矩陣變換器在變速恒頻風力發電中的研究與應用

馬治國,朱 凌,李 偉

(華北電力大學,河北 保定 071003)

0 引 言

能源是一個國家發展工業、農業、國防、科學技術和提高人民生活水平的重要物質基礎。電力則是國民經濟發展中能效高、使用方便而被廣泛應用的二次能源。目前,人類賴以生存和發展的能源主要還是靠儲量有限的化石燃料,利用潔凈的能源(可再生能源)是人類社會文明進步的表現、是科學技術的發展、環保理念的體現,也是一個地區環保的重要指標。潔凈能源中以風能技術最為成熟,經濟可行性較高,是一種較理想的可持續發展能源。交流勵磁變速恒頻風力發電系統由于變速范圍寬,可使得風機葉尖轉速與風速之比保持不變來達到最佳的風能利用系數,使得在較寬的風速變化范圍內都可以得到較高的功率輸出,同時其諧波污染較小,目前已有所應用。

交流勵磁發電機系統中的主要設備是交流勵磁器。采用變頻器為使發電機獲得由次同步到超同步的無級調速性能和有功與無功獨立調節的運行特性,作為交流勵磁器的變頻裝置必須具備的基本條件是：功率可雙向傳送,且輸出電壓及其電流的幅值、頻率、相位、相序均可調節。矩陣變換器采用9個雙向全控開關,按3×3矩陣排列,可組成三相/三相矩陣式變換器。這是一種“廣義電能轉換器”,其特點是：

(l)控制自由度大,輸出電壓可調,輸出頻率可調范圍大;

(2)輸入功率因數可任意調節,可超前、可滯后,可調至其逼近于1;

(3)由于采用雙向開關,能量可雙向流動;

(4)無中間直流環節,結構緊湊,體積小,效率高[1-2]。

由于具有上述優點,矩陣式變換器已成為電力電子技術目前的研究熱點之一。矩陣式變換器的上述特性,使其很適合作為交流勵磁發電機系統中的交流勵磁器。

直接功率控制策略是直接轉矩控制的衍生控制,是直接以有功功率和無功功率為控制量,非常簡便地實現了有功功率和無功功率的解耦,同時該策略的算法相比矢量控制策略有很多優勢：相比矢量控制策略沒有反復的坐標變換,所以算法大大簡化;該算法只需少量電機參數,且對參數的變化不敏感,故而能保證控制精度;更高單位功率因數控制;動態響應快[3]。將用于交流傳動的矢量控制和直接功率控制技術移植于雙饋電機風力發電的交流勵磁器,可實現風力發電機的柔性并網,并提高電力系統的穩定性[4]。

本文將矩陣式變換器應用于雙饋電機交流勵磁風力發電系統,提出DPVC(Direct Power Vector Control)控制法：將電機的直接功率控制和矩陣變換器的矢量控制結合在一起,控制發電機輸出的有功和無功功率,使得有功和無功能夠獨立調節,發電機能夠很好地跟蹤風速的變化進行最大功率的變速恒頻發電;同時,電機的功率因數可按照需要運行在正負和單位1狀態,最后根據仿真結果證明了該方法的正確性。

1 矩陣變換器的空間矢量調制

矩陣式變換器的基本拓撲結構如圖1所示。

圖1 矩陣式變換器的拓撲圖

三相/三相矩陣式變換器含有9個雙向開關 ,通過邏輯控制這些開關,可實現電壓幅值和頻率的變換。矩陣式變換器的空間矢量PWM調制將變換器本身等效成兩部分,如圖2所示。第一部分為整流部分,第二部分為逆變部分。這樣,兩部分可以分別使用成熟的空間矢量PWM調制理論。

圖2 矩陣式變換器的等效交-直-交圖

對于整流部分,根據輸入電壓及輸入功率因數來確定輸入電流相角。由電流相角可確定三相輸入電流Ia,Ib,Ic。通過三相坐標到兩相靜止坐標系的變換,得到兩相a-β坐標下的電流矢量,再通過a-β坐標到極坐標的轉換,可以得到電流矢量Ii的幅值和相角。同理,對于逆變部分,得到三相輸出線電壓的電壓矢量Uo的幅值和相角。

等效直流電源轉換為三相交流的變換器共有6只功率開關,分別從直流正負母線接到三相輸出ABC,開關標號為Sap Sbp Scp和SaN SbN ScN。6只開關可能出現的不同組合共有8種狀態,6種有效電壓矢量,2種零矢量。6種有效矢量形成6個空間矢量扇區,如圖3(a)所示。

等效輸入三相電源轉換為直流的變換器也有6只功率開關,開關標號為Sap Sbp Scp和SaN SbN ScN。6只開關可能出現的不同組合共有9種狀態,6種有效電流矢量,3種零矢量。6種有效矢量形成6個空間矢量扇區,如圖3(b)所示。

圖3 空間矢量圖

為了得到在空間勻速旋轉的空間矢量U o和I i,采用脈寬調制法合成Ii和Uo。某一瞬間的空間矢量落在六個矢量扇區中的某個扇區,如圖3所示,根據空間矢量調制法,用瞬時矢量的相鄰矢量合成I i和U o(例如用I1 I 2合成 I i,用U 1 U 2合成U o)。根據正弦定理,各電壓矢量占空比 dα、dβ、d0為[5]：

同理 ,各電流矢量占空比 dα、dβ、d0為[5]：

式中,0＜mv≤1為電壓調制系數,0＜mc≤1為電流調制系數,T s為采樣時間。

根據實際計算出的輸出電壓空間矢量Uo和輸入電流空間矢量I i選擇兩個矢量各自所在扇區。由所在扇區的兩個矢量合成實際矢量。根據兩個實際矢量所選出的兩個扇區的四個空間矢量,可確定等效兩部分的開關標號,將這兩部分的雙向開關相互結合即可得到矩陣式變換器九個開關器件瞬時開關狀態。兩部分的空間矢量相互結合,共有6×6=36種組合。每個組合矢量的作用時間可由下式求出。用a,b角標表示實際輸入電流空間矢量所在電流扇區的兩個矢量,用c,d角標表示給定輸出線電壓空間矢量所在電壓扇區的兩個矢量[6]。

式中,m為調制系數;Ts表示采樣時間。按照計算出的開關占空比來調制矩陣式變換器的9個開關器件,則變換器可按照要求輸出所需的線電壓,輸入電流為由輸入功率因數角所確定的電流。

2 雙饋電機的直接功率控制

交流勵磁雙饋電機風力發電系統如圖4所示。根據雙饋電機的運行原理,電機的定子繞組電源為工頻電源,而轉子則由變頻器供電,轉子側電壓的幅值、頻率和相位應按運行要求分別進行調節[7]。定子旋轉磁場頻率ω1,轉子交流勵磁電源頻率ω2,和電機旋轉電角速度 ωr。

圖4 變速恒頻雙饋發電機系統結構示意圖

當由風力機帶動的電機轉速ωr變化時,為了保證發電機輸出的定子電壓頻率ω1不變,應按式(12)調節交流勵磁電源的頻率ω2。

即當發電機的轉速小于定子旋轉磁場的轉速時,電機處于亞同步運行狀態,變頻器向發電機轉子供電,定子輸出電能至電網,式(12)取正號;當發電機處于超同步運行狀態時,發電機定子和轉子同時輸出電能至電網,變頻器能量反向流動,式(12)取負號。這就是風力發電中為最大限度地利用風能所采用的交流勵磁變速恒頻發電基本原理[8]。

[9,10],轉子電壓在定子磁場定向同步旋轉坐標系下的dq分量為：

式中,UrdUrq為電機轉子側電壓dq分量;Ts為系統采樣時間;ψsd為定子磁鏈幅值;Ps為電機輸出的有功功率;Qs為電機輸出的無功功率;Lr為電機轉子電感;L m為定子與轉子的互感;kσ=1.5L m/(Lr Ls-L2m);△Ps為給定有功與Ps的差值;△Qs為給定無功與Qs的差值。

由上面式子發現,要得到轉子電壓在同步旋轉坐標系下的dq分量只需簡單的乘除加減即可實現從同步坐標系到轉子坐標系的變換。再由式(15)將定子同步坐標系下的轉子電壓變換到轉子靜止a-β坐標系下即可得到轉子上所應施加的轉子電壓：

把a-β坐標系的電壓矢量變成以相角和幅值表示的電壓矢量,以獲取電壓和電流矢量的相位角。變換公式[11]如式(16)。

雙饋電機的矩陣式變換器勵磁的風力發電系統如圖5所示。

圖5 矩陣變換器勵磁的雙饋電機風力發電系統圖

矩陣變換器輸入側按照上文所述的空間矢量調制法得到輸入電流的電流矢量的幅值和相角,輸出側的電壓矢量的幅值和相角由上文所述的電機直接功率控制法得到,然后進行兩部分擬合,得到矩陣式變換器九個功率開關的開關脈沖,從而控制雙饋電機的輸出功率。這就是矩陣式變換器作為交流勵磁電源時電壓、電流矢量的調制過程。

3 仿真結果

使用Matlab軟件的Simulink仿真環境,對矩陣變換器勵磁的變速恒頻雙饋發電機風力發電系統進行了仿真研究。仿真系統如圖6所示。

圖6 矩陣變換器勵磁的雙饋電機風力發電仿真系統

對稱三相電壓源A、B、C模擬三相交流電,220 V 50 Hz,發電機為繞線式雙饋感應電機。發電機額定功率 4 k W,額定轉速 1 430 rpm,定子額定電壓380 V,折算至定子繞組匝數后的繞組參數為R s=1.405Ω,L s=0.178 039 H,L r=0.178 039 H,L m=0.172 2 H,Rr=1.309 5Ω。

假定轉速為0.8ω1時,風機轉化最大功率為-2 kW,0.9ω1時,風機轉化最大功率為-3 k W,在轉速為1.2ω1時,風機轉化的最大功率為-4 k W。調節轉子轉速,在 0-0.5 s時 ,轉速為 0.8 ω1,在 0.5 s時 ,轉速變為0.9ω1,在1s時,轉速變為1.2ω1。無功設定為0,功率因數為-1。仿真結果如圖7～圖12所示。

圖12 雙饋電機輸入電流的FFT圖

由仿真圖可以看出,當風速變化時,仿真中電機轉速由次同步變化到超同步,雙饋電機的輸出有功功率隨著相應變化,且可以達到風機轉化的最大功率,體現出了風力發電系統的最大功率跟隨;在有功功率變化同時,無功功率始終保持為零,功率因數為負單位1,表現出有功與無功的無耦合性,有功與無功能分別進行獨立調節;在有功變化的同時,電機的輸出電流的大小也隨著變化,由單相輸出電流的FFT分析圖可知,輸出電流頻率為50 Hz,只含有少量低次諧波;對應轉子側,由轉子側電壓電流圖可以看出,電機轉子側輸入電壓電流的頻率隨電機轉速的變化而變化,從而保持了定子輸出電流為工頻。

4 結 論

本文結合矩陣式變換器、雙饋電機交流勵磁發電、直接功率控制、矢量控制的優點,建立了矩陣式變換器供電的變速恒頻交流勵磁風力發電機定子磁場定向的DPVC控制系統模型,并對該系統進行了仿真研究。結果表明,矩陣式變換器能夠很好地代替其他變頻器作為雙饋電機的勵磁器,從而大大減小了勵磁器的體積,使得雙饋電機的能量能夠雙向流動,輸入功率因數也為單位1,輸出電流諧波含量少,提高了電網的穩定性;能夠與直接功率控制很好地結合,控制轉子側的勵磁電壓實現雙饋電機輸出有功和無功功率的獨立調節。本文也為DPVC控制系統的進一步研究做了鋪墊。

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