矩陣變換器在風力發電系統中的應用研究

2.2.2 15個開關的矩陣變換器

通過對電網側各輸入相任意橋臂工作原理的分析可知，因為，圖5中開關S_app和S_anp可以采用同一個驅動信號，所以，可將上述兩者用一個單向開關及兩個箝位二極管代替。簡化步驟如圖6所示。

圖 6 簡 化 開 關 數 目 的 步 驟

Fig.6 Steps to reduce the switch number

這樣，便可以得到簡化的具有15個單向開關的矩陣變換器拓撲，如圖7所示。該結構與圖5所示的拓撲相比較，應用場合類似，也具有相同的功能。比如，可以進行四象限操作，實現雙向流動，諧波容量低，功率因數接近1等等。其主要的區別在于，當中間直流環節的電流i_dc大于0時，對于圖7所示的拓撲，其電網側開關S_a，S_b，S_c的導通損耗會增加。

圖 7 具 有 15個 開 關 的 矩 陣 變 換 器 拓 撲

Fig.7 Reduction of switch number from 18 to 15

在實際應用中，考慮到減少開關數目和簡化控制的需要，推薦采用圖7所示的具有15個開關的矩陣變換器，成本可以大大降低。

3 矩陣變換器中箝位電路的設計分析

在矩陣變換器的實際應用中，為了使矩陣變換器能夠穩定安全工作，必須給開關外加過壓保護裝置。過壓保護裝置通常采用箝位電路，利用開關電容網絡來吸收存儲在L中的諧振能量，以實現箝位功能^[5]。箝位保護電路是在變換器發生故障的時候工作的，是矩陣變換器的一個重要組成部分。

本文采用最基本的電容箝位網絡，對于矩陣變換器的有源箝位技術將在另文中作進一步闡述。

3.1 矩陣變換器中箝位電路的工作原理

圖2虛框部分所示的是傳統三相矩陣變換器的箝位電路，是用12個快速恢復二極管組成的2個整流橋將輸入/輸出端連接在一起，還包括一個箝位電容C_c和一個泄放電阻R₁構成^[6]。箝位電容參與能量的轉換，泄放電阻則給箝位電容提供一個放電通路。故障發生時，控制電路檢測到故障信號，并通過關閉驅動信號使變換器的全部開關立刻關斷，于是箝位電路開始工作，切斷負載，并提供一個能量釋放回路，使功率器件得到保護。另外，根據保護原理，充分利用主電路拓撲中的功率器件，可以大大減少箝位二極管的數目，使箝位電路的設計得到簡化，降低成本^[6]。

改進的雙橋拓撲與傳統拓撲比較而言，其箝位電路更為簡單，只需一個二極管D_c和一個電容Cc^[4]。下面對在風電系統中推薦使用的具有15個開關的矩陣變換器拓撲進行分析，其電路拓撲如圖8所示。

圖 8 15開 關 的 矩 陣 變 換 器 的 箝 位 電 路

Fig.8 15-switch topology with clamp circuit

當變換器啟動后，電網側開關導通，箝位電容C_c被充電，直至其兩端的電壓達到線電壓峰值為止。在正常情況下，箝位電容電壓比V_dc大，因此箝位二極管D_c反向截止，箝位電路不工作。當發生故障時，如前所述變換器的全部開關立刻斷開，存儲在負載電感中的能量轉移到箝位電容。所以只要箝位電容值合適選取，裝置的過壓就可以避免。

3.2 矩陣變換器中箝位電路的參數選擇

如果負載為雙饋電機，發生故障時，箝位二極管導通，箝位電容和電機的輸入端相連，但是電壓極性相反，因此切斷電機。箝位電容通過箝位二極管充電，此時它與負載連接的等效電路如圖9(a)所示。圖中的L_δs是定子漏感，L_δr是轉子漏感，而L_m是電機的勵磁電感；i_s，i_r，i_m則分別是定子電流，轉子電流和勵磁電流；C_c即是箝位電容。

初始箝位電壓V_c0等于輸入網壓的峰值。在電感放電過程中，假設勵磁電流保持不變。轉子電流從初始值i_r減小到勵磁電流i_m，箝位二極管則一直保持導通，直到定子電流i_s減小到0，也就是i_r=i_m的時刻，如圖9(b)所示。因此傳輸到箝位電路的總能量ΔQ_motor可以按下式計算。

(a) 變 換 器 與 電 機 連 接 的 等 效 模 型 (b) 雙 饋 電 機 的 電 流

圖 9 故 障 狀 態 下 ， 雙 饋 電 機 等 效 電 感 向 箝 位 電 容 放 電

Fig.9 Discharging of the inductances to the clamp capacitor during a fault situation

ΔQ_motor=(6)

對于最壞的情況，比如i_m=0，且i_r=i_s式(6)變為

ΔQ_motor,max=(7)

傳輸的能量ΔQ_motor,max是選取電容值的重要參數。電機斷開后，箝位電容兩端的電壓上升值V_cl為

V_cl=(8)

可求得所需要的電容值C_c為

C_c==(9)

式中：v_max為最大允許電壓，為實現在選取箝位電容C_c時保留一定的裕度，用v_max取代了式（8）中的v_cl；

I_lim為變換器的電流限制值，取代了式（7）中雙饋電機的定子電流值i_s。

從式（9）可以看出，箝位電容的選取，取決于三個參數：負載電感，負載電流和電容耐壓值。一般說來，對不同的電機，假定負載電流為電機額定電流值I_nom的1.5倍，最大的箝位電壓為1000V，選取電容時可參考表1的數據^[6]：