矩陣變換器在風力發電系統中的應用研究

　　摘要：風力發電是一種重要的新能源技術。介紹了應用于新型風力發電系統的矩陣變換器，詳細分析了具有9個雙向開關的傳統矩陣變換器與改進的雙橋結構矩陣變換器，以及各自的優缺點。通過分析比較得出，雙橋結構矩陣變換器控制策略簡單，對于不同負載，開關數目可以減少。其中，具有15個開關的雙橋矩陣變換器以其經濟性和控制的成熟性，適用于新型的風力發電系統。最后，詳細介紹了該雙橋式矩陣變換器箝位電路的工作原理和參數設計。
　　關鍵詞：矩陣變換器；雙向開關；雙橋結構拓撲；箝位電路
　　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。風力發電作為一種真正的“綠色”能源，在國民經濟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是一種新型的風力發電系統基本結構框圖。

　　該系統主要由1臺無刷雙饋異步電機，1臺交－交變頻器和一套控制裝置組成。其中無刷雙饋電機的定子接電網，轉子接變頻器，通過控制轉子電流的頻率、幅值、相位和相序，使系統實現兩個功能：一是發電機在不同的轉速下，都能發出恒頻電能，通過變頻器傳輸至電網，即實現變速恒頻運行；二是發電機定子端有功功率和無功功率可以獨立調節。那么，作為連接電網和發電機的交－交變頻器設備，其設計成為一個關鍵，要求它具有優良控制性能，結構緊湊，而且具有高功率因數。
　　然而目前流行的交－直－交變頻器和交－交周波變換器，均有其負面影響——無功功率和諧波污染，需要添加有源濾波和無功補償裝置。因此，開發“綠色”電力電子變換器，提高功率因數，各次諧波分量小于國際和國家標準允許的限度，顯然這才是一種治本的辦法[1]。
　　矩陣變換器具有以下優點[2]：
　　1）可以實現四象限操作，能量雙向流動；
　　2）輸入功率因數可接近1；
　　3）無直流中間環節，不需儲能電容，結構簡單；
　　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）可實現變速恒頻應用。
　　基于上述優點，本新型風力發電系統的交-交變頻器采用矩陣變換器。通過合理設計，使風力機組直接投入電網運行，這為風力發電的廣泛應用提供了堅實的基礎。
　　矩陣變換器的設計關鍵在于主電路拓撲結構的選擇，波形生成及控制電路，箝位保護電路和其它功能輔助電路的實現。本文主要對矩陣變換器的拓撲結構和基本的箝位保護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一步的研究。
　　2  傳統矩陣變換器及其改進型的類比分析
　　2.1  傳統矩陣變換器分析
　　傳統的矩陣變換器由9個雙向開關組成，其拓撲結構如圖2所示[5]。虛框內為箝位保護電路，將在后續部分進行分析。矩陣變換器所用的雙向開關有三種結構形式，如圖3所示。

　　傳統矩陣變換器結構簡單，可控性強，可以直接進行三相功率變換。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。根據圖2所示，9個雙向開關在每個開關周期內的占空比組成3行3列矩陣，稱為開關調制矩陣。矩陣變換器的控制即是找到并實現一個滿足開關限制條件的開關調制矩陣S。基于上述條件，需先建立開關的開關函數。
　　對于任意雙向開關，其開關函數Sjk定義為：當開關斷開時Sjk=0，閉合時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函數的關系可表述為