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High power matrix converter for wind power generation applications高功率矩阵交换器在风力发电中的应用 摘要 ：矩阵变换器在风力发电系统的应用中有很多优点。矩阵变换器是紧凑和高效的，因为它将电流直接从交流发电机转换到交流电网中而不需要经过发电中间直流总线，但是传统的背靠背转换系统需要在直流母线中装设许多电解电容器，并且这些电容器体型笨重，寿命时间短。矩阵变换器同时具有驾驭和再生电流的能力，能在电网中保持较低的谐波电流，此外，它还可以向电网提供无功功率，这对于风电场在电网故障期间和之后保持电力系统稳定具有非常重要的意义。本文介绍了高功率矩阵转换器在风力发电中的应用，并描述了它的主要技术特点和优势。而且利用永磁发电机进行的实验结果表明，高功率矩阵转换器在风力发电应用中具有良好的可行性。关键词：交流-交流转换器 低电压穿越 矩阵转换器 风力发电系统图1风力发电机组传动系统中矩阵变换器的基本概念一 引言矩阵转换器是一种直接的从交流到交流的电力转换拓扑结构1）主电路的MXC由输入滤波器和9个双向开关组成2）它是完全可再生的，并且具有控制输入正弦电流功率因数的能力。 3）MXC的一个很大的优势是它无需安装既笨重寿命时间又短的直流母线电容器1-4。MXC比传统的电压源背靠别转换系统更加高效和紧凑。图1中的双向开关通常由两对反向的IGBT二极管构成5- 6。通过一种独特的PWM控制方法，MXC可以同时控制输出电压和具有较低谐波的输入电流7 - 9。 图2低压矩阵换流器的主电路图2所示的拓扑结构是MXC的一种典型的配置，但它更适合于额定功率小于几百千瓦，额定电压在690伏以下的系统，因为其它电流增加和电压评级的限制。因此，基于MXC的基本拓扑结构的模块化的矩阵转换器已经得到了开发 3。它为那些需要具有再生能力能力的高功率驱动器的市场提供了一个极具吸引力的解决方案，比如纸复卷机，大功率水泵，钢厂以及风力发电系统。它体积小巧，并且其输入和输出的波形具有较低的谐波。本文解释了高功率矩阵转换器的基本模块化概念，然后在实验结果的基础上阐述了其在风力发电系统中的应用。 图3单相矩阵变换器功率单元的配置二 矩阵变换器的拓扑结构在风力发电系统中的应用A.矩阵变换器的模块化概念在转换器的设计中功率和额定电压的灵活性对于满足不同客户的要求是很重要的。适用于风力发电机组传动系统的矩阵变换器采用了模块化设计的概念，使得它为满足功率和额定电压的各种需求提供快速和最佳的解决方案时具有很大的灵活性。风力发电系统电压有望随着系统额定功率的增加逐步从标准电压690V增加到中压级别，电压升高的的优点压在于它可以降低发电机和电源转换器之间电力传输的损耗，并能减少体积和机舱的重量，降低成本10。模块化驱动器的一个基本模块是单相输出矩阵转换器（SPMC），如图3-4所示。级联H桥电压源逆变器拓扑和使用高压电源开关的三电平逆变器在中压驱动器中得到了广泛的应用11- 16。但背靠背转换器-逆变器系统应当用于需要再生的功率流的设备中。图3中所示的电池单元由6双向开关和交流电容器组成。基本上，此电路是一个三相输入单相输出的矩阵转换器，简化如图4所示。它根据参考的三相输出电压生成单相输出电压，这一点类似于VSI的H-桥。输入电流功率因数通过根据输入电压波形调整每个开关的传导比来控制 8 - 9。 图4简化的单相矩阵变换器的电路 a 高额定电流驱动器的配置 b 中额定电压驱动的配置图5 矩阵变换器的高功率应用的模块化概念 SPMC单元可以根据驱动器的额定电压和电流实现并联或串联。在图5(a)中，动力电池的输入电压是690伏，单相额定输出电压为635 V、，两个单元并联用来增加额定电流，输出电压可以设计成线电压1千伏 总共5千伏的形式。 图6.线式3.3千伏输出电压中压矩阵转换器。 在图5(b)，每个单元的额定输出电压是635V，并且三个单元以串联形式连接。相电压为1905V，线电压变为3.3千伏，共有13级输出。因此，它非常接近于图6所示1700V级用于电力单元的IGBT的正弦波。 IGBT的额定电流由SPMC单元的额定电流确定。B.高功率矩阵变换器的配置 图7显示了3.3千伏中等电压等级矩阵转换器的整体配置，其中包括一个多绕组变压器，电压从 3300V逐步下降到690V，次级绕组的相位在+20，0和-20度之间切换以改善输入电流谐波。它与广为人知的18脉冲整流器的原理是一样的 13 - 14。移相也有利于消除输出电压波形中的输入电压纹波。它与逆变器拓扑相比还对相对较低的输出电压进行了补偿 3。标准的低电压MXC要求利用LC滤波器以减少在电网中的PWM谐波，但在模块化的MXC拓扑中，利用变压器的泄漏电感可以消除这一影响。为了获得平稳的输出电压变化，功率单元的PWM时序相互之间被转换了120度。对于6.6千伏线电压驱动器，6个功率单元采用串联的方式进行连接。 图7。风力发电机组传动系统矩阵变换器的示意图三 矩阵变换器系统的主要特点由于没有用寿命相对较短的直流母线电容器，高功率MXC在可靠性、大小和效率上都有优势；同时较高的可靠性也减少维修费用；使用功率单元的模块化设计的MXC非常紧凑，维修和服务起来也很方便；个别小模块可以快速更换，因此它还减少了停机时间。图8.风力涡轮机系统（1.5 MVA）矩阵转换器的外部视图。图8显示了在风力发电的应用中矩阵变换器的外部视图。它包括一个控制器面板，多绕组变压器面板和一个主电路板。功率单元堆放在主电路板上。标准的产品配置包括适用于1千伏电压等级的2兆瓦，3兆伏驱动器和适用于3千伏电压等级的2兆瓦3兆瓦驱动器。可能输出的额定功率范围从200千瓦到6兆瓦，电压等级为从690 V至6.6千伏。 图9.实验四象限运行3.3KV，800KVA矩阵转换器 图9显示了3.3千伏，800千伏安矩阵变换器在四个象限的速度，扭矩，功率和输入/输出电流，这些是风力发电机组传动系统的基本特征量，实验使用的是600千瓦，1200转的异步电动机。该图显示从驾驭到再生的平稳过渡，在加速和减速过程中扭矩和电机电流得到了很好的控制，电机的转速与速度参考值也得到了较好的温和。包括多输出变压器的3.3千伏系统整体效率约98，而典型的背靠背逆变器系统的效率只有97左右。 图10.国贸代码：在电网电压模式的极限曲线连接。四 矩阵变换器的低电压穿越由于在全球范围内风力发电对电力系统的影响越来越大，低电压穿越能力对于大型风电场在电网中能否可靠运行起到非常重要的影响 17 - 21。突然低电压条件下，风力发电系统必须在一个给定的持续时间内保持连接到电网，并在故障排除过程中和排除后通过提供无功功率对维持系统稳定性做出贡献。图10显示在国贸电网代码中描述的低电压穿越的条件 22。在限制电压曲线之上绝不能从电网断开。风力发电系统必须提供无功电流（容性或感性）在图11所示的电压下降和电压上升的时段。矩阵变换器的电网侧的电流控制类似于一个电流源整流器2326。 图11.国贸代码：事件在电网电压支持的原则 故障（无功功率的需求）。电网侧的无功电流是由以下变量控制： - 发电机侧电流幅值- 发电机侧的功率因数- 电网侧功率因数。矩阵电流的电网侧电流幅值依赖于发电机侧的有功电流分量，因为无功电流分量在循环发电机侧，不影响电网侧。在低压电力故障期间，电网侧无功电流可以通过调整输入功率因数和输出电压参考波形来控制。图12.基于标准IEC61400 - 21（2008）的低压穿越 图13断路器开关的低电压穿越序列 测试的实验装置 通过测试。图12显示了基于标准IEC61400 - 21（2008）的低压穿越测试的实验装置24，用简单的分压器电路模拟电网电压骤降。矩阵转换器的输入电压是由两个电感Z1和Z2的阻抗比决定的。图13显示了交换机的切换序列。 在正常情况下S1闭合，S2断开。当S1断开，S2闭合时电压发生骤降。图14显示了用1440V，100千伏 图14低压穿越测试结果安矩阵转换器和一个400V级永磁发电机所做的小规模低电压穿越测试的结果。当开关S2闭合时，输入电压下降到几乎为零，由于电网电压低于正常水平，矩阵转换开始向电网提供无功电流。在真正的风电场，无功电流命令是根据TSO的要求计算的 25。但是，在测试中，补偿水平是按电网的百分比压降提前确定的。在测试中，无功电流参考100。伴随着发电机的转矩降低，电网侧的无功电流减小到零。电网故障被清除后，无功电流减小到零而有功电流返回到以前的正常水平。图15显示了在电压骤降50的情况下低压穿越的测试结果。无功电流补偿级别设置为100。由于输入电压的下降和电网侧位移角的增加，最大输出电压降低 26 - 27，发电机转矩控制能力是有限的。当电网电压非常低，电网电压的相位角控制可转换为更好的无功电流控制。图14和15表明发生低压穿越故障时矩阵转换器的无功电流补偿是可能的。 图15 在电压骤降50的情况下低