变速恒频风力发电系统矩阵式变换器的建模与仿真.pdf

第2 8 卷第7 期计算机仿真2 0 1 1 年7 月 文章编号：1 0 0 6 9 3 4 8 ( 2 0 l1 ) 0 7 一0 0 2 2 一0 4 变速恒频风力发电系统矩阵式 变换器的建模与仿真 王旭东，刘磊 ( 内蒙古工业大学信息工程学院，内蒙古呼和浩特O l o Q 5 1 ) 摘要：研究在变速恒频风力发电系统中的功率变换器必须具有功率双向流动的能力。为满足上述要求，采用矩阵式变换器 能同时提供正弦的输入电流和输出电压，输入电流可调节为超前、滞后或同相于输入电压，输出电压可实现幅值、频率和网 侧功率因数的独立控制。从等效交一直一交变换器的空间矢量调制方法出发，按照交一交直接变换控制方式实现了对矩阵式 变换器建模和运行控制规律研究。仿真结果表明矩阵式变换器具有优良的输入输出特性，证明了仿真模型的正确性和可行 性，为今后的实用化奠定了基础。 关键词：矩阵式变换器；交一交直接变换控制；变速恒频；风力发电 中图分类号：1 说9文献标识码：A T h eM o d e l i n ga n dS i m u l a t i o no fM a t r i xC o n v e r t e rf o r V S C FW i n dP o w e rG e n e r a t i o nS v s t e m W A N GX u d o n g U UL e i ( C o U e g eo fI n f b 皿a t i o nE n 西n e e 商 1 9 ，I n n e rM o n g o l i aU I l i v e 玛i t y0 fT e c h l o g y ，H o h h o tN e i m e n g g u0 1 0 0 5 l ，C I I i m ) A B S T R A C T ：P 0 w e rc o n v e r t e rI I s e di nd o u b l y 一制w i n dg e n e r a t i s y 8 t e mm u s tp 0 8 s 髓st I I ec 印a b i l 畸o fb i d i r e c t i o n a lp o w e rn o w M 撕xc v e r t e rc 蚰p r 0 V i d e8 i n u s o i d a li n p u tc 峨n ta n d 伽t p u tv o l t a g e8 i m I l I t a n e o u s l y ，卸dt I l ep l l 审啪 o fi 印u tc u r 陀n tc a nb ea d j u s t e dt 0l e a d ，t ol a go rt oc o i m i d e1 r i t l lt h ep h a 眈t l l ei I l p u tv o I t a g e T h em a g l l i t u d e 觚d 缶，q I l e n c yo ft h e 伽t p u tv o l 饵g e 蛐dt I I ei n p u tp o w e rf 如t o rc 明b ei n d e p e n d e n t l ya d j u 8 t e di nM 枷xc o n v e r t e r S t a n i I l g 硒mt l l es p a c e - v e c t o r 删d u l a t i o nm e t I l o do fe q I l i v a l e n tA C D C A Cc v e r t e r ，m em o d e l i l I go fM a t r i xc v e r t e r 舳d t l l e 弛s e a r c ho ni t so p e m t i o nn l l ea 弛i m p l e m e n t e dw i t I lA C A Cd i r e c t 呦f o m a t i c o n t m lm o d e S i m u l a t i o nr I I l t s h o w st h tm em “xc o n v e r t e rp o s 眈s s e s8 0 0 di n p u t o u t p u tc h 啪c t e r i s t i c 8 T h e r e f b r e ，t l I i 8s i m u l a t i o nm o d e li sc o r r e c t 柚df e 酗i b l e n u s ，i tl a y saf 如n d a t i o nf o r 胁h e rp r a c t i c a b i l i t ys t u d yo f 地M g t r i xc o n v e 咖r K E Y W o 砌) s ：M a n 讧c o n v e r t 盱；A c 一d i D e c tt r a n s 6 D n n a t i c o n t m l ；V s c f ；W i n dp o W e rg e 弛m t i 叫 l 引言 矩阵式变换器是一种新颖的变频器，其电路拓扑形式早 在1 9 r 7 6 年就被提出，但直到1 9 7 9 年意大利学者M V e n t I l r i r I i 和A A l e s i 眦提出了矩阵式变换器存在的理论及控制策略 后，其特点才为人们所关注和研究。 矩阵式变换器属于直接变频电路，电路所用的开关器件 为全控型，控制方式为斩控。与交一直一交变换器相比，具有 如下优点：输入电流为正弦波，失真度小；输出频率不受 限制；输入功率因数可随意调节；能量可以双向传递，而 不需要在电路或控制方法上作特殊处理；不需中间储能环 节，容易实现集成化和功率模块化。 收稿日期：2 0 l O l l 一2 2 2 2 2 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P w M 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 ( P W M 整流一P w M 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。 万方数据 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。 2 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，如图l 所示。 b k 图l 等效交一直一交结构 C B 采用这样的等效结构可以充分利用交一直一交变换中的 P w M 控制技术。并可对比分析出如图2 所示矩阵式变换器 的实际结构的开关控制规律2 。3 】。 图2 矩阵变换器的实际结构 分析图l 和图2 时，首先定义开关函数s ：导通时，s m = l ；断开时，S m = O 。 对于图l 的等效交一直一交结构J 口，6 ，c ，A ，曰，c ， I | E P ，J I 、r 。由于输入是电压源性质，输入电压不能被短路； 输出为感性负载，输出电压不能突然开路。按照这一原则， 虚拟整流器中同一直流母线P 或上的开关必须有一个且 只能有一个处于导通状态，即： s 吐+ S 轴+ S 畦= l ， E P ， ( 1 ) 而虚拟逆变器同一输出相A 、曰或C 上必须有一个而且 只能有一个开关导通，即： S ，P + S 洲= lJE A ，B ，c ( 2 ) 对于图2 的矩阵式变换器实际结构，_ A ，曰，C ，| | E 口，6 ，c 。矩阵式变换器的两个输入相不能同时与同一输出 线相连以避免输入短路：同时每一输出线应始终与一输入线 连接以避免感性负载回路开路。按照这一原则，每一输出相 只能连至且必须连至一个输入相，故开关函数须满足： 5 缸+ s 西+ | s 豇= l E A ，口，C ( 3 ) 2 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。 图3 所示为三相桥式逆变电路，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“( 0 0 1 ) 、( 0 1 0 ) 、( 0 1 1 ) 、 以( 1 0 0 ) 、乩( 1 0 1 ) 、玩( 1 l O ) 和2 个零矢量砜( 0 0 0 ) 、 ( 1 1 1 ) 。零矢量位于原点，相邻非零矢量之间的夹角为 6 0 0 ，利用这8 种电压矢量中的相邻两种的线性组合，使磁链 逼近圆形旋转磁链归J 。 U C 0 N I 一U 卜一Ur “ 弋j 卜_ 叫2 飞2飞 2 图3三相桥式电路 实现s V P w M 的方法很多，本文采用一种最简单的方法， 即两个非零矢量和一个零矢量合成一个等效的电压矢量 。选择零矢量时遵循开关状态变化少、以减小开关损耗 的原则。如图4 所示，当某个时刻旋转到某个区域中时， 就由组成这个区域的两个非零矢量玑、以+ ( 超前以6 0 。的 非零向量) 和为了补偿的旋转频率而插入的零矢量 或以共同作用，可以估算出，如下式所示。 ：华+ 华+ 掣 ( 4 ) J ， J J J J 式中，一任意时刻的电机电压矢量；L ，疋一非零矢 量以、以棚的作用时间；一零矢量作用时间，瓦= L L 一疋；Z 一开关周期。 电压矢量由三相输出电压在复空间中经P 口吨变换可得： 仉= ( + a + a 2 ) ( 5 ) 为了获得频率可变的三相输出线电压，应定义一个输出 线电压参考矢量= 一抽，飞，这是一个以。角速度 围绕中心点连续旋转的空间参考矢量。 3 矩阵式变换器的仿真模型 根据矩阵式变换器的控制策略所述内容利用 M A T L A B 、s I M u L I N K 仿真软件搭建仿真模块。 一2 3 万方数据 U ( O l l 图4电压矢量图 U “l ) 3 1 矩阵式变换器仿真模块 图5 为矩阵式变换器的仿真模块，其中九个开关器件采 用理想开关，由触发脉冲的逻辑值来决定开关的状态。脉冲 为l 时，开关闭合；脉冲为O 时，开关断开。口，6 ，c 为三相输 入，A ，口，C 为三相输出。 图5矩阵式变换器的仿真模块 C 3 23 2 变换模块 图6 是3 2 变换模块，根据式( 5 ) 将三相对称电量经过 凡船变换转换为在空间旋转的空间矢量。A ，B ，c 是三相输 入，可以是电压量，也可以是电流量。输出端口2 为空间矢 量的模，本文采用等模变换，所以输出与三相输入等幅；输出 端口1 为空间矢量的相角，在O 。一3 6 0 。之间变换。相角的值 表征着该空间矢量在空间的瞬时位置。 一2 4 一 圈63 2 变换模块 3 3 扇区判断模块 如前所述，六个非零矢量将空间分成六个扇区。扇区判 断模块根据3 2 变换模块输出的相角来判断该空间矢量所 在的扇区，v 并计算其与该扇区起始矢量的夹角口，以此来计 算各矢量的作用时间。假设0 。对应第一扇区的起点，逆时针 旋转6 0 。后进入第二扇区，依次类推。 田7 扇区判断模块 3 4 作用时间输出模块 图8 为作用时间输出模块，三相参考线电压经过3 2 变 换后，输出空间旋转矢量的相角再经过扇区判断，确定当前 空间矢量所在扇区，v ( l ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) 及该矢量与当前 扇区起始矢量的夹角口( 参考相电流类似) 。再经过作用时 间计算模块，计算出相应矢量的五个组合作用时间( 瓦一 瓦) 。7 个输出作为脉冲发生函数的输入，共同决定脉冲发生 的时刻，以触发矩阵式变换器的开关。 其中作用时间计算模块的输入端m 为调制系数，L 为开 关周期，可根据不同需要输入相应的值。 圈8作用时间输出模块 4 矩阵式变换器的仿真研究 图9 是矩阵式变换器接三相感性对称负载时的仿真。 负载三角形连接。其中矩阵开关的脉冲由S f u n c t i o n 输 出。根据参考电压矢量与参考电流矢量所在扇区及各矢量 组合的作用时间编写s f u n c t i o n 输出9 个逻辑值来触发矩 阵变换器的9 个开关。由于输入和输出为不同频率的交流 电，每个P 聊周期计算得的占空比及其对应的时间死一瓦 都在不断改变，必须实时运算。 仿真参数如下：矩阵式变换器输入滤波器：滤波电感 = l O m H ，电容C = 3 斗F ；三相对称负载：电阻R = l 啪，电感 万方数据 目9# 口* * 目 L _ l o m 日，输入频率：f ：5 0 m 输m 频率：2 5 胁。 仿真结果如图l O 所示。圈1 0 ( a ) 为输出线电压P w M 波形，其波顶包络线代表T i 相输 为5 0H z 的电压渡。由 f 负载为电阻电感性，外加P W M 正弦渡电压下，其电流为古 有脉动分量不大的正弦被如囝1 0 ( c ) 所示。圈1 0 ( b ) 为未 经摅渡的橱人电流城形图，其渡顶包铬线代表了- 相_ | 宙出电 流的赦形，在轱 端串接滤波器后流廿电源的电流波形H 接近于弦渡，如图1 0 ( d ) 经过滤渡后舶电流中高频1 w M 日几乎不存在。圈l O ( e ) 为精 相电压波形，可她输人电 压，电流弦且麓本同柑，输出线电压* 辟宽谰制，线电流 t 弦变化：精 电流输出屯压中基波占主要成分具有优 良的辅 输出特性。 i 隔严s 期司， j 匦羽；豳 ：仄7 n 二_ ：_ 爿 吐。