矩陣式變換器控制系統及其應用研究

    柯勇，王科

  (1蕪湖職業技術學院，安徽蕪湖241000；2同濟大學，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刷雙饋發電機中應用。設計了一套基于數字信號處理器和現場可編程門陣列的全數字控制系統，詳細論述了系統設計方案，包括硬件和軟件兩部分。實驗結果驗證了該控制策略的正確性和控制平臺設計的有效性及其在無刷雙饋風力發電中應用的可行性，為矩陣式變換器的實際應用提供了實驗根據。

0引  言

    矩陣式變換器(以下簡稱mc)是ac—ac直接電源變換器，與傳統交一直一交變換器相比具有無法比擬的優良特性，輸入／輸出性能好、電力諧波小，特別是功率可雙向流動，低頻(風機的轉差頻率)性能好，它是一種新型的“綠色”變換器，適合與雙饋類電機一起構成變速恒頻風力發電系統。

    然而mc結構復雜，要求控制器提供實時的18路獨立開關信號，這在一定程度上限制了mc的發展。近年來，隨著計算機技術的發展，出現了高速處理芯片，使得人們可以采用具有高速運算能力的數字信號處理器(dsp)作為控制核心，應用現場可編程門陣列(fpga)實現四步換流策略的開關切換控制。

    本文從仿真和實驗兩方面對mc展開研究，采用雙電壓控制策略，在仿真實現調制策略的基礎上搭建5 kw實驗樣機。實驗結果驗證了控制策略的正確性、控制平臺設計的有效性及其在無刷雙饋風力發電中應用的可行性，為mc實用化研究奠定了基礎。

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撲(如圖1所示)中，當輸入電壓和輸出電壓處于某時間段內時，在每個開關周期內，利用兩個輸入線電壓與一個零電壓向量得線性組合來合成兩個滿足三相對稱的輸出線電壓。

電壓合成一般方程如下：

式中：u01、u02表示兩個輸出線電壓的局部平均值，即一個開關周期內的平均值，如u_ab、u_bc、u_ac(或u_ca)；uil、ui2表示用來合成輸出線電壓的兩個輸入線電壓；u_i0表示在一個開關周期內的電壓零向量，如u_aa、u_bb、u_cc;b0、b1、b2、c0、cl、c2表示對應的開關占空比。其中：

式中：

是指在利用式(1)合成輸出線電壓時除公式中出現的兩個輸入線電壓之外的第三個輸入線電壓(以a，b，c相序出現，如uab、ubc、uca)。當輸入三相對稱時，

為輸入相電壓幅值。由此可見，這種占空比計算方法的一個優點是在輸入三相對稱時，其分母為一常量，不需實時計算。

1．2電壓扇區的劃分

    為了使占空比滿足式(2)，通常選擇式(1)中的兩個輸入電壓與輸出電壓極性相同。因此，在每個周期內，把輸入、輸出電壓按照某種規律劃分成幾個扇區。常用做法是將輸入輸出電壓分別劃分為6個扇區，如圖2所示。輸入扇區劃分的原則是：三相相

電壓中只有一相出現極值，而另兩相電壓與之異號，且保持單調變化。輸出扇區劃分的原則是：三相相電壓均保持單調變化，其中一相始終為正值，一相始終為負值，第三相從正到負(或從負到正)。

2無刷雙饋發電機控制

    為便于分析，通常可將無刷雙饋發電機看作是兩臺同軸相連的繞線式異步電機，轉子繞組串聯連接，無刷雙饋發電機的發電頻率與控制頻率關系為：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為功率繞組的極對數；pc為控制繞組的極對數。

    功率繞組與控制繞組間的正、反相序連接關系決定了pc前的“-”、“+”號；電機運行在亞同步轉速或者超同步轉速，決定了fc前的“+”、“-”號。當無刷雙饋電機用作風力發電機時，風速的隨機性導致風葉輪轉速變化，進而導致發電機轉速發生變化。為獲得風能****功率跟蹤及恒壓恒頻，可根據風速變化情況，調節風力機轉速，以獲得****葉尖速比，進而獲得風能****功率跟蹤；根據式(4)