變速恒頻風力發電系統中矩陣變換器的仿真研究

劉曉宇,張潤和,武海濤

摘 要:雙級矩陣變換器是在傳統9開關矩陣變換器的基礎上發展起來的一種新型矩陣式變換器,其自身的優點更適宜作為變速恒頻風力發電系統中雙饋電機的勵磁裝置。分析了雙級矩陣變換器的拓樸結構和基本原理,根據其特點采用PWM控制與空間矢量調制法相結合并應用零電流換流法進行控制,并基于Matlab/Simulink對雙級矩陣變換器進行了建模與仿真。仿真結果驗證了控制方案的可行性和正確性。

關鍵詞:風力發電系統;雙級矩陣變換器;零電流換流;PWM 控制;空間矢量調制;建模與仿真

中圖分類號:TP23文獻標識碼:A

文章編號: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

能源危機和環境危機使人們越來越意識到開發可再生能源的重要性,必須采取可持續化發展戰略,利用科技手段開發可再生能源[1-4]。由于風能是一種無污染可再生的“綠色”能源,因此對風力發電系統的研究已成為全世界當前能源開發利用的一個重大課題。為提高風能的獲取轉換的利用率,目前風力發電機組主要采用變速恒頻雙饋發電系統[5-7]。在變速下實現恒頻發電的關鍵技術是利用變換器對雙饋發電機進行交流勵磁控制。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低,諧波含量大,輸出頻率受到限制,控制策略復雜等缺點。因此,研究性能更為良好的變換器具有重大的現實意義[8]。

1 雙級矩陣變換器的特點

雙級矩陣變換器是由傳統9開關矩陣式變換器演變而來的一種具有新型拓撲結構的矩陣變換器,它不僅保留了傳統9開關矩陣變換器的優點[9],而且可以克服傳統9開關矩陣變換器的一些缺點。雙級矩陣變換器拓撲結構包括整流側與逆變側,可分別對整流側和逆變側進行控制,因而與傳統9開關矩陣變換器相比,其控制策略更為靈活、簡單;雙級矩陣變換器的整流側開關可實現零電流換流,系統換流控制比傳統矩陣變換器更為簡單,容易實現。基于上述優點,雙級矩陣變換更適合作為雙饋發電機的勵磁裝置。雙級矩陣變換器勵磁的雙饋風力發電系統如圖1所示。

圖1 雙饋風力發電機系統原理圖

2 雙級矩陣變換器的拓撲結構和基本原理

2.1 雙級矩陣變換器的拓撲結構

雙級矩陣變換器的拓撲結構由整流側和逆變側兩部分組成,中間直流部分無須很大的儲能元件。由于要求能量可雙向流通,因此整流側和逆變側均采用雙向開關。

但當保證中間直流環節電壓Udc的極性始終為正時,逆變側的雙向開關就可以由單向的電力電子開關管來代替,這樣實際需要的電力電子開關管數量則為18個(例如IGBT),其結構圖如圖2所示[10,11]。

圖2 雙級矩陣式變換器拓撲結構

為避免開關器件在關斷時受到大電壓和大電流的沖擊,一般要設置相應的箝位電路。雙級矩陣變換器的箝位電路非常簡單,僅用一個二極管與電容串聯即可,如圖2所示。

2.2 基本工作原理

設雙級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)

雙級矩陣變換器的整流側和逆變側相對彼此獨立,分析時可將其分解為交-直和直-交兩個部分,故T為:

T=mSUpSUnSVpSVnSWpSWnSApSAnSBpSBnSCpSCn(4)

式中:m為調制系數,且0≤m≤1。

3 雙級矩陣變換器的控制及換流策略

3.1 控制策略

由于雙級矩陣變換器從拓撲結構上可分為整流側電路和逆變側電路,因而其控制策略也分為整流側的控制和逆變側的控制[12-14]。

3.1.1 整流側的脈寬調制(PWM)

整流側采用脈寬調制(PWM),其調制目標之一是維持整流側輸出電壓Udc>0恒成立。為了保證電壓的最大傳輸比,使整流側輸出電壓Udc恒為最大值,可將輸入電壓在一個周期內六等分,把每個等分稱為一個扇區,每個扇區對應的角度為π/3,如圖3所示。這樣每個扇區具有相同的特點,其中一相電壓絕對值為最大,另兩相電壓極性與它正好相反。

圖3 輸入電壓六區間的劃分

在每一扇區內,PWM調制周期可分為兩個時間段,以第1扇區為例說明:在第一扇區中uA為正,并且其電壓絕對值為最大;uB,uC兩相電壓極性同它相反。這時A相始終正向導通,為了得到波動不大的直流側電壓,使B,C兩相交替導通,即:

第一個時間段內使SApp,SApn,SBnp,SBnn導通,此時直流電壓為線電壓UAB=uA-uB。

第二個時間段內使SApp,SApn,SCnp,SCnn導通,此時直流電壓為線電壓UAC=uA-uC。

整流側調制的第二個目標是使輸入功率因數為1。仍以第1扇區為例,A相始終連到直流正極p;B,C兩相按照開關狀態交替接到直流負極n。在一個PWM周期內,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dAB,dAC分別為兩個時間段的占空比,則:

dAB+dAC=1(5)

A=(dAB+dAC)=

B=dAB

C=dAC(6)

為實現輸入功率因數為“1”,應使每相輸入電流在任意時刻與其同一相電壓成正比,即:

A∝uAB∝uBC∝uC(7)

因此,第一時間段的占空比為:

dAB=-B=-BA=-cos θBcos θA=-uBuA(8)

SApp,SApn,SBnp,SBnn在一個PWM周期中的導通時間為:

τAB=Ts?dAB(9)

第二時間段的占空比為:

dAC=-C=-CA=-cos θCcos θA=-uCuA(10)

SApp,SApn,SCnp,SCnn在一個PWM周期中的導通時間為:

τAC=Ts?dAC(11)

一個PWM周期內的直流側平均電壓為:

=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的開關狀態和相應的占空比,如表1所示。

表1 各扇區整流側的開關狀態和直流電壓

扇區第一時間段第二時間段

導通開關直流電壓導通開關直流電壓

1SAp,SBnUABSAp,SCnUAC

2SBp,SCnUBCSAp,SCnUAC

3SBp,SCnUBCSBp,SAnUBA

4SCp,SAnUCASBp,SAnUBA

5SCp,SAnUCASCp,SBnUCB

6SAp,SBnUABSCp,SBnUCB

3.1.2 逆變側的空間矢量調制(SVPWM)

逆變側采用空間矢量調制(SVPWM)[15,16]。假設直流電壓恒定,逆變側的6個開關可以合成6個有效空間矢量以及2個零矢量,如圖4所示。

線電壓有效空間矢量幅值為2/3。設UJ為期望的某一瞬間的線電壓空間矢量,當它處于六邊形的某個扇區內時,此扇區相鄰的兩個有效空間矢量為Uα,Uβ,UJ與Uα的夾角為θ。可以根據空間矢量調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)

逆變側調制系數為:

m2=Uom/(16)

式中:Uom為期望輸出線電壓空間矢量UJ的幅值。

各矢量的作用時間分別為:

τα=Ts?dα

τβ=Ts?dβ

τ0=Ts?d0(17)

在實際調制中,由于是一個變量,因此要對式(16)~式(18)進行修正,修正公式為:

m2=23?UomUmcos θi(18)

綜合整流側的PWM調制和逆變側的空間矢量調制可得雙級矩陣變換器的控制規律。應該注意的是在一個PWM周期內,整流側的輸出直流電壓值是不同的,因而逆變側在一個PWM周期中矢量的占空比以及作用時間應該在兩個時間段內分別計算。

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

3.2 換流策略

換流是指將負載電流從一個雙向開關管換到另一個雙向開關管。在矩陣式變換器的運行過程中,開關管通斷狀態不斷改變,換流始終存在。因此如何實現安全換流,是矩陣式變換器控制策略中一項關鍵技術。

圖5 雙級矩陣變換器PWM序列

矩陣式變換器雙向開關的兩個輸入線不能同時與同一輸出線相連,以避免短路,同時每一輸出線必須始終與一輸入線連接,以避免感性負載開路。這就意味著兩個開關換流時既不能有死區又不能有交疊,否則任何一種情況都將導致開關管損壞。四步換流法是解決矩陣式變換器換流問題比較好的方法,但其控制復雜,穩定性差。雙級矩陣變換器在結構上分為整流側和逆變側,因而在控制上比傳統矩陣變換器更為自由、靈活,可使用零電流換流策略,換流簡單可靠,易實現[17]。

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

用圖6中A相到B相的換流為例說明:在t0時刻,逆變側工作在零矢量U0或U7狀態;在確保逆變部分工作在零矢量U0或U7狀態后,在t1時刻,先關斷SA1信號,使A相上橋臂雙向開關關斷;為避免A,B兩相橫向短路,必須插入一個死區時間。在t2時刻,開通SB1信號,使B相上橋臂雙向開關導通;在確保B相上橋臂雙向開關完全導通后,在t3時刻,逆變部分零矢量U0或U7狀態結束,換流過程從而結束。

圖6 開關拓撲電路的零電流換流

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

4 雙級矩陣變換器的仿真

按照上述的調制策略并基于Matlab/Simulink的仿真平臺建立了雙級矩陣變換器的系統仿真模型[15,16],如圖7所示。

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

圖7 雙級矩陣變換器的系統仿真結構圖

圖8為矩陣變換器輸入側的A相電壓和A相電流,從仿真結果可以看出電流與電壓同相位,輸入功率因數為“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輸出電壓Udc波形,由仿真結果可以看出,整流側輸出電壓Udc>0 恒成立,且Udc 恒為最大值,能夠保證輸出電壓的傳輸比,達到整流側的要求。

圖9 矩陣變換器整流側的輸出電壓波形

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,線電壓幅值為660 V左右。

圖10 矩陣變換器輸出線電壓波形

仿真結果表明,輸出雙級矩陣變換器的性能優越,完全可以作為風力發電系統的交流勵磁裝置。

5 結 語

雙級矩陣變換器由于其自身的優點在變速恒頻風力發電系統中有很多優勢。本文從雙級矩陣變換器拓撲結構入手,分析討論了基本工作原理,并就其控制策略和換流技術進行了深入的研究,提出了可行性的解決方案。運用Matlab仿真軟件,建立了雙級矩陣變換器的仿真模型。

仿真結果表明,采用雙級矩陣變換器作為交流勵磁電源,不但能滿足交流勵磁變速恒頻發電所必須的功率雙向流通,而且可以簡單、靈活地實現相間換流,有效地抑制諧波對電網的污染,進而提高系統電能質量。這一結果也為變速恒頻風力發電系統的實際應用提供了較為可貴的參考。

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