矩陣變換器及其在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用研究.pdf

1、矩陣變換器作為一種通用電源變換裝置，可以方便實(shí)現(xiàn)n相到m相變換。該變換器能夠產(chǎn)生可控的正弦輸出電壓和單位功率因數(shù)的輸入電流；無(wú)中間儲(chǔ)能環(huán)節(jié)、能量可雙向傳遞一次變換、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；采用不同控制算法，可實(shí)現(xiàn)整流、逆變、變頻、斬波等功能。因此，利用電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制理論的研究成果，開發(fā)一種對(duì)電網(wǎng)無(wú)污染、四象限運(yùn)行的高質(zhì)量交流變頻電源，成為從事電力電子分析與控制學(xué)者研究的熱點(diǎn)。
　　風(fēng)能作為一種可再生、潔凈無(wú)污染能源，具有大規(guī)模

2、開發(fā)利用價(jià)值。變速恒頻風(fēng)電機(jī)組采用交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)（DFIG），通過增速齒輪箱拖動(dòng)運(yùn)行。發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子均為三相繞組，矩陣變換器作為交流勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置，位于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，定子發(fā)出恒頻恒壓交流電，矩陣變換器向轉(zhuǎn)子提供交流勵(lì)磁；當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，定子、轉(zhuǎn)子同時(shí)發(fā)出恒頻恒壓交流電，矩陣變換器能量反向流動(dòng)；當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速時(shí)，矩陣變換器向轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁。可見，矩陣變換器勵(lì)磁是實(shí)現(xiàn)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)變速恒

3、頻控制的關(guān)鍵，本文對(duì)矩陣變換器勵(lì)磁的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。
　　研究了矩陣變換器等效交-直-交變換結(jié)構(gòu)，提出了矩陣變換器的雙空間矢量調(diào)制策略改進(jìn)方案，解決了矢量幅值波動(dòng)問題、開關(guān)損耗問題和諧波抑制問題。矩陣變換器高頻調(diào)制下最大電壓增益為0.866，受輸入相電流正弦品質(zhì)限制，需根據(jù)負(fù)載要求進(jìn)行折衷。采用時(shí)變電壓調(diào)制比，理論上可以完全消除諧波分量，但電壓增益略有減小。采用本文提出的改進(jìn)空間矢量調(diào)制策略，電壓

4、增益可達(dá)到理論上的最大值，諧波分量隨開關(guān)頻率的升高而向高頻偏移，便于濾波器濾除。
　　針對(duì)矩陣變換器共模電壓產(chǎn)生的機(jī)理及其抑制原則，分析了共模電壓瞬時(shí)值的大小，波形及其諧波頻譜，得出了矩陣變換器共模電壓的本質(zhì)特征，提出了一種中間值零矢量對(duì)稱交替調(diào)制的優(yōu)化矢量控制策略，大大降低了開關(guān)損耗和最大共模電壓瞬時(shí)值，并使最大共模電壓降低了33.37％，有效抑制了矩陣變換器共模電壓的負(fù)面效應(yīng)，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了中間值零矢量對(duì)稱交替調(diào)制控制策

5、略的正確性和有效性。
　　針對(duì)風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域風(fēng)能變化的不確定性，為了在低風(fēng)速下能夠最大程度地獲取和轉(zhuǎn)化風(fēng)能，本文提出了一種新穎的三電平矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，介紹了其工作原理。該變換器結(jié)構(gòu)對(duì)稱，能夠升壓和降壓，諧波含量低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，功率傳輸能力高。但該矩陣變換器開關(guān)器件多，開關(guān)損耗大，發(fā)熱、溫升問題嚴(yán)重，導(dǎo)致開關(guān)特性變差，關(guān)斷時(shí)間延長(zhǎng)，可能產(chǎn)生電磁干擾（EMI）。通過建立開關(guān)單元單相 PWM逆變器平均等效電路模型和開關(guān)損耗數(shù)學(xué)模型，提

6、出了降低開關(guān)損耗和提高變換效率的控制策略，并通過仿真手段驗(yàn)證了控制策略的正確性和變換器輸出電壓的能控性。
　　變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)綜合了機(jī)械、控制和動(dòng)力學(xué)知識(shí)，是一個(gè)多學(xué)科交叉的復(fù)雜機(jī)電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。針對(duì)風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)裝置的動(dòng)態(tài)特性和機(jī)電能量轉(zhuǎn)換與傳遞關(guān)系，研究了交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)低風(fēng)速時(shí)的轉(zhuǎn)速控制策略和高風(fēng)速時(shí)的功率控制策略，并通過仿真手段驗(yàn)證了直接轉(zhuǎn)速控制策略和擾動(dòng)調(diào)節(jié)控制策略線性化數(shù)學(xué)模型的有效性。
　　本文在分析雙饋感