矩陣變換器在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電中的研究與應(yīng)用

馬治國(guó),朱 凌,李 偉

(華北電力大學(xué),河北 保定 071003)

0 引 言

能源是一個(gè)國(guó)家發(fā)展工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、科學(xué)技術(shù)和提高人民生活水平的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。電力則是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中能效高、使用方便而被廣泛應(yīng)用的二次能源。目前,人類賴以生存和發(fā)展的能源主要還是靠?jī)?chǔ)量有限的化石燃料,利用潔凈的能源(可再生能源)是人類社會(huì)文明進(jìn)步的表現(xiàn)、是科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、環(huán)保理念的體現(xiàn),也是一個(gè)地區(qū)環(huán)保的重要指標(biāo)。潔凈能源中以風(fēng)能技術(shù)最為成熟,經(jīng)濟(jì)可行性較高,是一種較理想的可持續(xù)發(fā)展能源。交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于變速范圍寬,可使得風(fēng)機(jī)葉尖轉(zhuǎn)速與風(fēng)速之比保持不變來達(dá)到最佳的風(fēng)能利用系數(shù),使得在較寬的風(fēng)速變化范圍內(nèi)都可以得到較高的功率輸出,同時(shí)其諧波污染較小,目前已有所應(yīng)用。

交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中的主要設(shè)備是交流勵(lì)磁器。采用變頻器為使發(fā)電機(jī)獲得由次同步到超同步的無級(jí)調(diào)速性能和有功與無功獨(dú)立調(diào)節(jié)的運(yùn)行特性,作為交流勵(lì)磁器的變頻裝置必須具備的基本條件是：功率可雙向傳送,且輸出電壓及其電流的幅值、頻率、相位、相序均可調(diào)節(jié)。矩陣變換器采用9個(gè)雙向全控開關(guān),按3×3矩陣排列,可組成三相/三相矩陣式變換器。這是一種“廣義電能轉(zhuǎn)換器”,其特點(diǎn)是：

(l)控制自由度大,輸出電壓可調(diào),輸出頻率可調(diào)范圍大;

(2)輸入功率因數(shù)可任意調(diào)節(jié),可超前、可滯后,可調(diào)至其逼近于1;

(3)由于采用雙向開關(guān),能量可雙向流動(dòng);

(4)無中間直流環(huán)節(jié),結(jié)構(gòu)緊湊,體積小,效率高[1-2]。

由于具有上述優(yōu)點(diǎn),矩陣式變換器已成為電力電子技術(shù)目前的研究熱點(diǎn)之一。矩陣式變換器的上述特性,使其很適合作為交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中的交流勵(lì)磁器。

直接功率控制策略是直接轉(zhuǎn)矩控制的衍生控制,是直接以有功功率和無功功率為控制量,非常簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)了有功功率和無功功率的解耦,同時(shí)該策略的算法相比矢量控制策略有很多優(yōu)勢(shì)：相比矢量控制策略沒有反復(fù)的坐標(biāo)變換,所以算法大大簡(jiǎn)化;該算法只需少量電機(jī)參數(shù),且對(duì)參數(shù)的變化不敏感,故而能保證控制精度;更高單位功率因數(shù)控制;動(dòng)態(tài)響應(yīng)快[3]。將用于交流傳動(dòng)的矢量控制和直接功率控制技術(shù)移植于雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電的交流勵(lì)磁器,可實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的柔性并網(wǎng),并提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性[4]。

本文將矩陣式變換器應(yīng)用于雙饋電機(jī)交流勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),提出DPVC(Direct Power Vector Control)控制法：將電機(jī)的直接功率控制和矩陣變換器的矢量控制結(jié)合在一起,控制發(fā)電機(jī)輸出的有功和無功功率,使得有功和無功能夠獨(dú)立調(diào)節(jié),發(fā)電機(jī)能夠很好地跟蹤風(fēng)速的變化進(jìn)行最大功率的變速恒頻發(fā)電;同時(shí),電機(jī)的功率因數(shù)可按照需要運(yùn)行在正負(fù)和單位1狀態(tài),最后根據(jù)仿真結(jié)果證明了該方法的正確性。

1 矩陣變換器的空間矢量調(diào)制

矩陣式變換器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 矩陣式變換器的拓?fù)鋱D

三相/三相矩陣式變換器含有9個(gè)雙向開關(guān) ,通過邏輯控制這些開關(guān),可實(shí)現(xiàn)電壓幅值和頻率的變換。矩陣式變換器的空間矢量PWM調(diào)制將變換器本身等效成兩部分,如圖2所示。第一部分為整流部分,第二部分為逆變部分。這樣,兩部分可以分別使用成熟的空間矢量PWM調(diào)制理論。

圖2 矩陣式變換器的等效交-直-交圖

對(duì)于整流部分,根據(jù)輸入電壓及輸入功率因數(shù)來確定輸入電流相角。由電流相角可確定三相輸入電流Ia,Ib,Ic。通過三相坐標(biāo)到兩相靜止坐標(biāo)系的變換,得到兩相a-β坐標(biāo)下的電流矢量,再通過a-β坐標(biāo)到極坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換,可以得到電流矢量Ii的幅值和相角。同理,對(duì)于逆變部分,得到三相輸出線電壓的電壓矢量Uo的幅值和相角。

等效直流電源轉(zhuǎn)換為三相交流的變換器共有6只功率開關(guān),分別從直流正負(fù)母線接到三相輸出ABC,開關(guān)標(biāo)號(hào)為Sap Sbp Scp和SaN SbN ScN。6只開關(guān)可能出現(xiàn)的不同組合共有8種狀態(tài),6種有效電壓矢量,2種零矢量。6種有效矢量形成6個(gè)空間矢量扇區(qū),如圖3(a)所示。

等效輸入三相電源轉(zhuǎn)換為直流的變換器也有6只功率開關(guān),開關(guān)標(biāo)號(hào)為Sap Sbp Scp和SaN SbN ScN。6只開關(guān)可能出現(xiàn)的不同組合共有9種狀態(tài),6種有效電流矢量,3種零矢量。6種有效矢量形成6個(gè)空間矢量扇區(qū),如圖3(b)所示。

圖3 空間矢量圖

為了得到在空間勻速旋轉(zhuǎn)的空間矢量U o和I i,采用脈寬調(diào)制法合成Ii和Uo。某一瞬間的空間矢量落在六個(gè)矢量扇區(qū)中的某個(gè)扇區(qū),如圖3所示,根據(jù)空間矢量調(diào)制法,用瞬時(shí)矢量的相鄰矢量合成I i和U o(例如用I1 I 2合成 I i,用U 1 U 2合成U o)。根據(jù)正弦定理,各電壓矢量占空比 dα、dβ、d0為[5]：

同理 ,各電流矢量占空比 dα、dβ、d0為[5]：

式中,0＜mv≤1為電壓調(diào)制系數(shù),0＜mc≤1為電流調(diào)制系數(shù),T s為采樣時(shí)間。

根據(jù)實(shí)際計(jì)算出的輸出電壓空間矢量Uo和輸入電流空間矢量I i選擇兩個(gè)矢量各自所在扇區(qū)。由所在扇區(qū)的兩個(gè)矢量合成實(shí)際矢量。根據(jù)兩個(gè)實(shí)際矢量所選出的兩個(gè)扇區(qū)的四個(gè)空間矢量,可確定等效兩部分的開關(guān)標(biāo)號(hào),將這兩部分的雙向開關(guān)相互結(jié)合即可得到矩陣式變換器九個(gè)開關(guān)器件瞬時(shí)開關(guān)狀態(tài)。兩部分的空間矢量相互結(jié)合,共有6×6=36種組合。每個(gè)組合矢量的作用時(shí)間可由下式求出。用a,b角標(biāo)表示實(shí)際輸入電流空間矢量所在電流扇區(qū)的兩個(gè)矢量,用c,d角標(biāo)表示給定輸出線電壓空間矢量所在電壓扇區(qū)的兩個(gè)矢量[6]。

式中,m為調(diào)制系數(shù);Ts表示采樣時(shí)間。按照計(jì)算出的開關(guān)占空比來調(diào)制矩陣式變換器的9個(gè)開關(guān)器件,則變換器可按照要求輸出所需的線電壓,輸入電流為由輸入功率因數(shù)角所確定的電流。

2 雙饋電機(jī)的直接功率控制

交流勵(lì)磁雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)如圖4所示。根據(jù)雙饋電機(jī)的運(yùn)行原理,電機(jī)的定子繞組電源為工頻電源,而轉(zhuǎn)子則由變頻器供電,轉(zhuǎn)子側(cè)電壓的幅值、頻率和相位應(yīng)按運(yùn)行要求分別進(jìn)行調(diào)節(jié)[7]。定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)頻率ω1,轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁電源頻率ω2,和電機(jī)旋轉(zhuǎn)電角速度 ωr。

圖4 變速恒頻雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)由風(fēng)力機(jī)帶動(dòng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速ωr變化時(shí),為了保證發(fā)電機(jī)輸出的定子電壓頻率ω1不變,應(yīng)按式(12)調(diào)節(jié)交流勵(lì)磁電源的頻率ω2。

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(12)取正號(hào);當(dāng)發(fā)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(12)取負(fù)號(hào)。這就是風(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[8]。

[9,10],轉(zhuǎn)子電壓在定子磁場(chǎng)定向同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的dq分量為：

式中,UrdUrq為電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)電壓dq分量;Ts為系統(tǒng)采樣時(shí)間;ψsd為定子磁鏈幅值;Ps為電機(jī)輸出的有功功率;Qs為電機(jī)輸出的無功功率;Lr為電機(jī)轉(zhuǎn)子電感;L m為定子與轉(zhuǎn)子的互感;kσ=1.5L m/(Lr Ls-L2m);△Ps為給定有功與Ps的差值;△Qs為給定無功與Qs的差值。

由上面式子發(fā)現(xiàn),要得到轉(zhuǎn)子電壓在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的dq分量只需簡(jiǎn)單的乘除加減即可實(shí)現(xiàn)從同步坐標(biāo)系到轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系的變換。再由式(15)將定子同步坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電壓變換到轉(zhuǎn)子靜止a-β坐標(biāo)系下即可得到轉(zhuǎn)子上所應(yīng)施加的轉(zhuǎn)子電壓：

把a(bǔ)-β坐標(biāo)系的電壓矢量變成以相角和幅值表示的電壓矢量,以獲取電壓和電流矢量的相位角。變換公式[11]如式(16)。

雙饋電機(jī)的矩陣式變換器勵(lì)磁的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 矩陣變換器勵(lì)磁的雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)圖

矩陣變換器輸入側(cè)按照上文所述的空間矢量調(diào)制法得到輸入電流的電流矢量的幅值和相角,輸出側(cè)的電壓矢量的幅值和相角由上文所述的電機(jī)直接功率控制法得到,然后進(jìn)行兩部分?jǐn)M合,得到矩陣式變換器九個(gè)功率開關(guān)的開關(guān)脈沖,從而控制雙饋電機(jī)的輸出功率。這就是矩陣式變換器作為交流勵(lì)磁電源時(shí)電壓、電流矢量的調(diào)制過程。

3 仿真結(jié)果

使用Matlab軟件的Simulink仿真環(huán)境,對(duì)矩陣變換器勵(lì)磁的變速恒頻雙饋發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。仿真系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 矩陣變換器勵(lì)磁的雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電仿真系統(tǒng)

對(duì)稱三相電壓源A、B、C模擬三相交流電,220 V 50 Hz,發(fā)電機(jī)為繞線式雙饋感應(yīng)電機(jī)。發(fā)電機(jī)額定功率 4 k W,額定轉(zhuǎn)速 1 430 rpm,定子額定電壓380 V,折算至定子繞組匝數(shù)后的繞組參數(shù)為R s=1.405Ω,L s=0.178 039 H,L r=0.178 039 H,L m=0.172 2 H,Rr=1.309 5Ω。

假定轉(zhuǎn)速為0.8ω1時(shí),風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)化最大功率為-2 kW,0.9ω1時(shí),風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)化最大功率為-3 k W,在轉(zhuǎn)速為1.2ω1時(shí),風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)化的最大功率為-4 k W。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,在 0-0.5 s時(shí) ,轉(zhuǎn)速為 0.8 ω1,在 0.5 s時(shí) ,轉(zhuǎn)速變?yōu)?.9ω1,在1s時(shí),轉(zhuǎn)速變?yōu)?.2ω1。無功設(shè)定為0,功率因數(shù)為-1。仿真結(jié)果如圖7～圖12所示。

圖12 雙饋電機(jī)輸入電流的FFT圖

由仿真圖可以看出,當(dāng)風(fēng)速變化時(shí),仿真中電機(jī)轉(zhuǎn)速由次同步變化到超同步,雙饋電機(jī)的輸出有功功率隨著相應(yīng)變化,且可以達(dá)到風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)化的最大功率,體現(xiàn)出了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟隨;在有功功率變化同時(shí),無功功率始終保持為零,功率因數(shù)為負(fù)單位1,表現(xiàn)出有功與無功的無耦合性,有功與無功能分別進(jìn)行獨(dú)立調(diào)節(jié);在有功變化的同時(shí),電機(jī)的輸出電流的大小也隨著變化,由單相輸出電流的FFT分析圖可知,輸出電流頻率為50 Hz,只含有少量低次諧波;對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子側(cè),由轉(zhuǎn)子側(cè)電壓電流圖可以看出,電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)輸入電壓電流的頻率隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化,從而保持了定子輸出電流為工頻。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合矩陣式變換器、雙饋電機(jī)交流勵(lì)磁發(fā)電、直接功率控制、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DPVC控制系統(tǒng)模型,并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。結(jié)果表明,矩陣式變換器能夠很好地代替其他變頻器作為雙饋電機(jī)的勵(lì)磁器,從而大大減小了勵(lì)磁器的體積,使得雙饋電機(jī)的能量能夠雙向流動(dòng),輸入功率因數(shù)也為單位1,輸出電流諧波含量少,提高了電網(wǎng)的穩(wěn)定性;能夠與直接功率控制很好地結(jié)合,控制轉(zhuǎn)子側(cè)的勵(lì)磁電壓實(shí)現(xiàn)雙饋電機(jī)輸出有功和無功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)。本文也為DPVC控制系統(tǒng)的進(jìn)一步研究做了鋪墊。

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