毕设英文文献翻译

High power matrix converter for wind power generation applications

高功率矩阵交换器在风力发电中的应用

摘要：矩阵变换器在风力发电系统的应用中有很多优点。矩阵变换器是紧凑和高效的，因为它将电流直接从交流发电机转换到交流电网中而不需要经过发电中间直流总线，但是传统的背靠背转换系统需要在直流母线中装设许多电解电容器，并且这些电容器体型笨重，寿命时间短。矩阵变换器同时具有驾驭和再生电流的能力，能在电网中保持较低的谐波电流，此外，它还可以向电网提供无功功率，这对于风电场在电网故障期间和之后保持电力系统稳定具有非常重要的意义。本文介绍了高功率矩阵转换器在风力发电中的应用，并描述了它的主要技术特点和优势。而且利用永磁发电机进行的实验结果表明，高功率矩阵转换器在风力发电应用中具有良好的可行性。

关键词：交流-交流转换器低电压穿越矩阵转换器风力发电系统

图1风力发电机组传动系统中矩阵变换器的基本概念

一引言

矩阵转换器是一种直接的从交流到交流的电力转换拓扑结构1）主电路的MXC 由输入滤波器和9个双向开关组成2）它是完全可再生的，并且具有控制输入正弦电流功率因数的能力。3）MXC的一个很大的优势是它无需安装既笨重寿命

时间又短的直流母线电容器[1]-[4]。MXC比传统的电压源背靠别转换系统更加高效和紧凑。图1中的双向开关通常由两对反向的IGBT二极管构成[5]- [6]。通过

一种独特的PWM控制方法，MXC可以同时控制输出电压和具有较低谐波的输入电流[7] - [9]。

图2低压矩阵换流器的主电路

图2所示的拓扑结构是MXC的一种典型的配置，但它更适合于额定功率小于几百千瓦，额定电压在690伏以下的系统，因为其它电流增加和电压评级的限制。因此，基于MXC的基本拓扑结构的模块化的矩阵转换器已经得到了开发[3]。它为那些需要具有再生能力能力的高功率驱动器的市场提供了一个极具吸引力的解决方案，比如纸复卷机，大功率水泵，钢厂以及风力发电系统。它体积小巧，并且其输入和输出的波形具有较低的谐波。本文解释了高功率矩阵转换器的基本模块化概念，然后在实验结果的基础上阐述了其在风力发电系统中的应用。

图3单相矩阵变换器功率单元的配置

二矩阵变换器的拓扑结构在风力发电系统中的应用

A.矩阵变换器的模块化概念

在转换器的设计中功率和额定电压的灵活性对于满足不同客户的要求是很重要的。适用于风力发电机组传动系统的矩阵变换器采用了模块化设计的概念，使得它为满足功率和额定电压的各种需求提供快速和最佳的解决方案时具有很大的灵活性。风力发电系统电压有望随着系统额定功率的增加逐步从标准电压690V 增加到中压级别，电压升高的的优点压在于它可以降低发电机和电源转换器之间电力传输的损耗，并能减少体积和机舱的重量，降低成本[10]。

模块化驱动器的一个基本模块是单相输出矩阵转换器（SPMC），如图3-4所示。级联H桥电压源逆变器拓扑和使用高压电源开关的三电平逆变器在中压驱动器中得到了广泛的应用[11]- [16]。但背靠背转换器-逆变器系统应当用于需要再生的功率流的设备中。图3中所示的电池单元由6双向开关和交流电容器组成。基本上，此电路是一个三相输入单相输出的矩阵转换器，简化如图4所示。它根据参考的三相输出电压生

成单相输出电压，这一

点类似于VSI的H-桥。

输入电流功率因数通过

根据输入电压波形调整

每个开关的传导比来控

制[8] - [9]。

图4简化的单相矩阵变换器的电路

a 高额定电流驱动器的配置

b 中额定电压驱动的配置

图5 矩阵变换器的高功率应用的模块化概念

SPMC单元可以根据驱动器的额定电压和电流实现并联或串联。在图5(a)中，

动力电池的输入电压是690

伏，单相额定输出电压为

635 V、，两个单元并联用来

增加额定电流，输出电压可

以设计成线电压1千伏

总共5千伏的形式。

图6.线式3.3千伏输出电压中压矩阵转换器。

在图5(b)，每个单元的额定输出电压是635V，并且三个单元以串联形式连接。相电压为1905V，线电压变为3.3千伏，共有13级输出。因此，它非常接近于图6所示1700V级用于电力单元的IGBT的正弦波。IGBT的额定电流由SPMC 单元的额定电流确定。

B.高功率矩阵变换器的配置

图7显示了3.3千伏中等电压等级矩阵转换器的整体配置，其中包括一个多绕组变压器，电压从3300V逐步下降到690V，次级绕组的相位在+20，0和-20度之间切换以改善输入电流谐波。它与广为人知的18脉冲整流器的原理是一样

的[13] - [14]。移相也有利于消除输出电

压波形中的输入电压纹波。它与逆变器

拓扑相比还对相对较低的输出电压进行

了补偿[3]。标准的低电压MXC要求利

用LC滤波器以减少在电网中的PWM谐

波，但在模块化的MXC拓扑中，利用变

压器的泄漏电感可以消除这一影响。为

了获得平稳的输出电压变化，功率单元

的PWM时序相互之间被转换了120度。

对于6.6千伏线电压驱动器，6个功率单元采用串联的方式进行连接。图7。风力发电机组传动系统矩阵变换器的示意图

三矩阵变换器系统的主要特点

由于没有用寿命相对较短的直流母线电容器，高功率MXC在可靠性、大小和效率上都有优势；同时较高的可靠性也减少维修费用；使用功率单元的模块化设计的MXC非常紧凑，维修和服务起来也很方便；个别小模块可以快速更换，因此它还减少了停机时间。

图8.风力涡轮机系统（1.5 MVA）矩阵转换器的外部视图。

图8显示了在风力发电的应用中矩阵变换器的外部视图。它包括一个控制器面板，多绕组变压器面板和一个主电路板。功率单元堆放在主电路板上。标准的产品配置包括适

用于1千伏电压

等级的2兆瓦，3

兆伏驱动器和适

用于3千伏电压

等级的2兆瓦3

兆瓦驱动器。可

能输出的额定功

率范围从200千

瓦到6兆瓦，电