矩陣變換器在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

　　摘要：風(fēng)力發(fā)電是一種重要的新能源技術(shù)。介紹了應(yīng)用于新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的矩陣變換器，詳細(xì)分析了具有9個(gè)雙向開關(guān)的傳統(tǒng)矩陣變換器與改進(jìn)的雙橋結(jié)構(gòu)矩陣變換器，以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)。通過分析比較得出，雙橋結(jié)構(gòu)矩陣變換器控制策略簡單，對于不同負(fù)載，開關(guān)數(shù)目可以減少。其中，具有15個(gè)開關(guān)的雙橋矩陣變換器以其經(jīng)濟(jì)性和控制的成熟性，適用于新型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。最后，詳細(xì)介紹了該雙橋式矩陣變換器箝位電路的工作原理和參數(shù)設(shè)計(jì)。
　　關(guān)鍵詞：矩陣變換器；雙向開關(guān)；雙橋結(jié)構(gòu)拓?fù)?；箝位電?
　　1  引言
　　隨著電力電子裝置的日益普及，諧波和無功電流造成的電力公害越來越受到重視。風(fēng)力發(fā)電作為一種真正的“綠色”能源，在國民經(jīng)濟(jì)中占有極為重要的地位，它可以從根本上消除無功電流和諧波污染。圖1是一種新型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖。

　　該系統(tǒng)主要由1臺無刷雙饋異步電機(jī)，1臺交－交變頻器和一套控制裝置組成。其中無刷雙饋電機(jī)的定子接電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子接變頻器，通過控制轉(zhuǎn)子電流的頻率、幅值、相位和相序，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：一是發(fā)電機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下，都能發(fā)出恒頻電能，通過變頻器傳輸至電網(wǎng)，即實(shí)現(xiàn)變速恒頻運(yùn)行；二是發(fā)電機(jī)定子端有功功率和無功功率可以獨(dú)立調(diào)節(jié)。那么，作為連接電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的交－交變頻器設(shè)備，其設(shè)計(jì)成為一個(gè)關(guān)鍵，要求它具有優(yōu)良控制性能，結(jié)構(gòu)緊湊，而且具有高功率因數(shù)。
　　然而目前流行的交－直－交變頻器和交－交周波變換器，均有其負(fù)面影響——無功功率和諧波污染，需要添加有源濾波和無功補(bǔ)償裝置。因此，開發(fā)“綠色”電力電子變換器，提高功率因數(shù)，各次諧波分量小于國際和國家標(biāo)準(zhǔn)允許的限度，顯然這才是一種治本的辦法[1]。
　　矩陣變換器具有以下優(yōu)點(diǎn)[2]：
　　1）可以實(shí)現(xiàn)四象限操作，能量雙向流動；
　　2）輸入功率因數(shù)可接近1；
　　3）無直流中間環(huán)節(jié)，不需儲能電容，結(jié)構(gòu)簡單；
　　4）可獲得正弦波形的輸入電流和輸出電壓，無低次諧波；
　　5）輸出頻率不受輸入電源頻率的限制；
　　6）可實(shí)現(xiàn)變速恒頻應(yīng)用。
　　基于上述優(yōu)點(diǎn)，本新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的交-交變頻器采用矩陣變換器。通過合理設(shè)計(jì)，使風(fēng)力機(jī)組直接投入電網(wǎng)運(yùn)行，這為風(fēng)力發(fā)電的廣泛應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
　　矩陣變換器的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇，波形生成及控制電路，箝位保護(hù)電路和其它功能輔助電路的實(shí)現(xiàn)。本文主要對矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和基本的箝位保護(hù)電路作了若干類比分析；對波形生成及控制電路和其它功能輔助電路的具體分析將在另文中作進(jìn)一步的研究。
　　2  傳統(tǒng)矩陣變換器及其改進(jìn)型的類比分析
　　2.1  傳統(tǒng)矩陣變換器分析
　　傳統(tǒng)的矩陣變換器由9個(gè)雙向開關(guān)組成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示[5]。虛框內(nèi)為箝位保護(hù)電路，將在后續(xù)部分進(jìn)行分析。矩陣變換器所用的雙向開關(guān)有三種結(jié)構(gòu)形式，如圖3所示。

　　傳統(tǒng)矩陣變換器結(jié)構(gòu)簡單，可控性強(qiáng)，可以直接進(jìn)行三相功率變換。它的輸入可以是N相頻率為fi的交流電，輸出可以是M相頻率為f0的交流電，目前一般以三相輸入輸出為主。下面先簡單分析它的工作原理。根據(jù)圖2所示，9個(gè)雙向開關(guān)在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的占空比組成3行3列矩陣，稱為開關(guān)調(diào)制矩陣。矩陣變換器的控制即是找到并實(shí)現(xiàn)一個(gè)滿足開關(guān)限制條件的開關(guān)調(diào)制矩陣S。基于上述條件，需先建立開關(guān)的開關(guān)函數(shù)。
　　對于任意雙向開關(guān)，其開關(guān)函數(shù)Sjk定義為：當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)Sjk=0，閉合時(shí)Sjk=1；其中j={a，b，c}，k={u，v， w}。則圖2的三相輸出線電壓與開關(guān)函數(shù)的關(guān)系可表述為