矩阵变换器在风力发电系统中的应用研究

式中：v_max为最大允许电压，为实现在选取箝位电容C_c时保留一定的裕度，用v_max取代了式（8）中的v_cl；

      I_lim为变换器的电流限制值，取代了式（7）中双馈电机的定子电流值i_s。

    从式（9）可以看出，箝位电容的选取，取决于三个参数：负载电感，负载电流和电容耐压值。一般说来，对不同的电机，假定负载电流为电机额定电流值I_nom的1.5倍，最大的箝位电压为1000V，选取电容时可参考表1的数据^[6]：

表1  电容取值经验表

Table 1 Clamp capacitor designed for a current limit P/kW I_nom/A L_δs/mH L_δr/mH C_c/μF 2.2 4.8 7.57 7.41 3.4 4.0 8.9 4.34 6.48 8.4 7.5 16 3.02 3.90 17.5 11 22 1.97 3.33 25.3     该设计过程的主要缺点是在选取电容值之前必须先确定负载的参数。在实际设计中，可以考虑最坏情况来选取电容：假定一个较大的负载电流，较高的负载电感。但是，这样选取的结果往往电容值偏大，使系统的动态响应变慢，对实施保护控制不利。这是设计矩阵变换器时所不希望的，故在设计箝位电路时对参数要权衡取值。

4  结语

    矩阵变换器以其特有的优点，在新型风力发电系统中得到应用。本文对传统的矩阵变换器、改进的双桥矩阵变换器做了较为详细的分析和比较，给出了矩阵变换器中箝位电路工作原理和参数选择。矩阵变换器这一新型的电源变换技术具有优良的输入输出特性，随着电力电子技术和高速处理器的发展，其应用研究必将进一步深入。

作者简介

    钟小芬（1978－），女，硕士研究生，专业为电力电子与电力传动，研究方向为电力电子控制技术；

    吴捷（1937－），男，教授，博士生导师，从事自组织自适应控制，电气传动与电力电子的控制等领域的研究工作。

矩阵变换器在风力发电系统中的应用研究

钟小芬，吴捷，雷春林

(华南理工大学电力学院雅达电源实验室，广东  广州  510640）

摘要：风力发电是一种重要的新能源技术。介绍了应用于新型风力发电系统的矩阵变换器，详细分析了具有9个双向开关的传统矩阵变换器与改进的双桥结构矩阵变换器，以及各自的优缺点。通过分析比较得出，双桥结构矩阵变换器控制策略简单，对于不同负载，开关数目可以减少。其中，具有15个开关的双桥矩阵变换器以其经济性和控制的成熟性，适用于新型的风力发电系统。最后，详细介绍了该双桥式矩阵变换器箝位电路的工作原理和参数设计。

关键词：矩阵变换器；双向开关；双桥结构拓扑；箝位电路

1  引言

    随着电力电子装置的日益普及，谐波和无功电流造成的电力公害越来越受到重视。风力发电作为一种真正的“绿色”能源，在国民经济中占有极为重要的地位，它可以从根本上消除无功电流和谐波污染。图1是一种新型的风力发电系统基本结构框图。

图 1 风 力 发 电 系 统 基 本 结 构 框 图

Fig.1 Basic block diagram of WETS

    该系统主要由1台无刷双馈异步电机，1台交－交变频器和一套控制装置组成。其中无刷双馈电机的定子接电网，转子接变频器，通过控制转子电流的频率、幅值、相位和相序，使系统实现两个功能：一是发电机在不同的转速下，都能发出恒频电能，通过变频器传输至电网，即实现变速恒频运行；二是发电机定子端有功功率和无功功率可以独立调节。那么，作为连接电网和发电机的交－交变频器设备，其设计成为一个关键，要求它具有优良控制性能，结构紧凑，而且具有高功率因数。

    然而目前流行的交－直－交变频器和交－交周波变换器，均有其负面影响——无功功率和谐波污染，需要添加有源滤波和无功补偿装置。因此，开发“绿色”电力电子变换器，提高功率因数，各次谐波分量小于国际和国家标准允许的限度，显然这才是一种治本的办法^[1]。

    矩阵变换器具有以下优点^[2]：

    1)可以实现四象限操作，能量双向流动；

    2)输入功率因数可接近1；

    3)无直流中间环节，不需储能电容，结构简单；

    4)可获得正弦波形的输入电流和输出电压，无低次谐波；

    5)输出频率不受输入电源频率的限制；

    6)可实现变速恒频应用。

    基于上述优点，本新型风力发电系统的交-交变频器采用矩阵变换器。通过合理设计，使风力机组直接投入电网运行，这为风力发电的广泛应用提供了坚实的基础。

    矩阵变换器的设计关键在于主电路拓扑结构的选择，波形生成及控制电路，箝位保护电路和其它功能辅助电路的实现。本文主要对矩阵变换器的拓扑结构和基本的箝位保护电路作了若干类比分析；对波形生成及控制电路和其它功能辅助电路的具体分析将在另文中作进一步的研究。

2  传统矩阵变换器及其改进型的类比分析

2.1  传统矩阵变换器分析

    传统的矩阵变换器由9个双向开关组成，其拓扑结构如图2所示^[5]。虚框内为箝位保护电路，将在后续部分进行分析。矩阵变换器所用的双向开关有三种结构形式，如图3所示。

图 2 传 统 矩 阵 变 换 器 主 电 路

Fig.2 Topology of conventional matrix converter

(a) 开 关 内 嵌 式 (b) 开 关 共 射 极 式 (c) 开 关 共 集 电 极 式

图 3 双 向 开 关 的 三 种 形 式

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

    传统矩阵变换器结构简单，可控性强，可以直接进行三相功率变换。它的输入可以是N相频率为fi的交流电，输出可以是M相频率为f0的交流电，目前一般以三相输入输出为主。下面先简单分析它的工作原理。根据图2所示，9个双向开关在每个开关周期内的占空比组成3行3列矩阵，称为开关调制矩阵。矩阵变换器的控制即是找到并实现一个满足开关限制条件的开关调制矩阵S。基于上述条件，需先建立开关的开关函数。

    对于任意双向开关，其开关函数S_jk定义为：当开关断开时S_jk=0，闭合时S_jk=1；其中j={a，b，c}，k={u，v， w}。则图2的三相输出线电压与开关函数的关系可表述为

==S·（1）

    对于三相对称的情况，三相输入线电压满足方程：

    V_sa＋V_sb＋V_sc=0（2）

     从式(1)可见，选取不同的开关调制矩阵S，对它进行实时计算，控制开关的占空比输出，便得到不同的控制方法，实现所需的电源电压和频率的变换^[8]。在进行具体的理论分析时，可以将该交-交直接矩阵变换器等效为成交-直-交的形式，如图4所示。

图 4 等 效 的 矩 阵 变 换 器 拓 扑

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