矩陣式變換器交流勵磁的變速恒頻風力發電系統的相關分析

朱黎

【摘 要】結合矩陣式變換器交流勵磁發電技術和矢量控制的優點建立了矩陣式變換器供電的變速恒頻交流勵磁風力發電機定子磁場定向的矢量變換控制系統模型該系統能夠在不同風速下最大程度地獲得風能，高質量發電，并實現有功、無功功率的獨立調節仿真結果展現了系統的優良特性，驗證了該方案的正確性和有效性。

【關鍵詞】變速恒頻風力發電；矩陣式變換器；交流勵磁；矢量控制

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。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。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一交變換器和交一直一交變換器，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。

一、雙級矩陣變換器的拓撲結構和基本原理

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，中間直流部分無需很大的儲能元件。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U。。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（詳見圖1）。

如圖1所示，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。

二、交流勵磁變速恒頻風力發電原理

對于水平軸的風力機其輸出功率與風速的3次方成正比：

P=（1/2）CpArv3（1）

式中r為空氣密度v為風速A為風力機掃掠面積Cp為風力機的輸出功率系數，由于風力機的輸出功率系數Cp在某一確定尖速比葉輪尖的線速與風速之比下可達最大值因此當風速在一定范圍變化時，恒速恒頻運行顯然不可能保持Cp為最大值風能得不到充分利用，變速恒頻下由于風力機轉速可變，通過控制可使其尖速比等于或接近最佳值從而可最大限度地利用風能圖1是一臺40kW風力機輸出功率p在不同風速v下隨轉速n變化的曲線從圖中可以看出為了在不同風速下捕獲最大風能提高風能利用率應按風速控制風力機的輸出轉速即通過調節風力機的槳葉來實現對應于風力機的不同轉速控制發電機輸出功率使其跟蹤風能曲線的最大值軌跡圖1中各風速下最大輸出風能點*的連線以實現最大程度地獲取風能。

當風力機轉速wr變化時為了保證發電機輸出的定子電壓頻率w1不變應按式（2）調節交流勵磁電源的頻率w2w1=wr±w2（2）即當發電機的轉速小于定子旋轉磁場的轉速時電機處于亞同步運行狀態變頻器向發電機轉子供電定子輸出電能至電網式（2）取正號當電機處于超同步運行狀態時發電機定子和轉子同時輸出電能至電網變頻器能量反向流動式（2）取負號（詳見圖2）。

由圖可知，風力發電中為最大限度地利用風能所采用的交流勵磁變速恒頻發電基本原理。

三、矩陣式變換器的控制策略

矩陣式變換器的控制策略可以分為直接變換法和間接變換法…：1）直接變換法：直接變換法是通過對輸入電壓的連續斬波來合成“輸出電壓”的，但具體實現復雜，軟件運算量較大，限制了應用范圍。2）間接變換法（交一直一交等效變換法）：基于空間矢量變換的一種方法，將交一交變換虛擬為交一直變換和直一交變換，采用高頻整流和高頻逆變PwM波形合成技術，變換器的性能可以得到較大的改善。而且具體實現時整流和逆變是一步完成的，低次諧波得到了較好的抑制，具有雙岡哪（PWM整流一PwM逆變）變換器的效果。它是目前在矩陣式變換器中研究較為成熟的一種方法，比較有發展前途。

采用間接變換法可以使用成熟的交一直一交變換器的調制策略，以獲得較好的輸出電壓和輸入電流波形。本文就采用這種變換方法。

1.矩陣式變換器的等效交一直一交變換

矩陣式變換器交一交直接變換關系可以從等效交一直一交變換中推得。一個實現交一交變換的矩陣式變換器可以采用由一個虛擬的整流器和一個虛擬的逆變器構成的等效交一直一交結構來代替。采用這樣的等效結構可以充分利用交一直一交變換中的PwM控制技術。并可對比分析出矩陣式變換器的實際結構的開關控制規律。

2.等效交一直一交結構的空間矢量調制

電壓空間矢量技術（S伊刪）著眼于使電機獲得幅值恒定的圓形磁場，即正弦磁通。它以三相對稱正弦波電壓供電時的理想圓形磁通軌跡為基準.用逆變器不同的開關模式產生的實際磁通去逼近基準磁通圓。從而達到較高的控制性能。三相橋式逆變電路中，其中同一橋臂的上下兩個晶體管的通斷狀態是互為反向的。因此，三相橋式逆變器的通斷狀態只有8種可能HJ。定義這8種開關組合為8個基本空間矢量，分別標記為“（001）、%（010）、%（011）、以（100）、乩（101）、玩（1lO）和2個零矢量砜（000）、%（111）。零矢量位于原點，相鄰非零矢量之間的夾角為600，利用這8種電壓矢量中的相鄰兩種的線性組合，使磁鏈逼近圓形旋轉磁鏈。

四、結束語

本文結合矩陣式變換器、交流勵磁發電和矢量變換控制的優點，建立了矩陣式變換器供電的變速恒頻交流勵磁風力發電機定子磁場定向的矢量控制系統模型，并對該系統進行了較為全面的仿真研究。結果表明，采用定子磁場定向的矢量控制可以通過控制轉子側的勵磁電壓實現電機輸出有功和無功功率的獨立調節，應用矩陣式變換器作為交流勵，磁電源不但能滿足交流勵磁變速恒頻發電所必需的功率雙向流而且其優良的輸入、輸出特性確保了生產滿足要求的高質量電能。同時在真正意義上解決了能源的最佳利用和環保問題，為風能、潮汐能等后續能源的開發利用提供了新的可持續發展的技術途徑。

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