变速恒频风力发电系统矩阵式变换器的建模与仿真

第28卷第7期计算机仿真2011年7月文章编号：1006－9348（2011）07－0022－04变速恒频风力发电系统矩阵式变换器的建模与仿真王旭东，刘磊（内蒙古工业大学信息工程学院，内蒙古呼和浩特010051）摘要：研究在变速恒频风力发电系统中的功率变换器必须具有功率双向流动的能力。

为满足上述要求，采用矩阵式变换器能同时提供正弦的输入电流和输出电压，输入电流可调节为超前、滞后或同相于输入电压，输出电压可实现幅值、频率和网侧功率因数的独立控制。

从等效交－直－交变换器的空间矢量调制方法出发，按照交－交直接变换控制方式实现了对矩阵式变换器建模和运行控制规律研究。

仿真结果表明矩阵式变换器具有优良的输入输出特性，证明了仿真模型的正确性和可行性，为今后的实用化奠定了基础。

关键词：矩阵式变换器；交－交直接变换控制；变速恒频；风力发电中图分类号：TP29文献标识码：AThe Modeling and Simulation of Matrix Converter forVSCF Wind Power Generation SystemWANG Xu－dong，LIU Lei（College of Information Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot Neimenggu010051，China）ABSTRACT：Power converter used in doubly－fed wind generation system must possess the capability of bi－direc-tional power flow．Matrix converter can provide sinusoidal input current and output voltage simultaneously，and the phase of input current can be adjusted to lead，to lag or to coincide with the phase of the input voltage．The magni-tude and frequency of the output voltage and the input power factor can be independently adjusted in Matrix converter．Starting from the space－vector modulation method of equivalent AC－DC－AC converter，the modeling of Matrix converter and the research on its operation rule are implemented with AC－AC direct transformation control mode．Simulation result shows that the matrix converter possesses good input－output characteristics．Therefore，this simula-tion model is correct and feasible．Thus，it lays a foundation for further practicability study of the Matrix converter．KEYWORDS：Matrix converter；Ac－ac direct transformation control；Vscf；Wind power generation1引言矩阵式变换器是一种新颖的变频器，其电路拓扑形式早在1976年就被提出，但直到1979年意大利学者M．Venturini 和A．Alesina提出了矩阵式变换器存在的理论及控制策略后，其特点才为人们所关注和研究。

矩阵式变换器属于直接变频电路，电路所用的开关器件为全控型，控制方式为斩控。

与交－直－交变换器相比，具有如下优点：①输入电流为正弦波，失真度小；②输出频率不受限制；③输入功率因数可随意调节；④能量可以双向传递，而不需要在电路或控制方法上作特殊处理；⑤不需中间储能环节，容易实现集成化和功率模块化。

2矩阵式变换器的控制策略矩阵式变换器的控制策略可以分为直接变换法和间接变换法［1］：1）直接变换法：直接变换法是通过对输入电压的连续斩波来合成“输出电压”的，但具体实现复杂，软件运算量较大，限制了应用范围。

2）间接变换法（交－直－交等效变换法）：基于空间矢量变换的一种方法，将交－交变换虚拟为交－直变换和直－交变换，采用高频整流和高频逆变PWM波形合成技术，变换器的性能可以得到较大的改善。

而且具体实现时整流和逆变是一步完成的，低次谐波得到了较好的抑制，具有双PWM （PWM整流－PWM逆变）变换器的效果。

它是目前在矩阵式变换器中研究较为成熟的一种方法，比较有发展前途。

收稿日期：2010－11－22采用间接变换法可以使用成熟的交－直－交变换器的调制策略，以获得较好的输出电压和输入电流波形。

本文就采用这种变换方法。

2．1矩阵式变换器的等效交－直－交变换矩阵式变换器交－交直接变换关系可以从等效交－直－交变换中推得。

一个实现交－交变换的矩阵式变换器可以采用由一个虚拟的整流器和一个虚拟的逆变器构成的等效交－直－交结构来代替，如图1所示。

图1等效交－直－交结构采用这样的等效结构可以充分利用交－直－交变换中的PWM控制技术，并可对比分析出如图2所示矩阵式变换器的实际结构的开关控制规律［2－3］。

图2矩阵变换器的实际结构分析图1和图2时，首先定义开关函数Sjk ：导通时，Sjk=1；断开时，Sjk=0。

对于图1的等效交－直－交结构，j∈｛a，b，c，A，B，C｝，k∈｛P，N｝。

由于输入是电压源性质，输入电压不能被短路；输出为感性负载，输出电压不能突然开路。

按照这一原则，虚拟整流器中同一直流母线P或N上的开关必须有一个且只能有一个处于导通状态，即：S ak +Sbk+Sck=1，k∈｛P，N｝（1）而虚拟逆变器同一输出相A、B或C上必须有一个而且只能有一个开关导通，即：S jP +SjN=1，j∈｛A，B，C｝（2）对于图2的矩阵式变换器实际结构，j∈｛A，B，C｝，k∈｛a，b，c｝。

矩阵式变换器的两个输入相不能同时与同一输出线相连以避免输入短路：同时每一输出线应始终与一输入线连接以避免感性负载回路开路。

按照这一原则，每一输出相只能连至且必须连至一个输入相，故开关函数须满足：Sja+Sjb+Sjc=1，j∈｛A，B，C｝（3）2．2等效交－直－交结构的空间矢量调制电压空间矢量技术（SVPWM）着眼于使电机获得幅值恒定的圆形磁场，即正弦磁通。

它以三相对称正弦波电压供电时的理想圆形磁通轨迹为基准，用逆变器不同的开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁通圆，从而达到较高的控制性能。

图3所示为三相桥式逆变电路，其中同一桥臂的上下两个晶体管的通断状态是互为反向的。

因此，三相桥式逆变器的通断状态只有8种可能［4］。

定义这8种开关组合为8个基本空间矢量，分别标记为U1（001）、U2（010）、U3（011）、U4（100）、U5（101）、U6（110）和2个零矢量U（000）、U7（111）。

零矢量位于原点，相邻非零矢量之间的夹角为60ʎ，利用这8种电压矢量中的相邻两种的线性组合，使磁链逼近圆形旋转磁链［5］。

图3三相桥式电路实现SVPWM的方法很多，本文采用一种最简单的方法，即两个非零矢量和一个零矢量合成一个等效的电压矢量Uout。

选择零矢量时遵循开关状态变化少、以减小开关损耗的原则。

如图4所示，当某个时刻Uout旋转到某个区域中时，就由组成这个区域的两个非零矢量Us、Us+60（超前Us60ʎ的非零向量）和为了补偿Uout的旋转频率而插入的零矢量U或U7共同作用，可以估算出Uout，如下式所示。

Uout=T1UsTs+T2Us+60Ts+T（U）Ts（4）式中，Uout－任意时刻的电机电压矢量；T1，T2－非零矢量Us、Us+60的作用时间；T—零矢量作用时间，T=Ts－T1－T2；Ts—开关周期。

电压矢量由三相输出电压在复空间中经Park变换可得：U1=23（UAB+αUBC+α2UCA）（5）为了获得频率可变的三相输出线电压，应定义一个输出线电压参考矢量Uref=槡3Uome j（ωo t－φo），这是一个以ωʎ角速度围绕中心点连续旋转的空间参考矢量。

3矩阵式变换器的仿真模型根据矩阵式变换器的控制策略所述内容利用MATLAB\SIMULINK仿真软件搭建仿真模块。

图4电压矢量图3．1矩阵式变换器仿真模块图5为矩阵式变换器的仿真模块，其中九个开关器件采用理想开关，由触发脉冲的逻辑值来决定开关的状态。

脉冲为1时，开关闭合；脉冲为0时，开关断开。

a，b，c为三相输入，A，B，C为三相输出。

图5矩阵式变换器的仿真模块3．23/2变换模块图6是3/2变换模块，根据式（5）将三相对称电量经过Park变换转换为在空间旋转的空间矢量。

A，B，C是三相输入，可以是电压量，也可以是电流量。

输出端口2为空间矢量的模，本文采用等模变换，所以输出与三相输入等幅；输出端口1为空间矢量的相角，在0ʎ 360ʎ之间变换。

相角的值表征着该空间矢量在空间的瞬时位置。

图63/2变换模块3．3扇区判断模块如前所述，六个非零矢量将空间分成六个扇区。

扇区判断模块根据3/2变换模块输出的相角来判断该空间矢量所在的扇区N并计算其与该扇区起始矢量的夹角a，以此来计算各矢量的作用时间。

假设0ʎ对应第一扇区的起点，逆时针旋转60ʎ后进入第二扇区，依次类推。

图7扇区判断模块3．4作用时间输出模块图8为作用时间输出模块，三相参考线电压经过3/2变换后，输出空间旋转矢量的相角再经过扇区判断，确定当前空间矢量所在扇区N（N∈｛1，2，3，4，5，6｝）及该矢量与当前扇区起始矢量的夹角a（参考相电流类似）。

再经过作用时间计算模块，计算出相应矢量的五个组合作用时间（TT4）。

7个输出作为脉冲发生函数的输入，共同决定脉冲发生的时刻，以触发矩阵式变换器的开关。

其中作用时间计算模块的输入端m为调制系数，Ts为开关周期，可根据不同需要输入相应的值。

图8作用时间输出模块4矩阵式变换器的仿真研究图9是矩阵式变换器接三相感性对称负载时的仿真。

负载三角形连接。

其中矩阵开关的脉冲由S－function输出。

根据参考电压矢量与参考电流矢量所在扇区及各矢量组合的作用时间编写S－function输出9个逻辑值来触发矩阵变换器的9个开关。