基于Buck電路的矩陣變換器風機直接轉矩控制*

陳 艷，黃燦英，羅小青，萬 彬，李升健

(1.南昌大學 科學技術學院，南昌 330029；2.南昌職業學院 工程系，南昌 330004；3.國網江西省電力有限公司 電力科學研究院，南昌 330096)

風電作為一種清潔、可再生的能源[1]，已經從補充能源轉變為最具商業前景的能源，風力發電也逐漸成為各國能源發展的方向[2-4].

常用的風力發電系統包括：恒速恒頻風力發電系統和變速恒頻風力發電系統[5-6].恒頻風力發電系統在發電過程中維持風機轉速不變，并使用電力變頻措施將風機產生的變頻電能轉化為工頻后并入電網，常用于微電網和小規模風力發電系統中[7]；而變速恒頻風力發電系統在變速運行時得到恒頻的電能，具有提高風能利用率和靈活控制的特點[8].

風力發電機的直接轉矩控制是德國和日本學者于20世紀80年代提出的一種電機控制策略[12-14]，其無需將矢量變換到轉子坐標系中，而是在定子坐標系中直接實現電機的轉速控制[15].直接轉矩控制具有計算量小、控制簡單、不易受電機參數影響的特點，且具有較高的魯棒性[16].

1 基于Buck電路的矩陣變換器

圖1 矩陣變換器主電路Fig.1 Main circuit of matrix converter

典型的Buck電路如圖2a所示，包括一個負載R、阻抗L、兩個普通二極管VD和一個控制通斷的IGBT管VT，其中，VD用于阻止反向電壓和提供續流通道.圖2b為本文改進后的斬波電路，其使用兩個背靠背的二極管代替原來的單二極管，并使用兩個背靠背的IGBT代替原來的IGBT.改進后的斬波電路使用SPWM方式進行調制控制，并可通過采用適當的控制方法來獲得期望頻率的電流.如當輸入端正弦電流的上半波形時，始終關斷VT1和VT4，導通VT3和VD3來續流，導通VD2和VT2來斬波，此時流過負載的電流和加載在負載兩端的電壓均是正半周期輸入；而當輸入端正弦電流的下半波形時，始終關斷VT2和VT3，而導通VT4和VD4來續流，導通VD1和VT1來斬波，此時流過負載的電流和加載在負載兩端的電壓均是負半周期輸入.

圖2 Buck電路及改進單相電路Fig.2 Buck circuit and improved single-phase circuit

由于SPWM自身的缺陷，使得輸出波形極不穩定，易受輸入電壓波動的影響.當輸入存在諧波電壓時，輸入的三相對稱電壓脈動將錯誤地導通或關斷IGBT，從而產生大量的輸出諧波.因此，本文使用電流滯環控制的方式來避免諧波污染，并根據期望輸出電流的相位來相應地導通或關斷IGBT管.

將圖2b的輸入端從單向擴展為三相，可以得到圖3所示的三相輸入矩陣變換器.圖3a為單向輸出矩陣變換器，每一相的導通和關斷方式與單向輸入單向輸出時的電路類似.若去掉圖3a的續流回路且采用雙極性控制策略，可以得到圖3b所示的電路結構.電路控制策略為：假設期望輸出為正半周期電流，并比較三相電壓值的大小，將導通電壓值最高線路對應的IGBT管進行斬波，將導通電壓值最低的線路對應的IGBT管進行續流.簡化圖3b結構可得到圖3c所示的矩陣變換器，其使用雙向可控開關管SAa、SAb和SAc來控制線路的導通與關斷，從而得到期望輸出頻率的交流電.由于實際中使用的是感性負載，因此，這種矩陣式變換器在工作時必須同時對電壓最高的一相進行斬波，并將電壓值最低的一相進行續流.

圖3 單相三相矩陣變換器Fig.3 Single phase-three phase matrix converter

2 變換器的風機直接轉矩控制

2.1 風機發電系統結構

本文主要研究應用于微電網分布式電源中的永磁直驅風力發電機的直接轉矩控制策略.永磁直驅風力發電機減少了勵磁裝置和勵磁線圈，主要采用永磁材料制造.相比于雙饋異步風力發電機，其具有損耗小、能量轉換效率高、結構簡單和可靠性強的特點.

永磁直驅風力發電機的直接轉矩控制系統結構圖如圖4所示.該系統主要由風機、并網通斷電開關裝置、永磁同步發電機(PMSG)和基于Buck電路的矩陣式變換器構成，并使用定子濾波器過濾輸入矩陣式變換器的諧波，且使用網側濾波器過濾矩陣式變換器開關動作產生的輸出諧波.永磁同步發電機的轉子側采用永磁電極，在定子側使用對稱三相繞組來直接控制風機發電.該控制系統通過矩陣式變換器將風機產生的不同頻率和幅值電壓轉化為符合電網實際需求的恒定幅值與頻率的交流電來實現并網.

圖4 永磁直驅風力發電機的直接轉矩控制系統結構圖Fig.4 Structure diagram of direct torque control system of permanent magnet direct driving wind turbine

2.2 PMSG和矩陣式變換器的數學模型

為了使電壓滿足并網的條件，需要有效控制輸出電壓矢量，以控制發電機能量的單向流動，因此，本文首先研究了PMSG和矩陣式變換器的數學模型.

2.2.1 PMSG數學模型

當PMSG運行在靜止坐標系時，假設發電機的轉動慣量為J，則有PMSG數學模型為

(1)

(2)

Ψs=Lis+ΨPMeJθ

(3)

(4)

式中：T、Te分別為輸出轉矩與電磁轉矩；Ψs、ΨPM分別為定子磁鏈與轉子磁鏈幅值；Rs為定子電阻；is、uc分別為定子電流與電壓值；L為定子感抗；θ為轉子磁鏈相位；w為風機轉速；np為轉子極數.

2.2.2 矩陣式控制器數學模型

在建立數學模型時需要考慮電網諧波對矩陣式變換器的影響，因此使用代數方程和微分方程相結合的方式來表示其數學模型，即

(5)

(6)

(7)

式中：dr、di分別為逆變級調制值與整流級調制值；i、is分別為電網的電流值與定子電流值；Cs為定子電容；uc、udc分別為定子電壓及直流平均電壓；idc為直流平均電流.

2.2.3 網側數學模型

永磁直驅風力發電機的直接轉矩控制系統在電網側添加了濾波電路，并直接與電網相連，則可構建電網側數學模型為

(8)

式中：Lg為輸出端濾波器的電感；ug為電網的電壓.

當轉子位于旋轉坐標系時，在d-q坐標系中分解式(1)～(8)所示方程，則有

(9)

式中，各變量的定義如圖5等效電路圖所示.

2.3 控制策略

分析整個系統模型可知，為了使輸出電壓滿足并網恒頻的要求，必須完全控制PMSG轉子的轉速.在2.2節的數學模型中，逆變級調制矢量dr和整流級調制矢量di可得到較好地控制，并可以通過控制這兩個自由度來控制整個系統.為了簡化控制，本文假設矩陣式變換器的電壓矢量與電流矢量同相位，則di取一定值，并有

(10)

式(10)所示的假設，不僅能降低控制成本，減小控制的難度，還能提高電壓的傳輸比.

本文使用反饋線性化法來設計非線性控制器，通過坐標變換將非線性系統轉化為線性系統，并使用線性控制理論來控制，控制方程表達式為

(11)

(12)

(13)

式中：上標r為轉子變量；上標s為定子變量.為了最大限度地吸收風能，需要使風機的轉速和風速同步變化，使用式(12)得到的轉速為w，期望轉速為w*，則同步電機PMSG的速度誤差為e=w-w*.

圖5 d-q坐標系等效電路圖Fig.5 Equivalent circuit diagram of d-q coordinate system

3 仿真分析

本文使用Matlab軟件中的Simulink工具箱搭建仿真模型，并以1.5 MW永磁直驅風力發電機作為研究對象，仿真系統整體結構如圖6所示.

由圖7可以看出，電磁轉矩脈動比較劇烈，但系統整體的動態響應特性優秀，尤其是在第50 s時，風速發生跳變，電磁轉矩能隨之變化，從而表明，本文設計的矩陣式變換器能提高系統的動態響應性能.

4 結 論

圖6 仿真系統結構圖Fig.6 Structure diagram of simulation system

圖7 電磁轉矩隨時間的變化結果Fig.7 Change results of electromagnetic torque with time

圖8 電機轉速隨時間的變化結果Fig.8 Change results of motor speed with time