摘要：風(fēng)力發(fā)電是一種重要的新能源技術(shù)。介紹了應(yīng)用于新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的矩陣變換器，詳細(xì)分析了具有9個(gè)雙向開(kāi)關(guān)的傳統(tǒng)矩陣變換器與改進(jìn)的雙橋結(jié)構(gòu)矩陣變換器，以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)。通過(guò)分析比較得出，雙橋結(jié)構(gòu)矩陣變換器控制策略簡(jiǎn)單，對(duì)于不同負(fù)載，開(kāi)關(guān)數(shù)目可以減少。其中，具有15個(gè)開(kāi)關(guān)的雙橋矩陣變換器以其經(jīng)濟(jì)性和控制的成熟性，適用于新型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。最后，詳細(xì)介紹了該雙橋式矩陣變換器箝位電路的工作原理和參數(shù)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：矩陣變換器；雙向開(kāi)關(guān)；雙橋結(jié)構(gòu)拓?fù)?；箝位電?

1  引言

    隨著電力電子裝置的日益普及，諧波和無(wú)功電流造成的電力公害越來(lái)越受到重視。風(fēng)力發(fā)電作為一種真正的“綠色”能源，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有極為重要的地位，它可以從根本上消除無(wú)功電流和諧波污染。圖1是一種新型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖。

圖 1 風(fēng) 力 發(fā) 電 系 統(tǒng) 基 本 結(jié) 構(gòu) 框 圖

Fig.1 Basic block diagram of WETS

    該系統(tǒng)主要由1臺(tái)無(wú)刷雙饋異步電機(jī)，1臺(tái)交－交變頻器和一套控制裝置組成。其中無(wú)刷雙饋電機(jī)的定子接電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子接變頻器，通過(guò)控制轉(zhuǎn)子電流的頻率、幅值、相位和相序，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：一是發(fā)電機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下，都能發(fā)出恒頻電能，通過(guò)變頻器傳輸至電網(wǎng)，即實(shí)現(xiàn)變速恒頻運(yùn)行；二是發(fā)電機(jī)定子端有功功率和無(wú)功功率可以獨(dú)立調(diào)節(jié)。那么，作為連接電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的交－交變頻器設(shè)備，其設(shè)計(jì)成為一個(gè)關(guān)鍵，要求它具有優(yōu)良控制性能，結(jié)構(gòu)緊湊，而且具有高功率因數(shù)。

    然而目前流行的交－直－交變頻器和交－交周波變換器，均有其負(fù)面影響——無(wú)功功率和諧波污染，需要添加有源濾波和無(wú)功補(bǔ)償裝置。因此，開(kāi)發(fā)“綠色”電力電子變換器，提高功率因數(shù)，各次諧波分量小于國(guó)際和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)允許的限度，顯然這才是一種治本的辦法^[1]。

    矩陣變換器具有以下優(yōu)點(diǎn)^[2]：

    1)可以實(shí)現(xiàn)四象限操作，能量雙向流動(dòng)；

    2)輸入功率因數(shù)可接近1；

    3)無(wú)直流中間環(huán)節(jié)，不需儲(chǔ)能電容，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；

    4)可獲得正弦波形的輸入電流和輸出電壓，無(wú)低次諧波；

    5)輸出頻率不受輸入電源頻率的限制；

    6)可實(shí)現(xiàn)變速恒頻應(yīng)用。

    基于上述優(yōu)點(diǎn)，本新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的交-交變頻器采用矩陣變換器。通過(guò)合理設(shè)計(jì)，使風(fēng)力機(jī)組直接投入電網(wǎng)運(yùn)行，這為風(fēng)力發(fā)電的廣泛應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

    矩陣變換器的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇，波形生成及控制電路，箝位保護(hù)電路和其它功能輔助電路的實(shí)現(xiàn)。本文主要對(duì)矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和基本的箝位保護(hù)電路作了若干類比分析；對(duì)波形生成及控制電路和其它功能輔助電路的具體分析將在另文中作進(jìn)一步的研究。

2  傳統(tǒng)矩陣變換器及其改進(jìn)型的類比分析

2.1  傳統(tǒng)矩陣變換器分析

    傳統(tǒng)的矩陣變換器由9個(gè)雙向開(kāi)關(guān)組成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示^[5]。虛框內(nèi)為箝位保護(hù)電路，將在后續(xù)部分進(jìn)行分析。矩陣變換器所用的雙向開(kāi)關(guān)有三種結(jié)構(gòu)形式，如圖3所示。

圖 2 傳 統(tǒng) 矩 陣 變 換 器 主 電 路

Fig.2 Topology of conventional matrix converter

(a) 開(kāi) 關(guān) 內(nèi) 嵌 式 (b) 開(kāi) 關(guān) 共 射 極 式 (c) 開(kāi) 關(guān) 共 集 電 極 式

圖 3 雙 向 開(kāi) 關(guān) 的 三 種 形 式

Fig.3 Three different bi- directional switch implementations for matrix converter

    傳統(tǒng)矩陣變換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可控性強(qiáng)，可以直接進(jìn)行三相功率變換。它的輸入可以是N相頻率為fi的交流電，輸出可以是M相頻率為f0的交流電，目前一般以三相輸入輸出為主。下面先簡(jiǎn)單分析它的工作原理。根據(jù)圖2所示，9個(gè)雙向開(kāi)關(guān)在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的占空比組成3行3列矩陣，稱為開(kāi)關(guān)調(diào)制矩陣。矩陣變換器的控制即是找到并實(shí)現(xiàn)一個(gè)滿足開(kāi)關(guān)限制條件的開(kāi)關(guān)調(diào)制矩陣S?；谏鲜鰲l件，需先建立開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)函數(shù)。

    對(duì)于任意雙向開(kāi)關(guān)，其開(kāi)關(guān)函數(shù)S_jk定義為：當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)S_jk=0，閉合時(shí)S_jk=1；其中j={a，b，c}，k={u，v， w}。則圖2的三相輸出線電壓與開(kāi)關(guān)函數(shù)的關(guān)系可表述為

==S·（1）

    對(duì)于三相對(duì)稱的情況，三相輸入線電壓滿足方程：

    V_sa＋V_sb＋V_sc=0（2）

     從式(1)可見(jiàn)，選取不同的開(kāi)關(guān)調(diào)制矩陣S，對(duì)它進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，控制開(kāi)關(guān)的占空比輸出，便得到不同的控制方法，實(shí)現(xiàn)所需的電源電壓和頻率的變換^[8]。在進(jìn)行具體的理論分析時(shí)，可以將該交-交直接矩陣變換器等效為成交-直-交的形式，如圖4所示。

圖 4 等 效 的 矩 陣 變 換 器 拓 撲

Fig.4 Equivalent matrix converter topology

    實(shí)際應(yīng)用中，由于輸入端是電壓源供電，不能短路；感性負(fù)載時(shí)，輸出端不能開(kāi)路，即是在變換器工作過(guò)程中，同一輸出線上的三個(gè)開(kāi)關(guān)中，必須且只能有一個(gè)開(kāi)關(guān)閉合，所以開(kāi)關(guān)函數(shù)還必須滿足式（3）

S_ak＋S_bk＋S_ck=1，（k∈P，N）（3）

    根據(jù)圖4，利用附加的中間量VP， VN(以O(shè)點(diǎn)為參考點(diǎn)),可將式(1)轉(zhuǎn)化為如下方程：

=（4）

=（5）

    式(4)和式(5)是進(jìn)行雙橋矩陣變換器拓?fù)涓倪M(jìn)的理論基礎(chǔ)。因?yàn)?，在稍后的?yīng)用研究中，將會(huì)發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)拓?fù)浯嬖谙率鋈毕荩?

    1）最大電壓增益為0.866，并且與控制算法無(wú)關(guān)；

    2）主電路采用9個(gè)雙向開(kāi)關(guān)，在應(yīng)用中存在著雙向開(kāi)關(guān)的控制和保護(hù)問(wèn)題；要實(shí)現(xiàn)雙向開(kāi)關(guān)的控制和保護(hù)，要求兩個(gè)開(kāi)關(guān)換流時(shí)，既不能有死區(qū)又不能有交疊，任何一種情況都將導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管的損壞；目前，為了實(shí)現(xiàn)安全換流，BuranyN.提出了一種四步半軟換流策略^[3]，臺(tái)灣學(xué)者潘晴財(cái)教授提出了一種基于電流滯環(huán)調(diào)制的諧振式軟開(kāi)關(guān)換流策略；

    3）必須采用復(fù)雜的PWM控制和保護(hù)策略，同時(shí)要求采用復(fù)雜的箝位保護(hù)電路。

為了克服上述問(wèn)題，出現(xiàn)了一種新的雙橋式矩陣變換器拓?fù)?sup>[4]。

2.2  雙橋式矩陣變換器分析

    雙橋式矩陣變換器具有雙橋結(jié)構(gòu)。它克服了傳統(tǒng)矩陣變換器的缺點(diǎn)，此外還具有以下的優(yōu)點(diǎn)：

    1)控制容易，電網(wǎng)側(cè)的單橋可實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)關(guān)，負(fù)載端開(kāi)關(guān)控制類似于傳統(tǒng)的DC/AC逆變器；

    2)不同負(fù)載，開(kāi)關(guān)數(shù)目可以減少；

    3)箝位電路大大簡(jiǎn)化。

    雙橋矩陣變換器的基本原理是將交－交矩陣變換器等效為“整流器”和“逆變器”兩部分，且工作過(guò)程是在同一級(jí)變換器上進(jìn)行的。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，通過(guò)對(duì)“整流器”理想開(kāi)關(guān)函數(shù)的控制以獲得最大的直流電壓，而調(diào)節(jié)“逆變器”的理想開(kāi)關(guān)函數(shù)可得到所需頻率和幅值的輸出電壓。因此，可以方便地實(shí)現(xiàn)目前控制性能最好的矢量控制，簡(jiǎn)化了原有的傳統(tǒng)矩陣變換器的控制方案。在采用矢量控制的電機(jī)調(diào)速應(yīng)用場(chǎng)合，可將電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的矢量控制和變換器的矢量控制合為一體。目前已有專用的SVPWM集成芯片供選用，控制簡(jiǎn)單^[2]。

2.2.1  18個(gè)開(kāi)關(guān)的矩陣變換器

    基于一定的假設(shè)，可實(shí)現(xiàn)圖4所示的矩陣變換器。當(dāng)V_P恒大于V_N時(shí)，在負(fù)載側(cè)單橋可用單向開(kāi)關(guān)代替雙向開(kāi)關(guān)，得到圖5所示的18個(gè)開(kāi)關(guān)的雙橋矩陣變換器拓?fù)?sup>[4]。該拓?fù)溥m用于負(fù)載側(cè)單橋的電壓極性不可改變的場(chǎng)合，通過(guò)對(duì)電流流向的控制，同樣可以實(shí)現(xiàn)功率的雙向傳輸。那么，在風(fēng)電系統(tǒng)中，既可以實(shí)現(xiàn)從電網(wǎng)供電，也可以實(shí)現(xiàn)從負(fù)載端(無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī))向電網(wǎng)反饋能量，獲得風(fēng)機(jī)的大范圍變速恒頻應(yīng)用。

圖 5 18個(gè) 單 向 開(kāi) 關(guān) 的 矩 陣 變 換 器

Fig.5 Topology with 18 single directional switches

2.2.2  15個(gè)開(kāi)關(guān)的矩陣變換器

    通過(guò)對(duì)電網(wǎng)側(cè)各輸入相任意橋臂工作原理的分析可知，因?yàn)椋瑘D5中開(kāi)關(guān)S_app和S_anp可以采用同一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所以，可將上述兩者用一個(gè)單向開(kāi)關(guān)及兩個(gè)箝位二極管代替。簡(jiǎn)化步驟如圖6所示。

圖 6 簡(jiǎn) 化 開(kāi) 關(guān) 數(shù) 目 的 步 驟

Fig.6 Steps to reduce the switch number

    這樣，便可以得到簡(jiǎn)化的具有15個(gè)單向開(kāi)關(guān)的矩陣變換器拓?fù)洌鐖D7所示。該結(jié)構(gòu)與圖5所示的拓?fù)湎啾容^，應(yīng)用場(chǎng)合類似，也具有相同的功能。比如，可以進(jìn)行四象限操作，實(shí)現(xiàn)雙向流動(dòng)，諧波容量低，功率因數(shù)接近1等等。其主要的區(qū)別在于，當(dāng)中間直流環(huán)節(jié)的電流i_dc大于0時(shí)，對(duì)于圖7所示的拓?fù)?，其電網(wǎng)側(cè)開(kāi)關(guān)S_a，S_b，S_c的導(dǎo)通損耗會(huì)增加。

圖 7 具 有 15個(gè) 開(kāi) 關(guān) 的 矩 陣 變 換 器 拓 撲

Fig.7 Reduction of switch number from 18 to 15

    在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到減少開(kāi)關(guān)數(shù)目和簡(jiǎn)化控制的需要，推薦采用圖7所示的具有15個(gè)開(kāi)關(guān)的矩陣變換器，成本可以大大降低。

3  矩陣變換器中箝位電路的設(shè)計(jì)分析

    在矩陣變換器的實(shí)際應(yīng)用中，為了使矩陣變換器能夠穩(wěn)定安全工作，必須給開(kāi)關(guān)外加過(guò)壓保護(hù)裝置。過(guò)壓保護(hù)裝置通常采用箝位電路，利用開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)來(lái)吸收存儲(chǔ)在L中的諧振能量，以實(shí)現(xiàn)箝位功能^[5]。箝位保護(hù)電路是在變換器發(fā)生故障的時(shí)候工作的，是矩陣變換器的一個(gè)重要組成部分。

    本文采用最基本的電容箝位網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于矩陣變換器的有源箝位技術(shù)將在另文中作進(jìn)一步闡述。

3.1  矩陣變換器中箝位電路的工作原理

    圖2虛框部分所示的是傳統(tǒng)三相矩陣變換器的箝位電路，是用12個(gè)快速恢復(fù)二極管組成的2個(gè)整流橋?qū)⑤斎?輸出端連接在一起，還包括一個(gè)箝位電容C_c和一個(gè)泄放電阻R₁構(gòu)成^[6]。箝位電容參與能量的轉(zhuǎn)換，泄放電阻則給箝位電容提供一個(gè)放電通路。故障發(fā)生時(shí)，控制電路檢測(cè)到故障信號(hào)，并通過(guò)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)信號(hào)使變換器的全部開(kāi)關(guān)立刻關(guān)斷，于是箝位電路開(kāi)始工作，切斷負(fù)載，并提供一個(gè)能量釋放回路，使功率器件得到保護(hù)。另外，根據(jù)保護(hù)原理，充分利用主電路拓?fù)渲械墓β势骷?，可以大大減少箝位二極管的數(shù)目，使箝位電路的設(shè)計(jì)得到簡(jiǎn)化，降低成本^[6]。

    改進(jìn)的雙橋拓?fù)渑c傳統(tǒng)拓?fù)浔容^而言，其箝位電路更為簡(jiǎn)單，只需一個(gè)二極管D_c和一個(gè)電容Cc^[4]。下面對(duì)在風(fēng)電系統(tǒng)中推薦使用的具有15個(gè)開(kāi)關(guān)的矩陣變換器拓?fù)溥M(jìn)行分析，其電路拓?fù)淙鐖D8所示。

圖 8 15開(kāi) 關(guān) 的 矩 陣 變 換 器 的 箝 位 電 路

Fig.8 15-switch topology with clamp circuit

    當(dāng)變換器啟動(dòng)后，電網(wǎng)側(cè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，箝位電容C_c被充電，直至其兩端的電壓達(dá)到線電壓峰值為止。在正常情況下，箝位電容電壓比V_dc大，因此箝位二極管D_c反向截止，箝位電路不工作。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，如前所述變換器的全部開(kāi)關(guān)立刻斷開(kāi)，存儲(chǔ)在負(fù)載電感中的能量轉(zhuǎn)移到箝位電容。所以只要箝位電容值合適選取，裝置的過(guò)壓就可以避免。

3.2  矩陣變換器中箝位電路的參數(shù)選擇

    如果負(fù)載為雙饋電機(jī)，發(fā)生故障時(shí)，箝位二極管導(dǎo)通，箝位電容和電機(jī)的輸入端相連，但是電壓極性相反，因此切斷電機(jī)。箝位電容通過(guò)箝位二極管充電，此時(shí)它與負(fù)載連接的等效電路如圖9(a)所示。圖中的L_δs是定子漏感，L_δr是轉(zhuǎn)子漏感，而L_m是電機(jī)的勵(lì)磁電感；i_s，i_r，i_m則分別是定子電流，轉(zhuǎn)子電流和勵(lì)磁電流；C_c即是箝位電容。

    初始箝位電壓V_c0等于輸入網(wǎng)壓的峰值。在電感放電過(guò)程中，假設(shè)勵(lì)磁電流保持不變。轉(zhuǎn)子電流從初始值i_r減小到勵(lì)磁電流i_m，箝位二極管則一直保持導(dǎo)通，直到定子電流i_s減小到0，也就是i_r=i_m的時(shí)刻，如圖9(b)所示。因此傳輸?shù)襟槲浑娐返目偰芰?Delta;Q_motor可以按下式計(jì)算。

(a) 變 換 器 與 電 機(jī) 連 接 的 等 效 模 型 (b) 雙 饋 電 機(jī) 的 電 流

圖 9 故 障 狀 態(tài) 下 ， 雙 饋 電 機(jī) 等 效 電 感 向 箝 位 電 容 放 電

Fig.9 Discharging of the inductances to the clamp capacitor during a fault situation

ΔQ_motor=(6)

對(duì)于最壞的情況，比如i_m=0，且i_r=i_s式(6)變?yōu)?

ΔQ_motor,max=(7)

傳輸?shù)哪芰?Delta;Q_motor,max是選取電容值的重要參數(shù)。電機(jī)斷開(kāi)后，箝位電容兩端的電壓上升值V_cl為

V_cl=(8)

可求得所需要的電容值C_c為

C_c==(9)

式中：v_max為最大允許電壓，為實(shí)現(xiàn)在選取箝位電容C_c時(shí)保留一定的裕度，用v_max取代了式（8）中的v_cl；

      I_lim為變換器的電流限制值，取代了式（7）中雙饋電機(jī)的定子電流值i_s。

    從式（9）可以看出，箝位電容的選取，取決于三個(gè)參數(shù)：負(fù)載電感，負(fù)載電流和電容耐壓值。一般說(shuō)來(lái)，對(duì)不同的電機(jī)，假定負(fù)載電流為電機(jī)額定電流值I_nom的1.5倍，最大的箝位電壓為1000V，選取電容時(shí)可參考表1的數(shù)據(jù)^[6]：

表1  電容取值經(jīng)驗(yàn)表

Table 1 Clamp capacitor designed for a current limit

4  結(jié)語(yǔ)

    矩陣變換器以其特有的優(yōu)點(diǎn)，在新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中得到應(yīng)用。本文對(duì)傳統(tǒng)的矩陣變換器、改進(jìn)的雙橋矩陣變換器做了較為詳細(xì)的分析和比較，給出了矩陣變換器中箝位電路工作原理和參數(shù)選擇。矩陣變換器這一新型的電源變換技術(shù)具有優(yōu)良的輸入輸出特性，隨著電力電子技術(shù)和高速處理器的發(fā)展，其應(yīng)用研究必將進(jìn)一步深入。