，在國民經(jīng)濟中占有極為重要的地位，它可以從根本上消除無(wú)功電流和諧波污染。圖1是一種新型的風(fēng)力發(fā)電系統基本結構框圖。

圖 1 風(fēng) 力 發(fā) 電 系 統 基 本 結 構 框 圖

Fig.1 Basic block diagram of WETS

該系統主要由1臺無(wú)刷雙饋異步電機，1臺交－交變頻器和一套控制裝置組成。其中無(wú)刷雙饋電機的定子接電網(wǎng)，轉子接變頻器，通過(guò)控制轉子電流的頻率、幅值、相位和相序，使系統實(shí)現兩個(gè)功能：一是發(fā)電機在不同的轉速下，都能發(fā)出恒頻電能，通過(guò)變頻器傳輸至電網(wǎng)，即實(shí)現變速恒頻運行；二是發(fā)電機定子端有功功率和無(wú)功功率可以獨立調節。那么，作為連接電網(wǎng)和發(fā)電機的交－交變頻器設備，其設計成為一個(gè)關(guān)鍵，要求它具有優(yōu)良控制性能，結構緊湊，而且具有高功率因數。

然而目前流行的交－直－交變頻器和交－交周波變換器，均有其負面影響——無(wú)功功率和諧波污染，需要添加有源濾波和無(wú)功補償裝置。因此，開(kāi)發(fā)“綠色”電力電子變換器，提高功率因數，各次諧波分量小于國際和國家標準允許的限度，顯然這才是一種治本的辦法^[1]。

矩陣變換器具有以下優(yōu)點(diǎn)^[2]：

1)可以實(shí)現四象限操作，能量雙向流動(dòng)；

2)輸入功率因數可接近1；

3)無(wú)直流中間環(huán)節，不需儲能電容，結構簡(jiǎn)單；

4)可獲得正弦波形的輸入電流和輸出電壓，無(wú)低次諧波；

5)輸出頻率不受輸入電源頻率的限制；

6)可實(shí)現變速恒頻應用。

基于上述優(yōu)點(diǎn)，本新型風(fēng)力發(fā)電系統的交-交變頻器采用矩陣變換器。通過(guò)合理設計，使風(fēng)力機組直接投入電網(wǎng)運行，這為風(fēng)力發(fā)電的廣泛應用提供了堅實(shí)的基礎。

矩陣變換器的設計關(guān)鍵在于主電路拓撲結構的選擇，波形生成及控制電路，箝位保護電路和其它功能輔助電路的實(shí)現。本文主要對矩陣變換器的拓撲結構和基本的箝位保護電路作了若干類(lèi)比分析；對波形生成及控制電路和其它功能輔助電路的具體分析將在另文中作進(jìn)一步的研究。

2 傳統矩陣變換器及其改進(jìn)型的類(lèi)比分析

2.1 傳統矩陣變換器分析

傳統的矩陣變換器由9個(gè)雙向開(kāi)關(guān)組成，其拓撲結構如圖2所示^[5]。虛框內為箝位保護電路，將在后續部分進(jìn)行分析。矩陣變換器所用的雙向開(kāi)關(guān)有三種結構形式，如圖3所示。

圖 2 傳 統 矩 陣 變 換 器 主 電 路

Fig.2 Topology of conventional matrix converter

(a) 開(kāi) 關(guān) 內 嵌 式 (b) 開(kāi) 關(guān) 共 射 極 式 (c) 開(kāi) 關(guān) 共 集 電 極 式

圖 3 雙 向 開(kāi) 關(guān) 的 三 種 形 式

Fig.3 Three different bi- directional switch implementations for matrix converter

傳統矩陣變換器結構簡(jiǎn)單，可控性強，可以直接進(jìn)行三相功率變換。它的輸入可以是N相頻率為fi的交流電，輸出可以是M相頻率為f0的交流電，目前一般以三相輸入輸出為主。下面先簡(jiǎn)單分析它的工作原理。根據圖2所示，9個(gè)雙向開(kāi)關(guān)在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內的占空比組成3行3列矩陣，稱(chēng)為開(kāi)關(guān)調制矩陣。矩陣變換器的控制即是找到并實(shí)現一個(gè)滿(mǎn)足開(kāi)關(guān)限制條件的開(kāi)關(guān)調制矩陣S?；谏鲜鰲l件，需先建立開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)函數。

對于任意雙向開(kāi)關(guān)，其開(kāi)關(guān)函數S_jk定義為：當開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)S_jk=0，閉合時(shí)S_jk=1；其中j={a，b，c}，k={u，v， w}。則圖2的三相輸出線(xiàn)電壓與開(kāi)關(guān)函數的關(guān)系可表述為

==S·（1）

對于三相對稱(chēng)的情況，三相輸入線(xiàn)電壓滿(mǎn)足方程：

V_sa＋V_sb＋V_sc=0（2）

從式(1)可見(jiàn)，選取不同的開(kāi)關(guān)調制矩陣S，對它進(jìn)行實(shí)時(shí)計算，控制開(kāi)關(guān)的占空比輸出，便得到不同的控制方法，實(shí)現所需的電源電壓和頻率的變換^[8]。在進(jìn)行具體的理論分析時(shí)，可以將該交-交直接矩陣變換器等效為成交-直-交的形式，如圖4所示。

圖 4 等 效 的 矩 陣 變 換 器 拓 撲

Fig.4 Equivalent matrix converter topology

實(shí)際應用中，由于輸入端是電壓源供電，不能短路；感性負載時(shí)，輸出端不能開(kāi)路，即是在變換器工作過(guò)程中，同一輸出線(xiàn)上的三個(gè)開(kāi)關(guān)中，必須且只能有一個(gè)開(kāi)關(guān)閉合，所以開(kāi)關(guān)函數還必須滿(mǎn)足式（3）

S_ak＋S_bk＋S_ck=1，（k∈P，N）（3）

根據圖4，利用附加的中間量VP， VN(以O點(diǎn)為參考點(diǎn)),可將式(1)轉化為如下方程：

=（4）

=（5）

式(4)和式(5)是進(jìn)行雙橋矩陣變換器拓撲改進(jìn)的理論基礎。因為，在稍后的應用研究中，將會(huì )發(fā)現傳統拓撲存在下述缺陷：

1）最大電壓增益為0.866，并且與控制算法無(wú)關(guān)；

2）主電路采用9個(gè)雙向開(kāi)關(guān)，在應用中存在著(zhù)雙向開(kāi)關(guān)的控制和保護問(wèn)題；要實(shí)現雙向開(kāi)關(guān)的控制和保護，要求兩個(gè)開(kāi)關(guān)換流時(shí)，既不能有死區又不能有交疊，任何一種情況都將導致開(kāi)關(guān)管的損壞；目前，為了實(shí)現安全換流，BuranyN.提出了一種四步半軟換流策略^[3]，臺灣學(xué)者潘晴財教授提出了一種基于電流滯環(huán)調制的諧振式軟開(kāi)關(guān)換流策略；

3）必須采用復雜的PWM控制和保護策略，同時(shí)要求采用復雜的箝位保護電路。

為了克服上述問(wèn)題，出現了一種新的雙橋式矩陣變換器拓撲^[4]。

2.2 雙橋式矩陣變換器分析

雙橋式矩陣變換器具有雙橋結構。它克服了傳統矩陣變換器的缺點(diǎn)，此外還具有以下的優(yōu)點(diǎn)：

1)控制容易，電網(wǎng)側的單橋可實(shí)現零電流開(kāi)關(guān)，負載端開(kāi)關(guān)控制類(lèi)似于傳統的DC/AC逆變器；

2)不同負載，開(kāi)關(guān)數目可以減少；

3)箝位電路大大簡(jiǎn)化。

雙橋矩陣變換器的基本原理是將交－交矩陣變換器等效為“整流器”和“逆變器”兩部分，且工作過(guò)程是在同一級變換器上進(jìn)行的。在風(fēng)力發(fā)電系統中，通過(guò)對“整流器”理想開(kāi)關(guān)函數的控制以獲得最大的直流電壓，而調節“逆變器”的理想開(kāi)關(guān)函數可得到所需頻率和幅值的輸出電壓。因此，可以方便地實(shí)現目前控制性能最好的矢量控制，簡(jiǎn)化了原有的傳統矩陣變換器的控制方案。在采用矢量控制的電機調速應用場(chǎng)合，可將電機調速系統的矢量控制和變換器的矢量控制合為一體。目前已有專(zhuān)用的SVPWM集成芯片供選用，控制簡(jiǎn)單^[2]。

2.2.1 18個(gè)開(kāi)關(guān)的矩陣變換器

基于一定的假設，可實(shí)現圖4所示的矩陣變換器。當V_P恒大于V_N時(shí)，在負載側單橋可用單向開(kāi)關(guān)代替雙向開(kāi)關(guān)，得到圖5所示的18個(gè)開(kāi)關(guān)的雙橋矩陣變換器拓撲^[4]。該拓撲適用于負載側單橋的電壓極性不可改變的場(chǎng)合，通過(guò)對電流流向的控制，同樣可以實(shí)現功率的雙向傳輸。那么，在風(fēng)電系統中，既可以實(shí)現從電網(wǎng)供電，也可以實(shí)現從負載端(無(wú)刷雙饋發(fā)電機)向電網(wǎng)反饋能量，獲得風(fēng)機的大范圍變速恒頻應用。

圖 5 18個(gè) 單 向 開(kāi) 關(guān) 的 矩 陣 變 換 器

Fig.5 Topology with 18 single directional switches