变速恒频风力发电系统中矩阵变换器的仿真研究

刘晓宇,张润和,武海涛

摘 要:双级矩阵变换器是在传统9开关矩阵变换器的基础上发展起来的一种新型矩阵式变换器,其自身的优点更适宜作为变速恒频风力发电系统中双馈电机的励磁装置。分析了双级矩阵变换器的拓朴结构和基本原理,根据其特点采用PWM控制与空间矢量调制法相结合并应用零电流换流法进行控制,并基于Matlab/Simulink对双级矩阵变换器进行了建模与仿真。仿真结果验证了控制方案的可行性和正确性。

关键词:风力发电系统;双级矩阵变换器;零电流换流;PWM 控制;空间矢量调制;建模与仿真

中图分类号:TP23文献标识码:A

文章编号: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

能源危机和环境危机使人们越来越意识到开发可再生能源的重要性,必须采取可持续化发展战略,利用科技手段开发可再生能源[1-4]。由于风能是一种无污染可再生的“绿色”能源,因此对风力发电系统的研究已成为全世界当前能源开发利用的一个重大课题。为提高风能的获取转换的利用率,目前风力发电机组主要采用变速恒频双馈发电系统[5-7]。在变速下实现恒频发电的关键技术是利用变换器对双馈发电机进行交流励磁控制。目前所使用的变换器主要有交-交变换器和交-直-交变换器,但是它们普遍存在输入功率因数低,谐波含量大,输出频率受到限制,控制策略复杂等缺点。因此,研究性能更为良好的变换器具有重大的现实意义[8]。

1 双级矩阵变换器的特点

双级矩阵变换器是由传统9开关矩阵式变换器演变而来的一种具有新型拓扑结构的矩阵变换器,它不仅保留了传统9开关矩阵变换器的优点[9],而且可以克服传统9开关矩阵变换器的一些缺点。双级矩阵变换器拓扑结构包括整流侧与逆变侧,可分别对整流侧和逆变侧进行控制,因而与传统9开关矩阵变换器相比,其控制策略更为灵活、简单;双级矩阵变换器的整流侧开关可实现零电流换流,系统换流控制比传统矩阵变换器更为简单,容易实现。基于上述优点,双级矩阵变换更适合作为双馈发电机的励磁装置。双级矩阵变换器励磁的双馈风力发电系统如图1所示。

图1 双馈风力发电机系统原理图

2 双级矩阵变换器的拓扑结构和基本原理

2.1 双级矩阵变换器的拓扑结构

双级矩阵变换器的拓扑结构由整流侧和逆变侧两部分组成,中间直流部分无须很大的储能元件。由于要求能量可双向流通,因此整流侧和逆变侧均采用双向开关。

但当保证中间直流环节电压Udc的极性始终为正时,逆变侧的双向开关就可以由单向的电力电子开关管来代替,这样实际需要的电力电子开关管数量则为18个(例如IGBT),其结构图如图2所示[10,11]。

图2 双级矩阵式变换器拓扑结构

为避免开关器件在关断时受到大电压和大电流的冲击,一般要设置相应的箝位电路。双级矩阵变换器的箝位电路非常简单,仅用一个二极管与电容串联即可,如图2所示。

2.2 基本工作原理

设双级矩阵变换器输入三相电源相电压为:

Ui=uAuBuC=Uimcos(ωit)

Uimcos(ωit-2π3)

Uimcos(ωit+2π3)(1)

式中:ωi为输入电压角频率;Uim为输入相电压幅值。

设期望三相输出线电压为:

Uo=uUVuVWuWU=3Uomcos(ωot+φo)

3Uomcos(ωot+φo-2π3)3Uomcos(ωot+φo+2π3)(2)

式中:ωo为输出电压角频率;Uom为输出相电压幅值;φo为输出电压初始相位角。

这样,存在3×3的占空比矩阵T,使得:

uUVuVWuWU=TuAuBuC(3)

双级矩阵变换器的整流侧和逆变侧相对彼此独立,分析时可将其分解为交-直和直-交两个部分,故T为:

T=mSUpSUnSVpSVnSWpSWnSApSAnSBpSBnSCpSCn(4)

式中:m为调制系数,且0≤m≤1。

3 双级矩阵变换器的控制及换流策略

3.1 控制策略

由于双级矩阵变换器从拓扑结构上可分为整流侧电路和逆变侧电路,因而其控制策略也分为整流侧的控制和逆变侧的控制[12-14]。

3.1.1 整流侧的脉宽调制(PWM)

整流侧采用脉宽调制(PWM),其调制目标之一是维持整流侧输出电压Udc>0恒成立。为了保证电压的最大传输比,使整流侧输出电压Udc恒为最大值,可将输入电压在一个周期内六等分,把每个等分称为一个扇区,每个扇区对应的角度为π/3,如图3所示。这样每个扇区具有相同的特点,其中一相电压绝对值为最大,另两相电压极性与它正好相反。

图3 输入电压六区间的划分

在每一扇区内,PWM调制周期可分为两个时间段,以第1扇区为例说明:在第一扇区中uA为正,并且其电压绝对值为最大;uB,uC两相电压极性同它相反。这时A相始终正向导通,为了得到波动不大的直流侧电压,使B,C两相交替导通,即:

第一个时间段内使SApp,SApn,SBnp,SBnn导通,此时直流电压为线电压UAB=uA-uB。

第二个时间段内使SApp,SApn,SCnp,SCnn导通,此时直流电压为线电压UAC=uA-uC。

整流侧调制的第二个目标是使输入功率因数为1。仍以第1扇区为例,A相始终连到直流正极p;B,C两相按照开关状态交替接到直流负极n。在一个PWM周期内,局部直流平均电流为恒定值,三相输入电流局部平均值为A,B,C。设dAB,dAC分别为两个时间段的占空比,则:

dAB+dAC=1(5)

A=(dAB+dAC)=

B=dAB

C=dAC(6)

为实现输入功率因数为“1”,应使每相输入电流在任意时刻与其同一相电压成正比,即:

A∝uAB∝uBC∝uC(7)

因此,第一时间段的占空比为:

dAB=-B=-BA=-cos θBcos θA=-uBuA(8)

SApp,SApn,SBnp,SBnn在一个PWM周期中的导通时间为:

τAB=Ts•dAB(9)

第二时间段的占空比为:

dAC=-C=-CA=-cos θCcos θA=-uCuA(10)

SApp,SApn,SCnp,SCnn在一个PWM周期中的导通时间为:

τAC=Ts•dAC(11)

一个PWM周期内的直流侧平均电压为:

=dAB•UAB+dAC•UAC(12)

将式(1),式(8)~式(11)代入式(12)中,得:

=3Uim2cos θA(13)

同理可得在一般情况下各PWM周期内的局部平均电压:

=3Um2cos θi(14)

式中:cos θi=max(cos θA,cos θB,cos θC)。

按照同样的方法可以得到其他扇区的开关状态和相应的占空比,如表1所示。

表1 各扇区整流侧的开关状态和直流电压

扇区第一时间段第二时间段

导通开关直流电压导通开关直流电压

1SAp,SBnUABSAp,SCnUAC

2SBp,SCnUBCSAp,SCnUAC

3SBp,SCnUBCSBp,SAnUBA

4SCp,SAnUCASBp,SAnUBA

5SCp,SAnUCASCp,SBnUCB

6SAp,SBnUABSCp,SBnUCB

3.1.2 逆变侧的空间矢量调制(SVPWM)

逆变侧采用空间矢量调制(SVPWM)[15,16]。假设直流电压恒定,逆变侧的6个开关可以合成6个有效空间矢量以及2个零矢量,如图4所示。

线电压有效空间矢量幅值为2/3。设UJ为期望的某一瞬间的线电压空间矢量,当它处于六边形的某个扇区内时,此扇区相邻的两个有效空间矢量为Uα,Uβ,UJ与Uα的夹角为θ。可以根据空间矢量调制原理和正弦定理得到Uα,Uβ,U0(零矢量)的占空比分别为:

dα=23Uom2u/3sinπ3-θ=m2sinπ3-θ

dβ=23Uom2u/3sin θ=m2sin θ

d0=1-dα-dβ(15)

逆变侧调制系数为:

m2=Uom/(16)

式中:Uom为期望输出线电压空间矢量UJ的幅值。

各矢量的作用时间分别为:

τα=Ts•dα

τβ=Ts•dβ

τ0=Ts•d0(17)

在实际调制中,由于是一个变量,因此要对式(16)~式(18)进行修正,修正公式为:

m2=23•UomUmcos θi(18)

综合整流侧的PWM调制和逆变侧的空间矢量调制可得双级矩阵变换器的控制规律。应该注意的是在一个PWM周期内,整流侧的输出直流电压值是不同的,因而逆变侧在一个PWM周期中矢量的占空比以及作用时间应该在两个时间段内分别计算。

图4 输出电压空间矢量六边形和输出线电压矢量合成图

图5为双级矩阵变换器的开关矢量序列,可以注意到零矢量被分配到了每个时间段的首、末端,这样可以使双级矩阵变换器的整流侧采用零电流换流法。另外在第一个时间段的末端和第二个时间段的首端插入的零矢量为U7而不是U0,这将减少开关损耗。

3.2 换流策略

换流是指将负载电流从一个双向开关管换到另一个双向开关管。在矩阵式变换器的运行过程中,开关管通断状态不断改变,换流始终存在。因此如何实现安全换流,是矩阵式变换器控制策略中一项关键技术。

图5 双级矩阵变换器PWM序列

矩阵式变换器双向开关的两个输入线不能同时与同一输出线相连,以避免短路,同时每一输出线必须始终与一输入线连接,以避免感性负载开路。这就意味着两个开关换流时既不能有死区又不能有交叠,否则任何一种情况都将导致开关管损坏。四步换流法是解决矩阵式变换器换流问题比较好的方法,但其控制复杂,稳定性差。双级矩阵变换器在结构上分为整流侧和逆变侧,因而在控制上比传统矩阵变换器更为自由、灵活,可使用零电流换流策略,换流简单可靠,易实现[17]。

在逆变侧的空间矢量调制中,每个PWM周期都要插入零矢量,使输出达到期望值。当逆变侧插入零矢量时,其三相输出全部接到直流同一极(p极或n极),此时直流电流为零,而零电流换流策略就是当整流级电路的电流也为零时(即逆变侧插入零矢量时)整流侧开关管换流。但必须保证开关管开通瞬间没有重叠,否则将导致输入线电压间短路。这样,既保证了换流的可靠性,又使控制简单。

用图6中A相到B相的换流为例说明:在t0时刻,逆变侧工作在零矢量U0或U7状态;在确保逆变部分工作在零矢量U0或U7状态后,在t1时刻,先关断SA1信号,使A相上桥臂双向开关关断;为避免A,B两相横向短路,必须插入一个死区时间。在t2时刻,开通SB1信号,使B相上桥臂双向开关导通;在确保B相上桥臂双向开关完全导通后,在t3时刻,逆变部分零矢量U0或U7状态结束,换流过程从而结束。

图6 开关拓扑电路的零电流换流

从以上分析可知,开关器件的开关速度决定了最小安全换流时间,也就是说开关器件的开关速度决定了最小零矢量作用时间。

4 双级矩阵变换器的仿真

按照上述的调制策略并基于Matlab/Simulink的仿真平台建立了双级矩阵变换器的系统仿真模型[15,16],如图7所示。

仿真条件如下:输入为对称三相电源,其相电压幅值为380 V ,频率为50 Hz;要求输入功率因数为“1”;采样频率Ts=20 kHz;期望输出电压为380 V/50 Hz的三相对称电压;负载为阻感性负载;仿真算法为ode23tb。

图7 双级矩阵变换器的系统仿真结构图

图8为矩阵变换器输入侧的A相电压和A相电流,从仿真结果可以看出电流与电压同相位,输入功率因数为“1”。

图8 矩阵变换器输入电压与输入电流

图9为矩阵变换器整流侧输出电压Udc波形,由仿真结果可以看出,整流侧输出电压Udc>0 恒成立,且Udc 恒为最大值,能够保证输出电压的传输比,达到整流侧的要求。

图9 矩阵变换器整流侧的输出电压波形

图10为矩阵变换器输出线电压UAB波形,可以看出,其输出频率为50 Hz时,线电压幅值为660 V左右。

图10 矩阵变换器输出线电压波形

仿真结果表明,输出双级矩阵变换器的性能优越,完全可以作为风力发电系统的交流励磁装置。

5 结 语

双级矩阵变换器由于其自身的优点在变速恒频风力发电系统中有很多优势。本文从双级矩阵变换器拓扑结构入手,分析讨论了基本工作原理,并就其控制策略和换流技术进行了深入的研究,提出了可行性的解决方案。运用Matlab仿真软件,建立了双级矩阵变换器的仿真模型。

仿真结果表明,采用双级矩阵变换器作为交流励磁电源,不但能满足交流励磁变速恒频发电所必须的功率双向流通,而且可以简单、灵活地实现相间换流,有效地抑制谐波对电网的污染,进而提高系统电能质量。这一结果也为变速恒频风力发电系统的实际应用提供了较为可贵的参考。

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