矩陣變換器在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

2.2.2 15個(gè)開關(guān)的矩陣變換器

通過對電網(wǎng)側(cè)各輸入相任意橋臂工作原理的分析可知，因?yàn)?，圖5中開關(guān)S_app和S_anp可以采用同一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號，所以，可將上述兩者用一個(gè)單向開關(guān)及兩個(gè)箝位二極管代替。簡化步驟如圖6所示。

圖 6 簡 化 開 關(guān) 數(shù) 目 的 步 驟

Fig.6 Steps to reduce the switch number

這樣，便可以得到簡化的具有15個(gè)單向開關(guān)的矩陣變換器拓?fù)?，如圖7所示。該結(jié)構(gòu)與圖5所示的拓?fù)湎啾容^，應(yīng)用場合類似，也具有相同的功能。比如，可以進(jìn)行四象限操作，實(shí)現(xiàn)雙向流動(dòng)，諧波容量低，功率因數(shù)接近1等等。其主要的區(qū)別在于，當(dāng)中間直流環(huán)節(jié)的電流i_dc大于0時(shí)，對于圖7所示的拓?fù)?，其電網(wǎng)側(cè)開關(guān)S_a，S_b，S_c的導(dǎo)通損耗會(huì)增加。

圖 7 具 有 15個(gè) 開 關(guān) 的 矩 陣 變 換 器 拓 撲

Fig.7 Reduction of switch number from 18 to 15

在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到減少開關(guān)數(shù)目和簡化控制的需要，推薦采用圖7所示的具有15個(gè)開關(guān)的矩陣變換器，成本可以大大降低。

3 矩陣變換器中箝位電路的設(shè)計(jì)分析

在矩陣變換器的實(shí)際應(yīng)用中，為了使矩陣變換器能夠穩(wěn)定安全工作，必須給開關(guān)外加過壓保護(hù)裝置。過壓保護(hù)裝置通常采用箝位電路，利用開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)來吸收存儲(chǔ)在L中的諧振能量，以實(shí)現(xiàn)箝位功能^[5]。箝位保護(hù)電路是在變換器發(fā)生故障的時(shí)候工作的，是矩陣變換器的一個(gè)重要組成部分。

本文采用最基本的電容箝位網(wǎng)絡(luò)，對于矩陣變換器的有源箝位技術(shù)將在另文中作進(jìn)一步闡述。

3.1 矩陣變換器中箝位電路的工作原理

圖2虛框部分所示的是傳統(tǒng)三相矩陣變換器的箝位電路，是用12個(gè)快速恢復(fù)二極管組成的2個(gè)整流橋?qū)⑤斎?輸出端連接在一起，還包括一個(gè)箝位電容C_c和一個(gè)泄放電阻R₁構(gòu)成^[6]。箝位電容參與能量的轉(zhuǎn)換，泄放電阻則給箝位電容提供一個(gè)放電通路。故障發(fā)生時(shí)，控制電路檢測到故障信號，并通過關(guān)閉驅(qū)動(dòng)信號使變換器的全部開關(guān)立刻關(guān)斷，于是箝位電路開始工作，切斷負(fù)載，并提供一個(gè)能量釋放回路，使功率器件得到保護(hù)。另外，根據(jù)保護(hù)原理，充分利用主電路拓?fù)渲械墓β势骷?，可以大大減少箝位二極管的數(shù)目，使箝位電路的設(shè)計(jì)得到簡化，降低成本^[6]。

改進(jìn)的雙橋拓?fù)渑c傳統(tǒng)拓?fù)浔容^而言，其箝位電路更為簡單，只需一個(gè)二極管D_c和一個(gè)電容Cc^[4]。下面對在風(fēng)電系統(tǒng)中推薦使用的具有15個(gè)開關(guān)的矩陣變換器拓?fù)溥M(jìn)行分析，其電路拓?fù)淙鐖D8所示。

圖 8 15開 關(guān) 的 矩 陣 變 換 器 的 箝 位 電 路

Fig.8 15-switch topology with clamp circuit

當(dāng)變換器啟動(dòng)后，電網(wǎng)側(cè)開關(guān)導(dǎo)通，箝位電容C_c被充電，直至其兩端的電壓達(dá)到線電壓峰值為止。在正常情況下，箝位電容電壓比V_dc大，因此箝位二極管D_c反向截止，箝位電路不工作。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，如前所述變換器的全部開關(guān)立刻斷開，存儲(chǔ)在負(fù)載電感中的能量轉(zhuǎn)移到箝位電容。所以只要箝位電容值合適選取，裝置的過壓就可以避免。

3.2 矩陣變換器中箝位電路的參數(shù)選擇

如果負(fù)載為雙饋電機(jī)，發(fā)生故障時(shí)，箝位二極管導(dǎo)通，箝位電容和電機(jī)的輸入端相連，但是電壓極性相反，因此切斷電機(jī)。箝位電容通過箝位二極管充電，此時(shí)它與負(fù)載連接的等效電路如圖9(a)所示。圖中的L_δs是定子漏感，L_δr是轉(zhuǎn)子漏感，而L_m是電機(jī)的勵(lì)磁電感；i_s，i_r，i_m則分別是定子電流，轉(zhuǎn)子電流和勵(lì)磁電流；C_c即是箝位電容。

初始箝位電壓V_c0等于輸入網(wǎng)壓的峰值。在電感放電過程中，假設(shè)勵(lì)磁電流保持不變。轉(zhuǎn)子電流從初始值i_r減小到勵(lì)磁電流i_m，箝位二極管則一直保持導(dǎo)通，直到定子電流i_s減小到0，也就是i_r=i_m的時(shí)刻，如圖9(b)所示。因此傳輸?shù)襟槲浑娐返目偰芰?Delta;Q_motor可以按下式計(jì)算。

(a) 變 換 器 與 電 機(jī) 連 接 的 等 效 模 型 (b) 雙 饋 電 機(jī) 的 電 流

圖 9 故 障 狀 態(tài) 下 ， 雙 饋 電 機(jī) 等 效 電 感 向 箝 位 電 容 放 電

Fig.9 Discharging of the inductances to the clamp capacitor during a fault situation

ΔQ_motor=(6)

對于最壞的情況，比如i_m=0，且i_r=i_s式(6)變?yōu)?

ΔQ_motor,max=(7)

傳輸?shù)哪芰?Delta;Q_motor,max是選取電容值的重要參數(shù)。電機(jī)斷開后，箝位電容兩端的電壓上升值V_cl為

V_cl=(8)

可求得所需要的電容值C_c為

C_c==(9)

式中：v_max為最大允許電壓，為實(shí)現(xiàn)在選取箝位電容C_c時(shí)保留一定的裕度，用v_max取代了式（8）中的v_cl；

I_lim為變換器的電流限制值，取代了式（7）中雙饋電機(jī)的定子電流值i_s。

從式（9）可以看出，箝位電容的選取，取決于三個(gè)參數(shù)：負(fù)載電感，負(fù)載電流和電容耐壓值。一般說來，對不同的電機(jī)，假定負(fù)載電流為電機(jī)額定電流值I_nom的1.5倍，最大的箝位電壓為1000V，選取電容時(shí)可參考表1的數(shù)據(jù)^[6]：