矩陣式變換器控制系統(tǒng)及其應(yīng)用研究
柯勇，王科
(1蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽蕪湖241000；2同濟(jì)大學(xué)，上海200092)
摘要：研究r矩陣式變換器的雙電壓控制策略及其在無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)中應(yīng)用。設(shè)計(jì)了一套基于數(shù)字信號(hào)處理器和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列的全數(shù)字控制系統(tǒng)，詳細(xì)論述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，包括硬件和軟件兩部分。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該控制策略的正確性和控制平臺(tái)設(shè)計(jì)的有效性及其在無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電中應(yīng)用的可行性，為矩陣式變換器的實(shí)際應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)根據(jù)。
0引 言
矩陣式變換器(以下簡(jiǎn)稱mc)是ac—ac直接電源變換器，與傳統(tǒng)交一直一交變換器相比具有無(wú)法比擬的優(yōu)良特性，輸入／輸出性能好、電力諧波小，特別是功率可雙向流動(dòng)，低頻(風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率)性能好，它是一種新型的“綠色”變換器，適合與雙饋類電機(jī)一起構(gòu)成變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。
然而mc結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求控制器提供實(shí)時(shí)的18路獨(dú)立開關(guān)信號(hào)，這在一定程度上限制了mc的發(fā)展。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了高速處理芯片，使得人們可以采用具有高速運(yùn)算能力的數(shù)字信號(hào)處理器(dsp)作為控制核心，應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(fpga)實(shí)現(xiàn)四步換流策略的開關(guān)切換控制。
本文從仿真和實(shí)驗(yàn)兩方面對(duì)mc展開研究，采用雙電壓控制策略，在仿真實(shí)現(xiàn)調(diào)制策略的基礎(chǔ)上搭建5 kw實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了控制策略的正確性、控制平臺(tái)設(shè)計(jì)的有效性及其在無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電中應(yīng)用的可行性，為mc實(shí)用化研究奠定了基礎(chǔ)。
1雙電壓控制原理
1．1控制原理
雙電壓合成是指在三相矩陣式變換器拓?fù)?如圖1所示)中，當(dāng)輸入電壓和輸出電壓處于某時(shí)間段內(nèi)時(shí)，在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，利用兩個(gè)輸入線電壓與一個(gè)零電壓向量得線性組合來(lái)合成兩個(gè)滿足三相對(duì)稱的輸出線電壓。
電壓合成一般方程如下：
式中：u01、u02表示兩個(gè)輸出線電壓的局部平均值，即一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值，如uab、ubc、uac(或uca)；uil、ui2表示用來(lái)合成輸出線電壓的兩個(gè)輸入線電壓；ui0表示在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的電壓零向量，如uaa、ubb、ucc;b0、b1、b2、c0、cl、c2表示對(duì)應(yīng)的開關(guān)占空比。其中：
式中：
是指在利用式(1)合成輸出線電壓時(shí)除公式中出現(xiàn)的兩個(gè)輸入線電壓之外的第三個(gè)輸入線電壓(以a，b，c相序出現(xiàn)，如uab、ubc、uca)。當(dāng)輸入三相對(duì)稱時(shí)，
為輸入相電壓幅值。由此可見，這種占空比計(jì)算方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在輸入三相對(duì)稱時(shí)，其分母為一常量，不需實(shí)時(shí)計(jì)算。
1．2電壓扇區(qū)的劃分
為了使占空比滿足式(2)，通常選擇式(1)中的兩個(gè)輸入電壓與輸出電壓極性相同。因此，在每個(gè)周期內(nèi)，把輸入、輸出電壓按照某種規(guī)律劃分成幾個(gè)扇區(qū)。常用做法是將輸入輸出電壓分別劃分為6個(gè)扇區(qū)，如圖2所示。輸入扇區(qū)劃分的原則是：三相相
電壓中只有一相出現(xiàn)極值，而另兩相電壓與之異號(hào)，且保持單調(diào)變化。輸出扇區(qū)劃分的原則是：三相相電壓均保持單調(diào)變化，其中一相始終為正值，一相始終為負(fù)值，第三相從正到負(fù)(或從負(fù)到正)。
2無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)控制
為便于分析，通�？蓪o(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)看作是兩臺(tái)同軸相連的繞線式異步電機(jī)，轉(zhuǎn)子繞組串聯(lián)連接，無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的發(fā)電頻率與控制頻率關(guān)系為：式k :fp為功率繞組的電流頻率；fc為控制繞組的電流頻率；pp為功率繞組的極對(duì)數(shù)；pc為控制繞組的極對(duì)數(shù)。
功率繞組與控制繞組間的正、反相序連接關(guān)系決定了pc前的“-”、“+”號(hào)；電機(jī)運(yùn)行在亞同步轉(zhuǎn)速或者超同步轉(zhuǎn)速，決定了fc前的“+”、“-”號(hào)。當(dāng)無(wú)刷雙饋電機(jī)用作風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)，風(fēng)速的隨機(jī)性導(dǎo)致風(fēng)葉輪轉(zhuǎn)速變化，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。為獲得風(fēng)能****功率跟蹤及恒壓恒頻，可根據(jù)風(fēng)速變化情況，調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，以獲得****葉尖速比，進(jìn)而獲得風(fēng)能****功率跟蹤；根據(jù)式(4) |
