朱黎

【摘 要】结合矩阵式变换器交流励磁发电技术和矢量控制的优点建立了矩阵式变换器供电的变速恒频交流励磁风力发电机定子磁场定向的矢量变换控制系统模型该系统能够在不同风速下最大程度地获得风能，高质量发电，并实现有功、无功功率的独立调节仿真结果展现了系统的优良特性，验证了该方案的正确性和有效性。

【关键词】变速恒频风力发电；矩阵式变换器；交流励磁；矢量控制

能源危机和环境危机使人们越来越意识到开发可再生能源的重要性，必须采取可持续化发展战略，利用科技手段开发可再生能源。由于风能是一种无污染可再生的“绿色”能源，因此对风力发电系统的研究已成为全世界当前能源开发利用的一个重大课题。为提高风能的获取转换的利用率，目前风力发电机组主要采用变速恒频双馈发电系统。在变速下实现恒频发电的关键技术是利用变换器对双馈发电机进行交流励磁控制。目前，所使用的变换器主要有交一交变换器和交一直一交变换器，但是它们普遍存在输入功率因数低，谐波含量大，输出频率受到限制，控制策略复杂等缺点。因此，研究性能更为良好的变换器具有重大的现实意义。

一、双级矩阵变换器的拓扑结构和基本原理

双级矩阵变换器的拓扑结构由整流侧和逆变侧两部分组成，中间直流部分无需很大的储能元件。由于要求能量可双向流通，因此整流侧和逆变侧均采用双向开关。但当保证中间直流环节电压U。。的极性始终为正时，逆变侧的双向开关就可以由单向的电力电子开关管来代替，这样实际需要的电力电子开关管数量则为18个（详见图1）。

如图1所示，为避免开关器件在关断时受到大电压和大电流的冲击，一般要设置相应的箝位电路。双级矩阵变换器的箝位电路非常简单，仅用一个二极管与电容串联即可。

二、交流励磁变速恒频风力发电原理

对于水平轴的风力机其输出功率与风速的3次方成正比：

P=（1/2）CpArv3（1）

式中r为空气密度v为风速A为风力机扫掠面积Cp为风力机的输出功率系数，由于风力机的输出功率系数Cp在某一确定尖速比叶轮尖的线速与风速之比下可达最大值因此当风速在一定范围变化时，恒速恒频运行显然不可能保持Cp为最大值风能得不到充分利用，变速恒频下由于风力机转速可变，通过控制可使其尖速比等于或接近最佳值从而可最大限度地利用风能图1是一台40kW风力机输出功率p在不同风速v下随转速n变化的曲线从图中可以看出为了在不同风速下捕获最大风能提高风能利用率应按风速控制风力机的输出转速即通过调节风力机的桨叶来实现对应于风力机的不同转速控制发电机输出功率使其跟踪风能曲线的最大值轨迹图1中各风速下最大输出风能点*的连线以实现最大程度地获取风能。

当风力机转速wr变化时为了保证发电机输出的定子电压频率w1不变应按式（2）调节交流励磁电源的频率w2w1=wr±w2（2）即当发电机的转速小于定子旋转磁场的转速时电机处于亚同步运行状态变频器向发电机转子供电定子输出电能至电网式（2）取正号当电机处于超同步运行状态时发电机定子和转子同时输出电能至电网变频器能量反向流动式（2）取负号（详见图2）。

由图可知，风力发电中为最大限度地利用风能所采用的交流励磁变速恒频发电基本原理。

三、矩阵式变换器的控制策略

矩阵式变换器的控制策略可以分为直接变换法和间接变换法…：1）直接变换法：直接变换法是通过对输入电压的连续斩波来合成“输出电压”的，但具体实现复杂，软件运算量较大，限制了应用范围。2）间接变换法（交一直一交等效变换法）：基于空间矢量变换的一种方法，将交一交变换虚拟为交一直变换和直一交变换，采用高频整流和高频逆变PwM波形合成技术，变换器的性能可以得到较大的改善。而且具体实现时整流和逆变是一步完成的，低次谐波得到了较好的抑制，具有双冈哪（PWM整流一PwM逆变）变换器的效果。它是目前在矩阵式变换器中研究较为成熟的一种方法，比较有发展前途。

采用间接变换法可以使用成熟的交一直一交变换器的调制策略，以获得较好的输出电压和输入电流波形。本文就采用这种变换方法。

1.矩阵式变换器的等效交一直一交变换

矩阵式变换器交一交直接变换关系可以从等效交一直一交变换中推得。一个实现交一交变换的矩阵式变换器可以采用由一个虚拟的整流器和一个虚拟的逆变器构成的等效交一直一交结构来代替。采用这样的等效结构可以充分利用交一直一交变换中的PwM控制技术。并可对比分析出矩阵式变换器的实际结构的开关控制规律。

2.等效交一直一交结构的空间矢量调制

电压空间矢量技术（S伊删）着眼于使电机获得幅值恒定的圆形磁场，即正弦磁通。它以三相对称正弦波电压供电时的理想圆形磁通轨迹为基准.用逆变器不同的开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁通圆。从而达到较高的控制性能。三相桥式逆变电路中，其中同一桥臂的上下两个晶体管的通断状态是互为反向的。因此，三相桥式逆变器的通断状态只有8种可能HJ。定义这8种开关组合为8个基本空间矢量，分别标记为“（001）、%（010）、%（011）、以（100）、乩（101）、玩（1lO）和2个零矢量砜（000）、%（111）。零矢量位于原点，相邻非零矢量之间的夹角为600，利用这8种电压矢量中的相邻两种的线性组合，使磁链逼近圆形旋转磁链。

四、结束语

本文结合矩阵式变换器、交流励磁发电和矢量变换控制的优点，建立了矩阵式变换器供电的变速恒频交流励磁风力发电机定子磁场定向的矢量控制系统模型，并对该系统进行了较为全面的仿真研究。结果表明，采用定子磁场定向的矢量控制可以通过控制转子侧的励磁电压实现电机输出有功和无功功率的独立调节，应用矩阵式变换器作为交流励，磁电源不但能满足交流励磁变速恒频发电所必需的功率双向流而且其优良的输入、输出特性确保了生产满足要求的高质量电能。同时在真正意义上解决了能源的最佳利用和环保问题，为风能、潮汐能等后續能源的开发利用提供了新的可持续发展的技术途径。

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