矩陣變換器在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)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(yīng)用于新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的矩陣變換器，詳細(xì)分析了具有9個雙向開關(guān)的傳統(tǒng)矩陣變換器與改進(jìn)的雙橋結(jié)構(gòu)矩陣變換器，以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)。通過分析比較得出，雙橋結(jié)構(gòu)矩陣變換器控制策略簡單，對于不同負(fù)載，開關(guān)數(shù)目可以減少。其中，具有15個開關(guān)的雙橋矩陣變換器以其經(jīng)濟(jì)性和控制的成熟性，適用于新型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。最后，詳細(xì)介紹了該雙橋式矩陣變換器箝位電路的工作原理和參數(shù)設(shè)計。

關(guān)鍵詞：矩陣變換器；雙向開關(guān)；雙橋結(jié)構(gòu)拓?fù)洌惑槲浑娐?

1 引言

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

圖 1 風(fēng) 力 發(fā) 電 系 統(tǒng) 基 本 結(jié) 構(gòu) 框 圖

Fig.1 Basic block diagram of WETS

該系統(tǒng)主要由1臺無刷雙饋異步電機(jī)，1臺交－交變頻器和一套控制裝置組成。其中無刷雙饋電機(jī)的定子接電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子接變頻器，通過控制轉(zhuǎn)子電流的頻率、幅值、相位和相序，使系統(tǒng)實現(xiàn)兩個功能：一是發(fā)電機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下，都能發(fā)出恒頻電能，通過變頻器傳輸至電網(wǎng)，即實現(xiàn)變速恒頻運(yùn)行；二是發(fā)電機(jī)定子端有功功率和無功功率可以獨(dú)立調(diào)節(jié)。那么，作為連接電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的交－交變頻器設(shè)備，其設(shè)計成為一個關(guān)鍵，要求它具有優(yōu)良控制性能，結(jié)構(gòu)緊湊，而且具有高功率因數(shù)。

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(fù)面影響——無功功率和諧波污染，需要添加有源濾波和無功補(bǔ)償裝置。因此，開發(fā)“綠色”電力電子變換器，提高功率因數(shù)，各次諧波分量小于國際和國家標(biāo)準(zhǔn)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)可以實現(xiàn)四象限操作，能量雙向流動；

2)輸入功率因數(shù)可接近1；

3)無直流中間環(huán)節(jié)，不需儲能電容，結(jié)構(gòu)簡單；

4)可獲得正弦波形的輸入電流和輸出電壓，無低次諧波；

5)輸出頻率不受輸入電源頻率的限制；

6)可實現(xiàn)變速恒頻應(yīng)用。

基于上述優(yōu)點(diǎn)，本新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的交-交變頻器采用矩陣變換器。通過合理設(shè)計，使風(fēng)力機(jī)組直接投入電網(wǎng)運(yùn)行，這為風(fēng)力發(fā)電的廣泛應(yīng)用提供了堅實的基礎(chǔ)。

矩陣變換器的設(shè)計關(guān)鍵在于主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇，波形生成及控制電路，箝位保護(hù)電路和其它功能輔助電路的實現(xiàn)。本文主要對矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和基本的箝位保護(hù)電路作了若干類比分析；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(tǒng)矩陣變換器及其改進(jìn)型的類比分析

2.1 傳統(tǒng)矩陣變換器分析

傳統(tǒng)的矩陣變換器由9個雙向開關(guān)組成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示^[5]。虛框內(nèi)為箝位保護(hù)電路，將在后續(xù)部分進(jìn)行分析。矩陣變換器所用的雙向開關(guān)有三種結(jié)構(gòu)形式，如圖3所示。

圖 2 傳 統(tǒng) 矩 陣 變 換 器 主 電 路

Fig.2 Topology of conventional matrix converter

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

圖 3 雙 向 開 關(guān) 的 三 種 形 式

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

傳統(tǒng)矩陣變換器結(jié)構(gòu)簡單，可控性強(qiáng)，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。下面先簡單分析它的工作原理。根據(jù)圖2所示，9個雙向開關(guān)在每個開關(guān)周期內(nèi)的占空比組成3行3列矩陣，稱為開關(guān)調(diào)制矩陣。矩陣變換器的控制即是找到并實現(xiàn)一個滿足開關(guān)限制條件的開關(guān)調(diào)制矩陣S?；谏鲜鰲l件，需先建立開關(guān)的開關(guān)函數(shù)。

對于任意雙向開關(guān)，其開關(guān)函數(shù)S_jk定義為：當(dāng)開關(guān)斷開時S_jk=0，閉合時S_jk=1；其中j={a，b，c}，k={u，v， w}。則圖2的三相輸出線電壓與開關(guān)函數(shù)的關(guān)系可表述為

==S·（1）

對于三相對稱的情況，三相輸入線電壓滿足方程：

V_sa＋V_sb＋V_sc=0（2）

從式(1)可見，選取不同的開關(guān)調(diào)制矩陣S，對它進(jìn)行實時計算，控制開關(guān)的占空比輸出，便得到不同的控制方法，實現(xiàn)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，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

實際應(yīng)用中，由于輸入端是電壓源供電，不能短路；感性負(fù)載時，輸出端不能開路，即是在變換器工作過程中，同一輸出線上的三個開關(guān)中，必須且只能有一個開關(guān)閉合，所以開關(guān)函數(shù)還必須滿足式（3）

S_ak＋S_bk＋S_ck=1，（k∈P，N）（3）

根據(jù)圖4，利用附加的中間量VP， VN(以O(shè)點(diǎn)為參考點(diǎn)),可將式(1)轉(zhuǎn)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?fù)涓倪M(jìn)的理論基礎(chǔ)。因為，在稍后的應(yīng)用研究中，將會發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)拓?fù)浯嬖谙率鋈毕荩?

1）最大電壓增益為0.866，并且與控制算法無關(guān)；

2）主電路采用9個雙向開關(guān)，在應(yīng)用中存在著雙向開關(guān)的控制和保護(hù)問題；要實現(xiàn)雙向開關(guān)的控制和保護(hù)，要求兩個開關(guān)換流時，既不能有死區(qū)又不能有交疊，任何一種情況都將導(dǎo)致開關(guān)管的損壞；目前，為了實現(xiàn)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(diào)制的諧振式軟開關(guān)換流策略；

3）必須采用復(fù)雜的PWM控制和保護(hù)策略，同時要求采用復(fù)雜的箝位保護(hù)電路。

為了克服上述問題，出現(xiàn)了一種新的雙橋式矩陣變換器拓?fù)?sup>[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(jié)構(gòu)。它克服了傳統(tǒng)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(cè)的單橋可實現(xiàn)零電流開關(guān)，負(fù)載端開關(guān)控制類似于傳統(tǒng)的DC/AC逆變器；

2)不同負(fù)載，開關(guān)數(shù)目可以減少；

3)箝位電路大大簡化。

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，且工作過程是在同一級變換器上進(jìn)行的。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，通過對“整流器”理想開關(guān)函數(shù)的控制以獲得最大的直流電壓，而調(diào)節(jié)“逆變器”的理想開關(guān)函數(shù)可得到所需頻率和幅值的輸出電壓。因此，可以方便地實現(xiàn)目前控制性能最好的矢量控制，簡化了原有的傳統(tǒng)矩陣變換器的控制方案。在采用矢量控制的電機(jī)調(diào)速應(yīng)用場合，可將電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的矢量控制和變換器的矢量控制合為一體。目前已有專用的SVPWM集成芯片供選用，控制簡單^[2]。

2.2.1 18個開關(guān)的矩陣變換器

基于一定的假設(shè)，可實現(xiàn)圖4所示的矩陣變換器。當(dāng)V_P恒大于V_N時，在負(fù)載側(cè)單橋可用單向開關(guān)代替雙向開關(guān)，得到圖5所示的18個開關(guān)的雙橋矩陣變換器拓?fù)?sup>[4]。該拓?fù)溥m用于負(fù)載側(cè)單橋的電壓極性不可改變的場合，通過對電流流向的控制，同樣可以實現(xiàn)功率的雙向傳輸。那么，在風(fēng)電系統(tǒng)中，既可以實現(xiàn)從電網(wǎng)供電，也可以實現(xiàn)從負(fù)載端(無刷雙饋發(fā)電機(jī))向電網(wǎng)反饋能量，獲得風(fēng)機(jī)的大范圍變速恒頻應(yīng)用。

圖 5 18個 單 向 開 關(guān) 的 矩 陣 變 換 器

Fig.5 Topology with 18 single directional switches