朱黎

【摘 要】結(jié)合矩陣式變換器交流勵(lì)磁發(fā)電技術(shù)和矢量控制的優(yōu)點(diǎn)建立了矩陣式變換器供電的變速恒頻交流勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子磁場(chǎng)定向的矢量變換控制系統(tǒng)模型該系統(tǒng)能夠在不同風(fēng)速下最大程度地獲得風(fēng)能，高質(zhì)量發(fā)電，并實(shí)現(xiàn)有功、無功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)仿真結(jié)果展現(xiàn)了系統(tǒng)的優(yōu)良特性，驗(yàn)證了該方案的正確性和有效性。

【關(guān)鍵詞】變速恒頻風(fēng)力發(fā)電；矩陣式變換器；交流勵(lì)磁；矢量控制

能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)使人們?cè)絹碓揭庾R(shí)到開發(fā)可再生能源的重要性，必須采取可持續(xù)化發(fā)展戰(zhàn)略，利用科技手段開發(fā)可再生能源。由于風(fēng)能是一種無污染可再生的“綠色”能源，因此對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究已成為全世界當(dāng)前能源開發(fā)利用的一個(gè)重大課題。為提高風(fēng)能的獲取轉(zhuǎn)換的利用率，目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要采用變速恒頻雙饋發(fā)電系統(tǒng)。在變速下實(shí)現(xiàn)恒頻發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)是利用變換器對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)進(jìn)行交流勵(lì)磁控制。目前，所使用的變換器主要有交一交變換器和交一直一交變換器，但是它們普遍存在輸入功率因數(shù)低，諧波含量大，輸出頻率受到限制，控制策略復(fù)雜等缺點(diǎn)。因此，研究性能更為良好的變換器具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

一、雙級(jí)矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和基本原理

雙級(jí)矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由整流側(cè)和逆變側(cè)兩部分組成，中間直流部分無需很大的儲(chǔ)能元件。由于要求能量可雙向流通，因此整流側(cè)和逆變側(cè)均采用雙向開關(guān)。但當(dāng)保證中間直流環(huán)節(jié)電壓U。。的極性始終為正時(shí)，逆變側(cè)的雙向開關(guān)就可以由單向的電力電子開關(guān)管來代替，這樣實(shí)際需要的電力電子開關(guān)管數(shù)量則為18個(gè)（詳見圖1）。

如圖1所示，為避免開關(guān)器件在關(guān)斷時(shí)受到大電壓和大電流的沖擊，一般要設(shè)置相應(yīng)的箝位電路。雙級(jí)矩陣變換器的箝位電路非常簡單，僅用一個(gè)二極管與電容串聯(lián)即可。

二、交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電原理

對(duì)于水平軸的風(fēng)力機(jī)其輸出功率與風(fēng)速的3次方成正比：

P=（1/2）CpArv3（1）

式中r為空氣密度v為風(fēng)速A為風(fēng)力機(jī)掃掠面積Cp為風(fēng)力機(jī)的輸出功率系數(shù)，由于風(fēng)力機(jī)的輸出功率系數(shù)Cp在某一確定尖速比葉輪尖的線速與風(fēng)速之比下可達(dá)最大值因此當(dāng)風(fēng)速在一定范圍變化時(shí)，恒速恒頻運(yùn)行顯然不可能保持Cp為最大值風(fēng)能得不到充分利用，變速恒頻下由于風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速可變，通過控制可使其尖速比等于或接近最佳值從而可最大限度地利用風(fēng)能圖1是一臺(tái)40kW風(fēng)力機(jī)輸出功率p在不同風(fēng)速v下隨轉(zhuǎn)速n變化的曲線從圖中可以看出為了在不同風(fēng)速下捕獲最大風(fēng)能提高風(fēng)能利用率應(yīng)按風(fēng)速控制風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速即通過調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)的槳葉來實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)于風(fēng)力機(jī)的不同轉(zhuǎn)速控制發(fā)電機(jī)輸出功率使其跟蹤風(fēng)能曲線的最大值軌跡圖1中各風(fēng)速下最大輸出風(fēng)能點(diǎn)*的連線以實(shí)現(xiàn)最大程度地獲取風(fēng)能。

當(dāng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速wr變化時(shí)為了保證發(fā)電機(jī)輸出的定子電壓頻率w1不變應(yīng)按式（2）調(diào)節(jié)交流勵(lì)磁電源的頻率w2w1=wr±w2（2）即當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速小于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)處于亞同步運(yùn)行狀態(tài)變頻器向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子供電定子輸出電能至電網(wǎng)式（2）取正號(hào)當(dāng)電機(jī)處于超同步運(yùn)行狀態(tài)時(shí)發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子同時(shí)輸出電能至電網(wǎng)變頻器能量反向流動(dòng)式（2）取負(fù)號(hào)（詳見圖2）。

由圖可知，風(fēng)力發(fā)電中為最大限度地利用風(fēng)能所采用的交流勵(lì)磁變速恒頻發(fā)電基本原理。

三、矩陣式變換器的控制策略

矩陣式變換器的控制策略可以分為直接變換法和間接變換法…：1）直接變換法：直接變換法是通過對(duì)輸入電壓的連續(xù)斬波來合成“輸出電壓”的，但具體實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，軟件運(yùn)算量較大，限制了應(yīng)用范圍。2）間接變換法（交一直一交等效變換法）：基于空間矢量變換的一種方法，將交一交變換虛擬為交一直變換和直一交變換，采用高頻整流和高頻逆變PwM波形合成技術(shù)，變換器的性能可以得到較大的改善。而且具體實(shí)現(xiàn)時(shí)整流和逆變是一步完成的，低次諧波得到了較好的抑制，具有雙岡哪（PWM整流一PwM逆變）變換器的效果。它是目前在矩陣式變換器中研究較為成熟的一種方法，比較有發(fā)展前途。

采用間接變換法可以使用成熟的交一直一交變換器的調(diào)制策略，以獲得較好的輸出電壓和輸入電流波形。本文就采用這種變換方法。

1.矩陣式變換器的等效交一直一交變換

矩陣式變換器交一交直接變換關(guān)系可以從等效交一直一交變換中推得。一個(gè)實(shí)現(xiàn)交一交變換的矩陣式變換器可以采用由一個(gè)虛擬的整流器和一個(gè)虛擬的逆變器構(gòu)成的等效交一直一交結(jié)構(gòu)來代替。采用這樣的等效結(jié)構(gòu)可以充分利用交一直一交變換中的PwM控制技術(shù)。并可對(duì)比分析出矩陣式變換器的實(shí)際結(jié)構(gòu)的開關(guān)控制規(guī)律。

2.等效交一直一交結(jié)構(gòu)的空間矢量調(diào)制

電壓空間矢量技術(shù)（S伊刪）著眼于使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場(chǎng)，即正弦磁通。它以三相對(duì)稱正弦波電壓供電時(shí)的理想圓形磁通軌跡為基準(zhǔn).用逆變器不同的開關(guān)模式產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)磁通圓。從而達(dá)到較高的控制性能。三相橋式逆變電路中，其中同一橋臂的上下兩個(gè)晶體管的通斷狀態(tài)是互為反向的。因此，三相橋式逆變器的通斷狀態(tài)只有8種可能HJ。定義這8種開關(guān)組合為8個(gè)基本空間矢量，分別標(biāo)記為“（001）、%（010）、%（011）、以（100）、乩（101）、玩（1lO）和2個(gè)零矢量砜（000）、%（111）。零矢量位于原點(diǎn)，相鄰非零矢量之間的夾角為600，利用這8種電壓矢量中的相鄰兩種的線性組合，使磁鏈逼近圓形旋轉(zhuǎn)磁鏈。

四、結(jié)束語

本文結(jié)合矩陣式變換器、交流勵(lì)磁發(fā)電和矢量變換控制的優(yōu)點(diǎn)，建立了矩陣式變換器供電的變速恒頻交流勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子磁場(chǎng)定向的矢量控制系統(tǒng)模型，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了較為全面的仿真研究。結(jié)果表明，采用定子磁場(chǎng)定向的矢量控制可以通過控制轉(zhuǎn)子側(cè)的勵(lì)磁電壓實(shí)現(xiàn)電機(jī)輸出有功和無功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)，應(yīng)用矩陣式變換器作為交流勵(lì)，磁電源不但能滿足交流勵(lì)磁變速恒頻發(fā)電所必需的功率雙向流而且其優(yōu)良的輸入、輸出特性確保了生產(chǎn)滿足要求的高質(zhì)量電能。同時(shí)在真正意義上解決了能源的最佳利用和環(huán)保問題，為風(fēng)能、潮汐能等后續(xù)能源的開發(fā)利用提供了新的可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)途徑。

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