直驅式風力發電系統中TSMC的研究

王 碩，田立欣，黃殿君，蓋國權

（1.內蒙古工業大學 內蒙古 呼和浩特 010080；2.內蒙古電力（集團）有限責任公司巴彥淖爾電業局 內蒙古 巴彥淖爾 015000）

風能是一種可再生的、無污染的綠色能源，所以風電的發展越來越受到人們的重視，各國都在大力發展本國的風電項目。直驅式風力發電系統也以其自身的獨特優勢受到越來越多科研工作者的重視，而在直驅式風力發電系統中的全功率變流器的地位是至關重要的，所以筆者討論了將TSMC（雙級矩陣變換器）用于直驅式風力發電系統中。TSMC器集合了矩陣變換器和傳統的交-直-交變換器的優點，對TSMC的深入研究不僅對風力發電并且整個電力變換領域都有重要的意義。

1 TSMC用于直驅式風力發電系介紹

直驅式永磁同步風力發電系統，風力機直接與永磁同步發電機相連，不需要升速齒輪箱。首先將風能轉化為頻率和幅值均變化的交流電，然后通過電力電子變換裝置變為恒幅恒頻率的交流電接入電網。與現在普遍使用的雙饋風力發電系統相比，由于采用風機與永磁同步發電機直接耦合，省去了齒輪箱，這樣大大減小了系統噪聲，降低了系統的控制難度，提高了系統的可靠性，延長了系統的使用壽命，降低了風力發電成本。并且隨著全功率變流技術的快速發展，目前的風力發電系統正向無齒輪箱的直驅式永磁風力發電的趨勢發展，而且已經在不同功率等級的風力發電系統中開始應用。直驅式永磁風力發電系統對變流裝置要求較高，所以本文將TSMC應用于直驅是風力發電系統中，來得到性能更好的風力發電機組。系統的結構[1-2]如圖1所示。

圖1 TSMC用于直驅式風力發電系統結構圖Fig.1 StructureofTSMCusedindirect-drivewindpowergenerationsystem

2 TSMC（雙級矩陣變換器）

TSMC與傳統的的交直交PWM變頻器和矩陣變換器相比，首先，具有良好的輸入輸出性能、高輸入功率因數，并且可以實現能量的雙向傳輸；其次，直流環節不需要大電容，鉗位電路簡單；再次，整流級可以實現開關零電流換流，逆變級可以采用傳統的矩陣變換器的換流方法，換流方法簡單，提高了整體的可靠性；并且具有中間直流環節可以采用比較成熟的PWM控制，進一步降低了系統的控制難度。

TSMC的拓撲結構如圖2所示，系統由18個IGBT組成，整流級由6組發射極相連的IGBT構成的雙向開關組成，逆變級與傳統的逆變器相同。

圖2 TSMC拓撲結構Fig.2 Topology of TSMC

3 TSMC的調制方法

3.1 整流級的PWM調制

TSMC整流級的調制目標為：保證直流側的輸出電壓始終為正，電壓傳輸比為最大，并且輸入功率因數為一[3-6]。

設三相輸入電壓為：

式中Uim為輸入相電壓的幅值，ωi為輸入電壓的角頻率。為了便于分析整流級的調制原理，將一個周期的輸入電壓分成6等份，即六個扇區，每個扇區為π/3。如圖3所示。

圖3 整流級的扇區劃分Fig.3 Voltage intervals of rectifier stage

每個扇區都有一個共同的特點，一相的電壓絕對值最大，另外兩相的極性與之相反。所以將每一個扇區分為兩個時間段，在這連兩個時間段內，保證電壓絕對值最大的那相的上橋臂或下橋臂始終導通，另外兩相的上下橋臂輪流導通。這樣在一個扇區內就可以輸出兩個幅值最大的極性為正的電壓矢量，并且不會出現零矢量。

下面以扇區一為例進行說明：在扇區一中A相電壓始終為正且電壓值最大，B、C兩相電壓極性與之相反。所以，為保證電壓傳輸比為最大，在扇區一中A相始終導通，B相和C相輪流導通。 即第一段時間內 SAp1、SAp2、SBn1、SBn2導通，這時直流側的輸出電壓udc=uAB=uA-uB，傳遞函數為

第二段時間內 SAp1、SAp2、SCn1、SCn2導通，這時直流側的輸出電壓udc=uAC=uA-uC，傳遞函數為

整流級調制的另外一個目的，要保持輸入功率因數為1。仍以扇區一為例，直流側的正極p在扇區一中始終連接在A相，B、C兩相則輪流連接到直流側的負極n。在一個PWM調制周期內，局部直流電流的平均值為iˉ為定值，三相輸入電流的局部平均值為iˉA、iˉB、iˉC。設兩段時間的占空比分別為dAB、dAC，所以有

為保持輸入功率因數為1，需使每相輸入電流平均值的大小始終與同相電壓成正比，所以

因此，第一段時間的占空比為

所以一個 PWM 調制周期內， 開關 SAp1、SAp2、SBn1、SBn2導通時間為：

式中，Ts為PWM調制周期。

第二段時間的占空比為

開關 SAp1、SAp2、SCn1、SCn2的導通時間為：

同理可得其他扇區的開關狀態以及相應的占空比。所以一個PWM調制周期內的直流側平均電壓為

將式（1）、（7）和（9）代入式（11），得

同理可得其他調制周期內的局部平均電壓為：

其中，cosθi=max（|cosθA|，|cosθB|，|cosθC|）。

3.2 逆變級的SVPWM調制

其中，d0為零電壓矢量，Uom為輸出線電壓空間矢量US的幅值，m為逆變級的調制比。

因為在實際情況中，uˉdc是變化的，所以實際的調制比為（將式（13）代入式（17））：

由于整流級的一個調制周期內兩個時間段內的直流電壓是不同的，所以逆變級的調制周期也要分為兩個階段進行。為了保證系統的電壓傳輸比，應使一個調制周期內的輸出矢量相位相同，所以整流級和逆變級的兩個時間段的占空比應該相同：

第一段時間TAB：

第二段時間：

所以在TAB時間段內，矢量UM分配的時間為TMAB，UN分配的時間為TNAB，U0分配的時間為T0AB；在TAC時間段內，矢量UM分配的時間為TMAC，UN分配的時間為TNAC，U0分配的時間為T0AC。

4 TSMC的換流

TSMC相對傳統矩陣變換器來說，無需復雜的四步換流，換流簡單可靠。逆變級開關的換流可直接采用傳統的直—交逆變器的可靠地換流方法。

整流級雙向開關的換流，當雙向開關換流是逆變級都工作在零電壓空間矢量狀態，這樣就可以實現整流級的零電流環流，簡單可靠，這也是TSMC最主要的優點之一。

5 仿真分析

圖4 直流電流和直流電壓仿真波形Fig.4 Simulation waveform of DC current and DC voltage

本文基于Matlab∕Simulink建立了TSMC的仿真模型，仿真參數如下：輸入相電壓為380 V，三相對稱阻感負載為電阻R=1 Ω、電感L=5 mH，系統的調制頻率為6 kHz。由于直驅式風力發電系統中永磁同步發電機發出的為頻率變化的交流電，然后通過TSMC變為與電網同頻率的交流電。所以系統仿真主要驗證在輸入電壓頻率變化的情況下，系統能否較好的輸出與電網頻率相同的交流電。

第一種情況當輸入電壓為50 Hz時，輸出電壓也為50 Hz。系統的仿真結果如下，圖 4（a）為直流電流波形，圖 4（b）為直流電壓波形，由圖可知直流電壓主要在輸入線電壓的幅值和其三分之一間變動，并且始終保持為正。圖5為輸出電壓和電流波形。圖6為輸出電流的頻譜分析。

圖5 輸出線電壓和電流仿真波形Fig.5 Simulation waveform of output line voltage and current

圖6 輸出電流的頻譜分析Fig.6 Spectral analysis of the output current

第二種情況輸入電壓為100 Hz，輸出電壓為50 Hz時，系統的仿真結果如圖7所示。圖7（a）為輸出電壓波形，（b）為輸出電流波形。

第三種情況輸入電壓為30 Hz，輸出電壓為50 Hz時，系統的仿真結果如圖8所示。圖8（a）為輸出電壓波形，（b）為輸出電流波形。

根據仿真結果可得：TSMC在不同輸入頻率的情況下，都能有穩定的輸出50 Hz的交流電壓，很好的滿足直驅式永磁風力發電[7]系統對全功率變換器的要求，并且通過FFT分析可以了解到，系統除了開關頻率附近的高頻諧波，其他低頻諧波的分量很小，所以通過仿真結果可以得出TSMC具有優秀的輸入輸出性能，并且非常適用于直驅式永磁同步風力發電系統。

圖7 輸入電壓為100 Hz時輸出電壓和電流波形Fig.7 When the frequency of input voltage is 100 Hz，the output voltage and current waveforms

圖8 輸入電壓為30 Hz時輸出電壓和電流波形Fig.8 When the frequency of input voltage is 30 Hz，the output voltage and current waveforms

6 結束語

本文首先分析了直驅式風力發電系統的優勢以及對全功率變流器的要求，在此基礎上研究了將TSMC作為直驅式風力發電系的全功率變流器，充分發揮了TSMC的各項優勢，是直驅式風力發電系統的性能優勢更加突出。然后對TSMC整流級的PWM調制和逆變級的空間矢量調制進行了計算和推導，并且分析了TSMC的換流方法。最后通過MATLAB對整流級和逆變級的調制策略進行了仿真驗證，并且對不同頻率輸入的情況下的TSMC的穩定輸出能力進行了驗證。同時也為以后的研究提供了理論基礎。

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