08新型矩阵变换器在风力发电系统中的应用

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1、新型矩阵变换器在风力发电系统中的应用李轶200105517摘要：近年来，交一交矩阵变换器在电力行业有着较为广泛的应用，但传统矩阵变换器存在一些缺陷。通过与传统型矩阵变换器进行比较，本文介绍了新型H桥式矩阵变换器的改进原理和优点。最后，简单介绍了可行的H桥式变换器控制方案。关键词：矩阵变换器；箝位保护电路；开关单元；空间相量调制引言交一交矩阵变换器因其具有高功率密度、高功率因数、高效率、高可靠性、小型轻量化、开关损失小、无低次谐波、可实现四象限操作、可实现变速恒频应用、无直流屮间环节，无需储能电容等优点，在电力行业尤其是风力发电系统中得到了较为广泛的应用，如图1。其中发电机定子

2、接电网，转子接矩阵变换器。矩阵变换器控制转子电流的频率、幅值、相位和相序使系统实现以下W个功能：(1)发电机在不同的转速下都能发出频率恒定的电能；(2)发电机定子端有功功率和无功功率可以独立调节。图1风力发电系统基本结构图传统三相交一交矩阵变换器由九个双向开关组成，加在开关元件两端的最人电压由箝位保护电路控制。在应用研究中，发现传统的矩阵变换器存在以下缺陷：(1)最大的电压增益为0.866,并且与控制算法无关；(2)PWM控制和保护策略复杂，并要求复杂的箝位保护电路和母线结构；(3)换流策略复杂；(1)无法实现多级操作。为了解决以上问题，一些新型的矩阵变换器出现了。本文将对一

3、种新型H桥式矩阵变换器的改进原理和控制理论进行简单介绍。H桥式与传统矩阵变换器的分析比较H桥式矩阵变换器与传统矩阵变换器的最显著区别是前者把复杂的箝位保护电路化整为零

4、121,其拓朴结构如图2所示。每个开关单元由一个含有可控直流电容的H型电桥组成，如图3。图中加在开关元件IGBT两端的最大电压由直流电容两端的电压箝定，从而把传统矩阵变换器中由一个直流电源供电的复杂箝位电路，转换为开关单元中的可控直流电容，使箝位电路和母线结构大大简化，易于实现。图2H桥式矩阵变换器什jnIriiRIXriQr•~C—•—.▲Di】卜Ql图3H桥式矩阵变换器开关单元与传统矩阵变换器比较，H桥式矩

5、阵变换器苏他重要优点如下：(1)可在任意功率因数下，实现输出交流电压幅值和频率的调节，理论电压增益可达无穷大；(2)多个开关单元可进行串联而组成一个新的开关支路，实现多级操作，提高矩阵变换器的额定电压；(3)安全换流策略简单，仅由一个开关管和续流二极管即可实现安全换流。H桥式矩阵变换器的控制方案H桥式矩阵变换器的控制方案，近似于交直交变换器，即通过通断H型电桥的开关元件来实现三相线电压的脉宽调制。此控制方案主要包括两部分：一是对开关管的控制，二是对直流电容的控制。2.1开关管控制方案空间矢量调制是一种广为人知的三相变换器控制方法[2],它同样也适用于H桥式矩阵变换器。如用VD

6、C代表加在直流电容两端的电压，则瞬时产生的线电压可能有五个值+2VDC，+VDC，0，一VDC和一2VDC。负载平衡的三相线电压Vab,Vbc和Vca应满足下面的等式Vab+Vbc+Vca=0(I)因此对于三相对称的情况，线电压瞬吋值有十九种组合，见表1。为了方便异步电动机的空间矢量变控，通过等式(2),把A、B、C三相定子坐标系交流量变换成固定在一个定子v,叫V)」_2cos(0)cos(120°)cos(240°)一3sin(0)sin(120°)sin(240°)上的平而直角d-q坐标系变量。vy(t)_vz(t)」⑵表1电压瞬时值组合三相变Sd—q变呈vabVbcVc

7、aVdVqVdc0一VIX?VdcV^/Vdc0Vdc_vdc02>/^/vr>c一VdcVdc0—Vdc7^Vdc—Vdc0Vdc一vDC一vDC0一VdcVdc02V^/vix:Vdc—Vdc0Vdc一vDC2Vdc一vDC一Vpc2Vdc0VdcVdc一2VdcVdca/3V1X?一Vdc2Voc一Vdc一VdcViVoc—2VdcVdcVdc—2VDC0一Vdc一Vdc2Vdc一VDc-73VDCVdc—2VncVdcVdc-a/3vix?2Vdc0-2Vdc2Voc02Voc—2Vdc04V^/VDC—2Vdc2Vdc0—2VDC2a/^/^E)C-2Vdc02Vd

8、c-2Vdc—27^V%0—2Vnc2Vdc04>/^/vr>c2Vdc-ZVoc02VDC—25^/Vdc00000d—q坐标系的线电压矢量可用矢量图表示，如图4。分析此矢量图，实线表示的六个内环矢量的模均为2a^VDC，分别用虚线和点划线表示的六个中环矢量和六个外环矢量的模为2VDC和4VyvDC。利用A环矢量和零矢量，可实现两级电平脉宽调制。利用外环、屮环和零矢量可以实现三级电平脉宽调制。但是，在变换器输入或输出的任意一侧产生中环或外环电压必将导致另一侧电压为零，所以三级电平脉宽调制的电压增益被限