矩阵变换器在风力发电系统中的应用研究

作者：时间：2011-03-18 来源：网络

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本文引用地址：https://www.eepw.com.cn/article/162291.htm

通过对电网侧各输入相任意桥臂工作原理的分析可知，因为，图5中开关S_app和S_anp可以采用同一个驱动信号，所以，可将上述两者用一个单向开关及两个箝位二极管代替。简化步骤如图6所示。

图 6 简化开关数目的步骤

Fig.6 Steps to reduce the switch number

这样，便可以得到简化的具有15个单向开关的矩阵 变换器拓扑，如图7所示。该结构与图5所示的拓扑相比较，应用场合类似，也具有相同的功能。比如，可以进行四象限操作，实现双向流动，谐波容量低，功率因数接近1等等。其主要的区别在于，当中间直流环节的电流i_dc大于0时，对于图7所示的拓扑，其电网侧开关S_a，S_b，S_c的导通损耗会增加。

图 7 具有 15个开关的矩阵变换器拓扑

Fig.7 Reduction of switch number from 18 to 15

在实际应用中，考虑到减少开关数目和简化控制的需要，推荐采用图7所示的具有15个开关的矩阵 变换器，成本可以大大降低。

3 矩阵变换器中箝位电路的设计分析

在矩阵变换器的实际应用中，为了使矩阵变换器能够稳定安全工作，必须给开关外加过压保护装置。过压保护装置通常采用箝位电路，利用开关电容网络来吸收存储在L中的谐振能量，以实现箝位功能^[5]。箝位保护电路是在变换器发生故障的时候工作的，是矩阵变换器的一个重要组成部分。

本文采用最基本的电容箝位网络，对于矩阵变换器的有源箝位技术将在另文中作进一步阐述。

3.1 矩阵变换器中箝位电路的工作原理

图2虚框部分所示的是传统三相矩阵变换器的箝位电路，是用12个快速恢复二极管组成的2个整流桥将输入/输出端连接在一起，还包括一个箝位电容C_c和一个泄放电阻R₁构成^[6]。箝位电容参与能量的转换，泄放电阻则给箝位电容提供一个放电通路。故障发生时，控制电路检测到故障信号，并通过关闭驱动信号使变换器的全部开关立刻关断，于是箝位电路开始工作，切断负载，并提供一个能量释放回路，使功率器件得到保护。另外，根据保护原理，充分利用主电路拓扑中的功率器件，可以大大减少箝位二极管的数目，使箝位电路的设计得到简化，降低成本^[6]。

改进的双桥拓扑与传统拓扑比较而言，其箝位电路更为简单，只需一个二极管D_c和一个电容Cc^[4]。下面对在风电系统中推荐使用的具有15个开关的矩阵变换器拓扑进行分析，其电路拓扑如图8所示。

图 8 15开关的矩阵变换器的箝位电路

Fig.8 15-switch topology with clamp circuit

当变换器启动后，电网侧开关导通，箝位电容C_c被充电，直至其两端的电压达到线电压峰值为止。在正常情况下，箝位电容电压比V_dc大，因此箝位二极管D_c反向截止，箝位电路不工作。当发生故障时，如前所述变换器的全部开关立刻断开，存储在负载电感中的能量转移到箝位电容。所以只要箝位电容值合适选取，装置的过压就可以避免。

3.2 矩阵变换器中箝位电路的参数选择

如果负载为双馈电机，发生故障时，箝位二极管导通，箝位电容和电机的输入端相连，但是电压极性相反，因此切断电机。箝位电容通过箝位二极管充电，此时它与负载连接的等效电路如图9(a)所示。图中的L_δ_s是定子漏感，L_δ_r是转子漏感，而L_m是电机的励磁电感；i_s，i_r，i_m则分别是定子电流，转子电流和励磁电流；C_c即是箝位电容。