王 碩，田立欣，黃殿君，蓋國(guó)權(quán)

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080；2.內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司巴彥淖爾電業(yè)局 內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000）

風(fēng)能是一種可再生的、無(wú)污染的綠色能源，所以風(fēng)電的發(fā)展越來(lái)越受到人們的重視，各國(guó)都在大力發(fā)展本國(guó)的風(fēng)電項(xiàng)目。直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)也以其自身的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)受到越來(lái)越多科研工作者的重視，而在直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的全功率變流器的地位是至關(guān)重要的，所以筆者討論了將TSMC（雙級(jí)矩陣變換器）用于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。TSMC器集合了矩陣變換器和傳統(tǒng)的交-直-交變換器的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)TSMC的深入研究不僅對(duì)風(fēng)力發(fā)電并且整個(gè)電力變換領(lǐng)域都有重要的意義。

1 TSMC用于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系介紹

直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)力機(jī)直接與永磁同步發(fā)電機(jī)相連，不需要升速齒輪箱。首先將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為頻率和幅值均變化的交流電，然后通過(guò)電力電子變換裝置變?yōu)楹惴泐l率的交流電接入電網(wǎng)。與現(xiàn)在普遍使用的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比，由于采用風(fēng)機(jī)與永磁同步發(fā)電機(jī)直接耦合，省去了齒輪箱，這樣大大減小了系統(tǒng)噪聲，降低了系統(tǒng)的控制難度，提高了系統(tǒng)的可靠性，延長(zhǎng)了系統(tǒng)的使用壽命，降低了風(fēng)力發(fā)電成本。并且隨著全功率變流技術(shù)的快速發(fā)展，目前的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)正向無(wú)齒輪箱的直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電的趨勢(shì)發(fā)展，而且已經(jīng)在不同功率等級(jí)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中開(kāi)始應(yīng)用。直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對(duì)變流裝置要求較高，所以本文將TSMC應(yīng)用于直驅(qū)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，來(lái)得到性能更好的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[1-2]如圖1所示。

圖1 TSMC用于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 StructureofTSMCusedindirect-drivewindpowergenerationsystem

2 TSMC（雙級(jí)矩陣變換器）

TSMC與傳統(tǒng)的的交直交PWM變頻器和矩陣變換器相比，首先，具有良好的輸入輸出性能、高輸入功率因數(shù)，并且可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸；其次，直流環(huán)節(jié)不需要大電容，鉗位電路簡(jiǎn)單；再次，整流級(jí)可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)零電流換流，逆變級(jí)可以采用傳統(tǒng)的矩陣變換器的換流方法，換流方法簡(jiǎn)單，提高了整體的可靠性；并且具有中間直流環(huán)節(jié)可以采用比較成熟的PWM控制，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的控制難度。

TSMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)由18個(gè)IGBT組成，整流級(jí)由6組發(fā)射極相連的IGBT構(gòu)成的雙向開(kāi)關(guān)組成，逆變級(jí)與傳統(tǒng)的逆變器相同。

圖2 TSMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology of TSMC

3 TSMC的調(diào)制方法

3.1 整流級(jí)的PWM調(diào)制

TSMC整流級(jí)的調(diào)制目標(biāo)為：保證直流側(cè)的輸出電壓始終為正，電壓傳輸比為最大，并且輸入功率因數(shù)為一[3-6]。

設(shè)三相輸入電壓為：

式中Uim為輸入相電壓的幅值，ωi為輸入電壓的角頻率。為了便于分析整流級(jí)的調(diào)制原理，將一個(gè)周期的輸入電壓分成6等份，即六個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)為π/3。如圖3所示。

圖3 整流級(jí)的扇區(qū)劃分Fig.3 Voltage intervals of rectifier stage

每個(gè)扇區(qū)都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，一相的電壓絕對(duì)值最大，另外兩相的極性與之相反。所以將每一個(gè)扇區(qū)分為兩個(gè)時(shí)間段，在這連兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)，保證電壓絕對(duì)值最大的那相的上橋臂或下橋臂始終導(dǎo)通，另外兩相的上下橋臂輪流導(dǎo)通。這樣在一個(gè)扇區(qū)內(nèi)就可以輸出兩個(gè)幅值最大的極性為正的電壓矢量，并且不會(huì)出現(xiàn)零矢量。

下面以扇區(qū)一為例進(jìn)行說(shuō)明：在扇區(qū)一中A相電壓始終為正且電壓值最大，B、C兩相電壓極性與之相反。所以，為保證電壓傳輸比為最大，在扇區(qū)一中A相始終導(dǎo)通，B相和C相輪流導(dǎo)通。 即第一段時(shí)間內(nèi) SAp1、SAp2、SBn1、SBn2導(dǎo)通，這時(shí)直流側(cè)的輸出電壓udc=uAB=uA-uB，傳遞函數(shù)為

第二段時(shí)間內(nèi) SAp1、SAp2、SCn1、SCn2導(dǎo)通，這時(shí)直流側(cè)的輸出電壓udc=uAC=uA-uC，傳遞函數(shù)為

整流級(jí)調(diào)制的另外一個(gè)目的，要保持輸入功率因數(shù)為1。仍以扇區(qū)一為例，直流側(cè)的正極p在扇區(qū)一中始終連接在A相，B、C兩相則輪流連接到直流側(cè)的負(fù)極n。在一個(gè)PWM調(diào)制周期內(nèi)，局部直流電流的平均值為iˉ為定值，三相輸入電流的局部平均值為iˉA、iˉB、iˉC。設(shè)兩段時(shí)間的占空比分別為dAB、dAC，所以有

為保持輸入功率因數(shù)為1，需使每相輸入電流平均值的大小始終與同相電壓成正比，所以

因此，第一段時(shí)間的占空比為

所以一個(gè) PWM 調(diào)制周期內(nèi)， 開(kāi)關(guān) SAp1、SAp2、SBn1、SBn2導(dǎo)通時(shí)間為：

式中，Ts為PWM調(diào)制周期。

第二段時(shí)間的占空比為

開(kāi)關(guān) SAp1、SAp2、SCn1、SCn2的導(dǎo)通時(shí)間為：

同理可得其他扇區(qū)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)以及相應(yīng)的占空比。所以一個(gè)PWM調(diào)制周期內(nèi)的直流側(cè)平均電壓為

將式（1）、（7）和（9）代入式（11），得

同理可得其他調(diào)制周期內(nèi)的局部平均電壓為：

其中，cosθi=max（|cosθA|，|cosθB|，|cosθC|）。

3.2 逆變級(jí)的SVPWM調(diào)制

其中，d0為零電壓矢量，Uom為輸出線電壓空間矢量US的幅值，m為逆變級(jí)的調(diào)制比。

因?yàn)樵趯?shí)際情況中，uˉdc是變化的，所以實(shí)際的調(diào)制比為（將式（13）代入式（17））：

由于整流級(jí)的一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)的直流電壓是不同的，所以逆變級(jí)的調(diào)制周期也要分為兩個(gè)階段進(jìn)行。為了保證系統(tǒng)的電壓傳輸比，應(yīng)使一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)的輸出矢量相位相同，所以整流級(jí)和逆變級(jí)的兩個(gè)時(shí)間段的占空比應(yīng)該相同：

第一段時(shí)間TAB：

第二段時(shí)間：

所以在TAB時(shí)間段內(nèi)，矢量UM分配的時(shí)間為TMAB，UN分配的時(shí)間為TNAB，U0分配的時(shí)間為T0AB；在TAC時(shí)間段內(nèi)，矢量UM分配的時(shí)間為TMAC，UN分配的時(shí)間為TNAC，U0分配的時(shí)間為T0AC。

4 TSMC的換流

TSMC相對(duì)傳統(tǒng)矩陣變換器來(lái)說(shuō)，無(wú)需復(fù)雜的四步換流，換流簡(jiǎn)單可靠。逆變級(jí)開(kāi)關(guān)的換流可直接采用傳統(tǒng)的直—交逆變器的可靠地?fù)Q流方法。

整流級(jí)雙向開(kāi)關(guān)的換流，當(dāng)雙向開(kāi)關(guān)換流是逆變級(jí)都工作在零電壓空間矢量狀態(tài)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)整流級(jí)的零電流環(huán)流，簡(jiǎn)單可靠，這也是TSMC最主要的優(yōu)點(diǎn)之一。

5 仿真分析

圖4 直流電流和直流電壓仿真波形Fig.4 Simulation waveform of DC current and DC voltage

本文基于Matlab∕Simulink建立了TSMC的仿真模型，仿真參數(shù)如下：輸入相電壓為380 V，三相對(duì)稱阻感負(fù)載為電阻R=1 Ω、電感L=5 mH，系統(tǒng)的調(diào)制頻率為6 kHz。由于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)出的為頻率變化的交流電，然后通過(guò)TSMC變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率的交流電。所以系統(tǒng)仿真主要驗(yàn)證在輸入電壓頻率變化的情況下，系統(tǒng)能否較好的輸出與電網(wǎng)頻率相同的交流電。

第一種情況當(dāng)輸入電壓為50 Hz時(shí)，輸出電壓也為50 Hz。系統(tǒng)的仿真結(jié)果如下，圖 4（a）為直流電流波形，圖 4（b）為直流電壓波形，由圖可知直流電壓主要在輸入線電壓的幅值和其三分之一間變動(dòng)，并且始終保持為正。圖5為輸出電壓和電流波形。圖6為輸出電流的頻譜分析。

圖5 輸出線電壓和電流仿真波形Fig.5 Simulation waveform of output line voltage and current

圖6 輸出電流的頻譜分析Fig.6 Spectral analysis of the output current

第二種情況輸入電壓為100 Hz，輸出電壓為50 Hz時(shí)，系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖7所示。圖7（a）為輸出電壓波形，（b）為輸出電流波形。

第三種情況輸入電壓為30 Hz，輸出電壓為50 Hz時(shí)，系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖8所示。圖8（a）為輸出電壓波形，（b）為輸出電流波形。

根據(jù)仿真結(jié)果可得：TSMC在不同輸入頻率的情況下，都能有穩(wěn)定的輸出50 Hz的交流電壓，很好的滿足直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電[7]系統(tǒng)對(duì)全功率變換器的要求，并且通過(guò)FFT分析可以了解到，系統(tǒng)除了開(kāi)關(guān)頻率附近的高頻諧波，其他低頻諧波的分量很小，所以通過(guò)仿真結(jié)果可以得出TSMC具有優(yōu)秀的輸入輸出性能，并且非常適用于直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

圖7 輸入電壓為100 Hz時(shí)輸出電壓和電流波形Fig.7 When the frequency of input voltage is 100 Hz，the output voltage and current waveforms

圖8 輸入電壓為30 Hz時(shí)輸出電壓和電流波形Fig.8 When the frequency of input voltage is 30 Hz，the output voltage and current waveforms

6 結(jié)束語(yǔ)

本文首先分析了直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)以及對(duì)全功率變流器的要求，在此基礎(chǔ)上研究了將TSMC作為直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系的全功率變流器，充分發(fā)揮了TSMC的各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，是直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的性能優(yōu)勢(shì)更加突出。然后對(duì)TSMC整流級(jí)的PWM調(diào)制和逆變級(jí)的空間矢量調(diào)制進(jìn)行了計(jì)算和推導(dǎo)，并且分析了TSMC的換流方法。最后通過(guò)MATLAB對(duì)整流級(jí)和逆變級(jí)的調(diào)制策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，并且對(duì)不同頻率輸入的情況下的TSMC的穩(wěn)定輸出能力進(jìn)行了驗(yàn)證。同時(shí)也為以后的研究提供了理論基礎(chǔ)。

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