矩阵式变换器控制系统及其应用研究

    柯勇，王科

  (1芜湖职业技术学院，安徽芜湖241000；2同济大学，上海200092)

    摘要：研究r矩阵式变换器的双电压控制策略及其在无刷双馈发电机中应用。设计了一套基于数字信号处理器和现场可编程门阵列的全数字控制系统，详细论述了系统设计方案，包括硬件和软件两部分。实验结果验证了该控制策略的正确性和控制平台设计的有效性及其在无刷双馈风力发电中应用的可行性，为矩阵式变换器的实际应用提供了实验根据。

0引  言

    矩阵式变换器(以下简称mc)是ac—ac直接电源变换器，与传统交一直一交变换器相比具有无法比拟的优良特性，输入／输出性能好、电力谐波小，特别是功率可双向流动，低频(风机的转差频率)性能好，它是一种新型的“绿色”变换器，适合与双馈类电机一起构成变速恒频风力发电系统。

    然而mc结构复杂，要求控制器提供实时的18路独立开关信号，这在一定程度上限制了mc的发展。近年来，随着计算机技术的发展，出现了高速处理芯片，使得人们可以采用具有高速运算能力的数字信号处理器(dsp)作为控制核心，应用现场可编程门阵列(fpga)实现四步换流策略的开关切换控制。

    本文从仿真和实验两方面对mc展开研究，采用双电压控制策略，在仿真实现调制策略的基础上搭建5 kw实验样机。实验结果验证了控制策略的正确性、控制平台设计的有效性及其在无刷双馈风力发电中应用的可行性，为mc实用化研究奠定了基础。

1双电压控制原理

1．1控制原理

    双电压合成是指在三相矩阵式变换器拓扑(如图1所示)中，当输入电压和输出电压处于某时间段内时，在每个开关周期内，利用两个输入线电压与一个零电压向量得线性组合来合成两个满足三相对称的输出线电压。

电压合成一般方程如下：

式中：u01、u02表示两个输出线电压的局部平均值，即一个开关周期内的平均值，如u_ab、u_bc、u_ac(或u_ca)；uil、ui2表示用来合成输出线电压的两个输入线电压；u_i0表示在一个开关周期内的电压零向量，如u_aa、u_bb、u_cc;b0、b1、b2、c0、cl、c2表示对应的开关占空比。其中：

式中：

是指在利用式(1)合成输出线电压时除公式中出现的两个输入线电压之外的第三个输入线电压(以a，b，c相序出现，如uab、ubc、uca)。当输入三相对称时，

为输入相电压幅值。由此可见，这种占空比计算方法的一个优点是在输入三相对称时，其分母为一常量，不需实时计算。

1．2电压扇区的划分

    为了使占空比满足式(2)，通常选择式(1)中的两个输入电压与输出电压极性相同。因此，在每个周期内，把输入、输出电压按照某种规律划分成几个扇区。常用做法是将输入输出电压分别划分为6个扇区，如图2所示。输入扇区划分的原则是：三相相

电压中只有一相出现极值，而另两相电压与之异号，且保持单调变化。输出扇区划分的原则是：三相相电压均保持单调变化，其中一相始终为正值，一相始终为负值，第三相从正到负(或从负到正)。

2无刷双馈发电机控制

    为便于分析，通常可将无刷双馈发电机看作是两台同轴相连的绕线式异步电机，转子绕组串联连接，无刷双馈发电机的发电频率与控制频率关系为：式k :fp为功率绕组的电流频率；fc为控制绕组的电流频率；pp为功率绕组的极对数；pc为控制绕组的极对数。

    功率绕组与控制绕组间的正、反相序连接关系决定了pc前的“-”、“+”号；电机运行在亚同步转速或者超同步转速，决定了fc前的“+”、“-”号。当无刷双馈电机用作风力发电机时，风速的随机性导致风叶轮转速变化，进而导致发电机转速发生变化。为获得风能****功率跟踪及恒压恒频，可根据风速变化情况，调节风力机转速，以获得****叶尖速比，进而获得风能****功率跟踪；根据式(4)