一種基于矩陣變換器的海上風力機中壓電能變換系統(tǒng)*

劉 鑫 原熙博 韓東旭 趙 凱 由 蕤

(1.青島大學電氣工程學院 青島 266071；2.布里斯托大學電氣與電子工程系 布里斯托 BS8 1UB 英國)

1 引言

隨著全球工業(yè)發(fā)展和生產(chǎn)力的不斷提高，能源消耗也越來越大，而傳統(tǒng)的化石能源日益枯竭，為了緩解能源危機和環(huán)境污染問題，人們迫切需要一種蘊藏量豐富的清潔能源，而風能正好滿足這一要求。其中，海上風電憑借著資源儲備豐富、發(fā)電穩(wěn)定等優(yōu)勢擁有廣闊的發(fā)展前景。數(shù)據(jù)顯示，我國陸上風電年均利用小時數(shù)為1 900 左右，而海上風電年均利用小時數(shù)可以達到2 400 左右[1]。隨著技術水平的提高，風電單機容量增加。

當前大多數(shù)風力發(fā)電機都是基于690 V 并網(wǎng)電壓等級[2-3]，隨著風機功率等級的提高，并網(wǎng)電流會越來越大，對電纜設備的要求越來越高，成本和損耗也會增加[4]，雖然可以通過將升壓變壓器放置于機艙來解決這些問題，但是笨重的變壓器擠占了機艙的有限空間，增加了塔筒的載荷。所以對于大型風力發(fā)電系統(tǒng)來說，使用中壓電力變換系統(tǒng)更為理想，不但降低了成本和損耗，而且提高了系統(tǒng)的功率密度[5]。

傳統(tǒng)的背靠背變流器拓撲結構如圖1 所示，由于開關器件的耐壓不能滿足中高壓電力變換的需求[6]，文獻[7-8]提出了一種多電平、中高壓、低諧波的級聯(lián)H 橋變流器拓撲結構，如圖2 所示，通過級聯(lián)的方式將低耐壓功率器件應用到中高壓場合，該拓撲結構具有一定的容錯能力，其中一個單元如果損壞失效，則剩下的單元仍可以正常運行[9]。然而，這種拓撲結構的缺點是輸入側(cè)的低頻單相功率波動會引起直流側(cè)電容電壓的波動，因此需要較大的電容對其進行抑制，電容不僅體積龐大，還顯著增加了系統(tǒng)成本[10]。矩陣變換器是一種直接交-交功率變換器，能量可以雙向流動，輸入輸出電流正弦，且輸入功率因數(shù)可調(diào)，沒有中間直流環(huán)節(jié)，所以結構緊湊、體積小、效率高[11-16]，因此矩陣變換器可以彌補交-直-交變換器的不足。典型的三相-三相矩陣變換器拓撲結構如圖3 所示，但是這種拓撲結構多數(shù)適用于低壓小功率場合[17]。文獻[18-19]提出了一種如圖4 所示的背靠背模塊化多電平矩陣變換器，該拓撲結構已經(jīng)應用于大功率高壓直流輸電工程，但是可以看到，每個單元都需要一個直流電容，造成體積龐大，且還要對每個橋臂的環(huán)流進行抑制，所以控制復雜，雖然這種拓撲是目前研究的熱點，但是該拓撲在風電領域應用較少。文獻[20-21]提出了一種模塊化級聯(lián)型矩陣變換器拓撲結構，將級聯(lián)H 橋變流器中的功率單元用三相-單相矩陣變換器代替，使其不但取消了中間直流環(huán)節(jié)，而且可以應用于中高壓場合的電機驅(qū)動中。文獻[22]首次將這種拓撲結構應用于大功率風電中，介紹了其主要的特點和優(yōu)點，并和級聯(lián)H 橋變流器進行對比，最后還對其低電壓穿越能力進行了相關研究，但是該文章并沒有詳細講述該類型變流器調(diào)制策略和閉環(huán)控制策略，并且國內(nèi)目前還沒有相關的該變流器在風電中應用的文章。

本文研究了這種模塊化級聯(lián)型矩陣變換器拓撲結構在中壓大功率海上風電中的應用，并對其控制策略進行了研究，最后在Matlab/Simulink 中搭建了利用該拓撲的永磁直驅(qū)型風機仿真模型，仿真結果對該拓撲結構及其控制策略的有效性進行了驗證。

圖1 傳統(tǒng)背靠背風電變換器拓撲結構

圖2 級聯(lián)型H 橋變換器拓撲結構

圖3 三相-三相矩陣變換器拓撲結構

圖4 背靠背模塊化多電平矩陣變換器拓撲結構

2 拓撲結構

利用模塊化級聯(lián)型矩陣變換器的風電機組拓撲結構如圖5 所示，該拓撲結構由一臺永磁同步發(fā)電機(Permanent magnet synchronous generator，PMSG)、一個多繞組移相變壓器和3n個功率單元構成，這里的n是指每一相級聯(lián)的功率單元個數(shù)，移相變壓器二次側(cè)繞組為每個功率單元提供獨立的相位依次互差δ=60°/n的三相交流電源，其網(wǎng)側(cè)電流僅含6nk±1 次諧波[23]。功率單元拓撲結構如圖6 所示，每個功率單元是由一個三相濾波電容(三角形連接)和六個雙向開關構成的三相-單相矩陣變換器，每個雙向開關由兩個IGBT 和兩個二極管反并聯(lián)后再串聯(lián)而成，變壓器的二次側(cè)漏感作為濾波電感，所以不需要額外的濾波電感。三相-單相矩陣變換器其等效交-直-交拓撲結構如圖7 所示，等效電路左側(cè)是一個三相全橋，右側(cè)是一個單相全橋。三相-單相矩陣變換器換流有嚴格的要求，就是輸入側(cè)不能短路，輸出側(cè)不能開路，所以三相-單相矩陣變換器在工作時，與輸出端p和n分別相連接的三個開關有且只能有一個開關導通。該級聯(lián)型矩陣變換器從整體上也可以看成一個三相-三相相矩陣變換器，相比于典型三相-三相矩陣變換器，該拓撲結構隨著級聯(lián)單元數(shù)的不同可以在輸出側(cè)產(chǎn)生任意多電平的輸出波形，且具有一定的故障容錯運行能力，更適合應用于高壓大功率場合。

圖5 模塊化級聯(lián)型矩陣風電變換器拓撲結構

圖6 級聯(lián)型矩陣變換器功率單元拓撲結構

圖7 三相-單相矩陣變換器等效交-直-交拓撲結構

3 控制策略

本文對PMSG 采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制，在d-q坐標系下PMSG 數(shù)學模型如下。

(1) 定子電壓方程為

式中，Rs表示定子內(nèi)阻；ud、uq分別表示定子電壓d、q軸分量；id、iq分別表示定子電流d、q軸分量；Ld、Lq分別表示d、q軸同步電感；ωe表示同步旋轉(zhuǎn)角速度；φf表示轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈。

(2) 當永磁同步發(fā)電機交、直軸電感相等時，其電磁轉(zhuǎn)矩Te可表示為

式中，p表示發(fā)電機極對數(shù)，由式(2)可知，電磁轉(zhuǎn)矩只與電流iq有關。

(3) 在d-q坐標系下，定子電流d軸分量id=0時，PMSG 的輸出有功功率P和無功功率Q可表示為

由式(3)可知，為了讓PMSG 只輸出有功功率，應使ud=0。

要使實際電流跟隨指令值，還需要在式(1)中加入反饋控制量，可得控制方程為

式中，kp、ki分別為電流環(huán)PI 控制器比例、積分系數(shù)；s為拉普拉斯變換后變量符號。

由式(1)可知，輸出參考電壓還需要加上交叉耦合電壓補償項，可表達為

由以上數(shù)學公式推導得到的控制策略框圖如圖8 所示，首先對定子電流進行Park 變換，得到定子電流d-q軸分量id和iq，由風機最大功率追蹤控制器得到的發(fā)電機轉(zhuǎn)子角速度給定值，與實際值ωe做差后送入PI 調(diào)節(jié)器得到定子電流q軸分量參考值，為了減少無功交換，使定子電流d軸分量參考值=0；再讓定子電流d-q軸分量id和iq分別與參考值進行比較得到差值后,送入PI 調(diào)節(jié)器獲得輸出參考電壓，加上交叉耦合電壓補償項得到ud和uq，對ud和uq進行Park 反變換得到三相坐標系下的輸出參考電壓Va_ref、Vb_ref、Vc_ref。

圖8 閉環(huán)控制策略

本文中三相-單相矩陣變換器采用了如圖9 所示的正弦脈寬調(diào)制(Sinusoidal pulse width modulation，SPWM)方法[24]，利用絕對值最大的輸入線電壓來合成具有三電平的期望輸出電壓。首先以三相輸入相電壓Via、Vib、Vic的交點為分割點把三相輸入相電壓在一個周期內(nèi)分成六個區(qū)間按順序標號，每個部分的三相輸入相電壓都呈單調(diào)變化。如圖10 所示，通過輸入相電壓之間的相互比較可以得到輸入相電壓所在的區(qū)間標號X，例如當Via＞Vib＞Vic時，XA、XB、XC分別為1、1、0，代表輸入相電壓所在的區(qū)間標號X=6，其他區(qū)間電壓標號信息如表1 所示。此外，還要判斷輸出參考電壓的極性，如圖11 所示，讓輸出參考電壓與單極性三角載波進行比較產(chǎn)生信號L，其值可能等于1、0、-1，分別對應正極性電壓、零電壓和負極性電壓，最后通過查表找到合適的觸發(fā)脈沖，所有狀態(tài)下的觸發(fā)脈沖信息如表1 所示。

圖9 三相-單相矩陣變換器的SPWM 調(diào)制策略

圖10 輸入相電壓所在的區(qū)間標號判斷

圖11 輸出參考電壓和單極性載波比較

表1 所有狀態(tài)下的觸發(fā)脈沖

本文對模塊化級聯(lián)型矩陣變換器采用常用于級聯(lián)H 橋逆變器的載波移相脈寬調(diào)制法進行調(diào)制，這種方法可以產(chǎn)生多電平、低諧波的輸出電壓波形，在這里同一相的單極性載波相位互差360°/n。

4 仿真結果分析

根據(jù)上述拓撲結構和控制原理在 Matlab/Simulink 中搭建了一臺永磁直驅(qū)型風機仿真模型，主電路拓撲結構如圖5 所示，每一相有5 個功率單元，總共有15 個功率單元。仿真系統(tǒng)參數(shù)如下：發(fā)電機額定功率Pn=10 MW；額定電壓Un=10 kV；發(fā)電機極對數(shù)p=90；定子繞組電阻為Rs=0.372 1 Ω；定子交直軸電感Ld=Lq=4.21 mH；轉(zhuǎn)子磁通φf=85.195 Wb；轉(zhuǎn)動慣量J=7.55×109kg?m2；濾波電容Cf=0.01 mF；移相變壓器一次側(cè)線電壓有效值33 kV，二次側(cè)線電壓有效值1 140 V，二次側(cè)繞組電壓相位互差60°/5=12°；電網(wǎng)頻率60 Hz；載波頻率fc=2.5 kHz；風速設為額定值12 m/s。

圖12 和圖13 分別表示機側(cè)三相電壓和三相電流波形，從圖中可以看到機側(cè)電壓波形總共有11 個電平，呈階梯狀，正弦度良好，機側(cè)電流波形也呈正弦且與機側(cè)電壓波形同相位，PMSG 此時只輸出有功功率。圖14 為變壓器二次側(cè)功率單元單相輸入電流波形，可以看到電流不是正弦，但是這些二次側(cè)繞組電流合成的網(wǎng)側(cè)電流卻是正弦的。

圖12 機側(cè)三相電壓波形

圖13 機側(cè)三相電流波形

圖14 變壓器二次側(cè)功率單元單相輸入電流波形

圖15 和圖16 分別為網(wǎng)側(cè)三相電壓和三相電流波形，可以看到網(wǎng)側(cè)電流呈正弦且與網(wǎng)側(cè)電壓同相位。圖17 表示向網(wǎng)側(cè)輸入的有功和無功功率，穩(wěn)態(tài)時有功功率為10 MW，無功功率為0。

圖15 網(wǎng)側(cè)三相電壓波形

圖16 網(wǎng)側(cè)三相電流波形

圖17 系統(tǒng)并網(wǎng)的有功和無功功率

如圖18 所示，對網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)電流波形做FFT 分析，可以看到基波電流幅值為247.4 A，諧波總畸變率THD=1.89%，電流波形質(zhì)量非常好，達到并網(wǎng)的諧波要求。由于采用移相變壓器，網(wǎng)側(cè)高次諧波都被濾波器濾除。

圖18 網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)電流諧波分析

仿真結果表明，該拓撲結構可以在中壓大功率風電場合應用，完成電能的轉(zhuǎn)換。

5 結論

為了滿足海上中壓大功率風電變流器的需求，研究了一種以三相-單相矩陣變換器為基礎的模塊化級聯(lián)型拓撲結構，相比以往的級聯(lián)H 橋變換器，該拓撲結構取消了中間直流環(huán)節(jié)，因此減小了裝置的體積，提高了系統(tǒng)的功率密度。最后通過Matlab/Simulink 搭建了利用該拓撲的風機仿真模型，由仿真結果得到如下結論。

(1) 機測電壓波形正弦度高、電平數(shù)多，表明該拓撲結構可以達到傳統(tǒng)級聯(lián)H 橋同樣的多電平輸出波形。

(2) 該拓撲結構輸入輸出電流正弦度高，可以單位功率因數(shù)運行。

(3) 該拓撲結構可以作為中壓大功率風電變流器，實現(xiàn)電能的交-交直接轉(zhuǎn)換。