矩阵变换器在变速恒频风力发电中的研究与应用

马治国,朱 凌,李 伟

(华北电力大学,河北 保定 071003)

0 引 言

能源是一个国家发展工业、农业、国防、科学技术和提高人民生活水平的重要物质基础。电力则是国民经济发展中能效高、使用方便而被广泛应用的二次能源。目前,人类赖以生存和发展的能源主要还是靠储量有限的化石燃料,利用洁净的能源(可再生能源)是人类社会文明进步的表现、是科学技术的发展、环保理念的体现,也是一个地区环保的重要指标。洁净能源中以风能技术最为成熟,经济可行性较高,是一种较理想的可持续发展能源。交流励磁变速恒频风力发电系统由于变速范围宽,可使得风机叶尖转速与风速之比保持不变来达到最佳的风能利用系数,使得在较宽的风速变化范围内都可以得到较高的功率输出,同时其谐波污染较小,目前已有所应用。

交流励磁发电机系统中的主要设备是交流励磁器。采用变频器为使发电机获得由次同步到超同步的无级调速性能和有功与无功独立调节的运行特性,作为交流励磁器的变频装置必须具备的基本条件是：功率可双向传送,且输出电压及其电流的幅值、频率、相位、相序均可调节。矩阵变换器采用9个双向全控开关,按3×3矩阵排列,可组成三相/三相矩阵式变换器。这是一种“广义电能转换器”,其特点是：

(l)控制自由度大,输出电压可调,输出频率可调范围大;

(2)输入功率因数可任意调节,可超前、可滞后,可调至其逼近于1;

(3)由于采用双向开关,能量可双向流动;

(4)无中间直流环节,结构紧凑,体积小,效率高[1-2]。

由于具有上述优点,矩阵式变换器已成为电力电子技术目前的研究热点之一。矩阵式变换器的上述特性,使其很适合作为交流励磁发电机系统中的交流励磁器。

直接功率控制策略是直接转矩控制的衍生控制,是直接以有功功率和无功功率为控制量,非常简便地实现了有功功率和无功功率的解耦,同时该策略的算法相比矢量控制策略有很多优势：相比矢量控制策略没有反复的坐标变换,所以算法大大简化;该算法只需少量电机参数,且对参数的变化不敏感,故而能保证控制精度;更高单位功率因数控制;动态响应快[3]。将用于交流传动的矢量控制和直接功率控制技术移植于双馈电机风力发电的交流励磁器,可实现风力发电机的柔性并网,并提高电力系统的稳定性[4]。

本文将矩阵式变换器应用于双馈电机交流励磁风力发电系统,提出DPVC(Direct Power Vector Control)控制法：将电机的直接功率控制和矩阵变换器的矢量控制结合在一起,控制发电机输出的有功和无功功率,使得有功和无功能够独立调节,发电机能够很好地跟踪风速的变化进行最大功率的变速恒频发电;同时,电机的功率因数可按照需要运行在正负和单位1状态,最后根据仿真结果证明了该方法的正确性。

1 矩阵变换器的空间矢量调制

矩阵式变换器的基本拓扑结构如图1所示。

图1 矩阵式变换器的拓扑图

三相/三相矩阵式变换器含有9个双向开关 ,通过逻辑控制这些开关,可实现电压幅值和频率的变换。矩阵式变换器的空间矢量PWM调制将变换器本身等效成两部分,如图2所示。第一部分为整流部分,第二部分为逆变部分。这样,两部分可以分别使用成熟的空间矢量PWM调制理论。

图2 矩阵式变换器的等效交-直-交图

对于整流部分,根据输入电压及输入功率因数来确定输入电流相角。由电流相角可确定三相输入电流Ia,Ib,Ic。通过三相坐标到两相静止坐标系的变换,得到两相a-β坐标下的电流矢量,再通过a-β坐标到极坐标的转换,可以得到电流矢量Ii的幅值和相角。同理,对于逆变部分,得到三相输出线电压的电压矢量Uo的幅值和相角。

等效直流电源转换为三相交流的变换器共有6只功率开关,分别从直流正负母线接到三相输出ABC,开关标号为Sap Sbp Scp和SaN SbN ScN。6只开关可能出现的不同组合共有8种状态,6种有效电压矢量,2种零矢量。6种有效矢量形成6个空间矢量扇区,如图3(a)所示。

等效输入三相电源转换为直流的变换器也有6只功率开关,开关标号为Sap Sbp Scp和SaN SbN ScN。6只开关可能出现的不同组合共有9种状态,6种有效电流矢量,3种零矢量。6种有效矢量形成6个空间矢量扇区,如图3(b)所示。

图3 空间矢量图

为了得到在空间匀速旋转的空间矢量U o和I i,采用脉宽调制法合成Ii和Uo。某一瞬间的空间矢量落在六个矢量扇区中的某个扇区,如图3所示,根据空间矢量调制法,用瞬时矢量的相邻矢量合成I i和U o(例如用I1 I 2合成 I i,用U 1 U 2合成U o)。根据正弦定理,各电压矢量占空比 dα、dβ、d0为[5]：

同理 ,各电流矢量占空比 dα、dβ、d0为[5]：

式中,0＜mv≤1为电压调制系数,0＜mc≤1为电流调制系数,T s为采样时间。

根据实际计算出的输出电压空间矢量Uo和输入电流空间矢量I i选择两个矢量各自所在扇区。由所在扇区的两个矢量合成实际矢量。根据两个实际矢量所选出的两个扇区的四个空间矢量,可确定等效两部分的开关标号,将这两部分的双向开关相互结合即可得到矩阵式变换器九个开关器件瞬时开关状态。两部分的空间矢量相互结合,共有6×6=36种组合。每个组合矢量的作用时间可由下式求出。用a,b角标表示实际输入电流空间矢量所在电流扇区的两个矢量,用c,d角标表示给定输出线电压空间矢量所在电压扇区的两个矢量[6]。

式中,m为调制系数;Ts表示采样时间。按照计算出的开关占空比来调制矩阵式变换器的9个开关器件,则变换器可按照要求输出所需的线电压,输入电流为由输入功率因数角所确定的电流。

2 双馈电机的直接功率控制

交流励磁双馈电机风力发电系统如图4所示。根据双馈电机的运行原理,电机的定子绕组电源为工频电源,而转子则由变频器供电,转子侧电压的幅值、频率和相位应按运行要求分别进行调节[7]。定子旋转磁场频率ω1,转子交流励磁电源频率ω2,和电机旋转电角速度 ωr。

图4 变速恒频双馈发电机系统结构示意图

当由风力机带动的电机转速ωr变化时,为了保证发电机输出的定子电压频率ω1不变,应按式(12)调节交流励磁电源的频率ω2。

即当发电机的转速小于定子旋转磁场的转速时,电机处于亚同步运行状态,变频器向发电机转子供电,定子输出电能至电网,式(12)取正号;当发电机处于超同步运行状态时,发电机定子和转子同时输出电能至电网,变频器能量反向流动,式(12)取负号。这就是风力发电中为最大限度地利用风能所采用的交流励磁变速恒频发电基本原理[8]。

[9,10],转子电压在定子磁场定向同步旋转坐标系下的dq分量为：

式中,UrdUrq为电机转子侧电压dq分量;Ts为系统采样时间;ψsd为定子磁链幅值;Ps为电机输出的有功功率;Qs为电机输出的无功功率;Lr为电机转子电感;L m为定子与转子的互感;kσ=1.5L m/(Lr Ls-L2m);△Ps为给定有功与Ps的差值;△Qs为给定无功与Qs的差值。

由上面式子发现,要得到转子电压在同步旋转坐标系下的dq分量只需简单的乘除加减即可实现从同步坐标系到转子坐标系的变换。再由式(15)将定子同步坐标系下的转子电压变换到转子静止a-β坐标系下即可得到转子上所应施加的转子电压：

把a-β坐标系的电压矢量变成以相角和幅值表示的电压矢量,以获取电压和电流矢量的相位角。变换公式[11]如式(16)。

双馈电机的矩阵式变换器励磁的风力发电系统如图5所示。

图5 矩阵变换器励磁的双馈电机风力发电系统图

矩阵变换器输入侧按照上文所述的空间矢量调制法得到输入电流的电流矢量的幅值和相角,输出侧的电压矢量的幅值和相角由上文所述的电机直接功率控制法得到,然后进行两部分拟合,得到矩阵式变换器九个功率开关的开关脉冲,从而控制双馈电机的输出功率。这就是矩阵式变换器作为交流励磁电源时电压、电流矢量的调制过程。

3 仿真结果

使用Matlab软件的Simulink仿真环境,对矩阵变换器励磁的变速恒频双馈发电机风力发电系统进行了仿真研究。仿真系统如图6所示。

图6 矩阵变换器励磁的双馈电机风力发电仿真系统

对称三相电压源A、B、C模拟三相交流电,220 V 50 Hz,发电机为绕线式双馈感应电机。发电机额定功率 4 k W,额定转速 1 430 rpm,定子额定电压380 V,折算至定子绕组匝数后的绕组参数为R s=1.405Ω,L s=0.178 039 H,L r=0.178 039 H,L m=0.172 2 H,Rr=1.309 5Ω。

假定转速为0.8ω1时,风机转化最大功率为-2 kW,0.9ω1时,风机转化最大功率为-3 k W,在转速为1.2ω1时,风机转化的最大功率为-4 k W。调节转子转速,在 0-0.5 s时 ,转速为 0.8 ω1,在 0.5 s时 ,转速变为0.9ω1,在1s时,转速变为1.2ω1。无功设定为0,功率因数为-1。仿真结果如图7～图12所示。

图12 双馈电机输入电流的FFT图

由仿真图可以看出,当风速变化时,仿真中电机转速由次同步变化到超同步,双馈电机的输出有功功率随着相应变化,且可以达到风机转化的最大功率,体现出了风力发电系统的最大功率跟随;在有功功率变化同时,无功功率始终保持为零,功率因数为负单位1,表现出有功与无功的无耦合性,有功与无功能分别进行独立调节;在有功变化的同时,电机的输出电流的大小也随着变化,由单相输出电流的FFT分析图可知,输出电流频率为50 Hz,只含有少量低次谐波;对应转子侧,由转子侧电压电流图可以看出,电机转子侧输入电压电流的频率随电机转速的变化而变化,从而保持了定子输出电流为工频。

4 结 论

本文结合矩阵式变换器、双馈电机交流励磁发电、直接功率控制、矢量控制的优点,建立了矩阵式变换器供电的变速恒频交流励磁风力发电机定子磁场定向的DPVC控制系统模型,并对该系统进行了仿真研究。结果表明,矩阵式变换器能够很好地代替其他变频器作为双馈电机的励磁器,从而大大减小了励磁器的体积,使得双馈电机的能量能够双向流动,输入功率因数也为单位1,输出电流谐波含量少,提高了电网的稳定性;能够与直接功率控制很好地结合,控制转子侧的励磁电压实现双馈电机输出有功和无功功率的独立调节。本文也为DPVC控制系统的进一步研究做了铺垫。

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