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用于WECS的单级AC-AC电源转换
Navdeep Singh,Vineeta Agarwal
摘 要; 本文研究了一种新的单级交流-交流电源转换，作为多级交流-直流-交流电源转换拓扑的替代方案，将风能转换系统(WECS) 与电网作为分布式负载系统进行接口。为了满足变换器的所有功能，建立了所提出的AC-AC变换器的综合动态模型.描述了一种新的时间开关模式和控制机制，将单个单元中的分布式负载系统的变频输入功率与风力功率的比例转换为恒定频率输出功率。 变换器控制功能与控制注入分布式负载系统的有功和无功相适应。基于MATLAB环境下的时域仿真，对风力发电系统与所提出的交流变频器和传统的交-直-交变频器的动态行为进行了比较研究。本研究的结论是，交流-交流变换器在技术上是一种可行的选择，可以将风力涡轮机与分布式负载系统或公用电网应用程序连接起来。在实验室中开发了变频器的原型，采用变频输入电压，然后将其转换为恒定的输出频率电压。该变换器的性能是令人满意的。
关键词：AC-AC转换器；永磁同步发电机风能转换系统
引言
由于对电能的需求和对环境的关切日益增加，目前正在努力利用风能发电。 发电机是风能系统的重要组成部分之一。 发电机可分为（ 1）固定速度发电机(FSG)和（ 2 ）可调速度发电机(ASG)。 总的来说，与在WECS中广泛使用的ASGS相比，FSG在机械结构中更昂贵，特别是在高功率下。 这些发电机的详细描述可在[1] 中获得。 直接驱动永磁同步发电机(PMSG) 由于其相对于其他变速风力发电机的优势， 越来越受到风力发电机制造商的兴趣。 这包括多极设计的可能性，无齿轮结构，提供缓慢的速度运行从而减少维护，因为没有电刷，消除励磁系统，最大风能能够完全可控，并且故障穿越和电网支持更易实现了。 因此，全功率变换器PMSG风力发电机的效率和可靠性高于其他变速风力发电机，如双馈感应发电机(DFIG)风力发电机[2 ，3] 。我们的一般方案如图 1所示. 风能通过一个有一个或几个叶片的风力涡轮机转化为机械能。涡轮机通过机械传动系统与发电机系统耦合。 电子接口电路由永磁同步电机输出端的交直流整流器组成，将变速交流电源转换为直流电源[4] 。通常，直流输出电压需要由DC-AC逆变器转换为交流电压.. 因此，整个功率调节电路由整流器、直流链路电容器和直流-AC逆变器[5 ， 6] 组成。 然而，在基于PWM 的整流系统中，输入电流的总谐波失真(THD)要高得多[7] 。 因此，机器侧PWM 整流器可以用一个带有升压斩波器的二极管整流器来代替[8] 。功率变换器的整流级会对永磁同步电机的输出电流和电压造成很高的失真，从而对发电机产生几种不利的影响，例如：（1)在较高的谐波频率下，随着铁和铜损耗的影响而增加加热；(2) 机器效率的损失和电磁转矩的降低；(3 ）可听到的噪声发射增加和机械振荡的发生[9 ， 10] 。 此外，两级变换器的总效率较低，因为总功率必须用两个级联功率级处理两次。 每个功率级都必须作为完全输出功率，这将增加电路的大小和成本。 大输入滤波器和高开关频率也降低了系统的可靠性、效率和功率因数[11， 12] 。
图1 风能转换系统
使用矩阵变换器（MC）作为直接AC/AC变换器可以避免多级操作直接矩阵变换器具有体积小、效率高、输入THD低等优点[13,14]。通常情况下，矩阵变换器的输入电源被视为正弦信号，并用固定频率进行平衡，这在风能应用中并不适用[15]。由于输入电源的变化和失真，因此负载侧输出缺少直流环节电容，矩阵变换器控制器也无法解决此问题。不幸的是，失真的输入电压会在输出电源中产生低阶谐波，对输入电源产生负面影响[16]。效率的提高通常是通过基于固定时间开关模式的调制算法实现的，例如空间矢量PWM[17]。由于采用查表法，空间矢量PWM法并不方便。占空比的操作通常会产生开关脉冲，以便在风力变化期间操作开关[18]。在无功频率下的畸变输入电压条件下，固定时间策略并不合适，因为变换器输入侧的干扰会影响变换器的输出[19]。变速发电机中发生的速度（频率）变化影响时间切换模式的占空比，并为控制参数创建复杂的控制器[20]。因此，有必要通过测量每个采样周期的输出电压来实时计算开关模式的占空比。
本文提出了一种交流-交流转换器，将连接在分布式负载上的变速永磁同步发电机作为交流-直流-交流转换器系统的替代品。交 流–交流变流器对风能的瞬时变化很灵活，该变换器没有电解电容器，因此比其他变换器具有更高的功率密度。本文提出了一种基于变频恒频算法的控制器设计方法。该门控信号方法是在不需要任何表的情况下，将输入电压与期望频率信号进行瞬时比较而得到的。它用于确定每个输出相位的开关状态。为保护和提高效率提供反向电压闭锁能力，每个装置需要串联一个功率二极管。在实时仿真系统中，针对不同的输入风速条件，根据涡轮转速、发电机输出电压和变速发电机产生的输入气动功率的宽频变化，对变换器进行完整的设计和仿真。
风能转换系统
典型的WECS由风力涡轮机、发电机、互连装置和控制系统组。它们需要电力电子转换器为其负载提供固定的频率和固定的电压功率。
永磁同步发电机(PMSG) 将风力发电机的机械能转化为电能，并将其送入交流-交流变换器。 AC-AC变换器将发电机的变频输出转换为恒定频率输出，该输出在没有任何整流过程的情况下被馈送到电网或局部负载。 以下分节简要描述系统的每个模块，如图2所示：
图2 风电系统中的交-交单级转换器
风力涡轮机模型
特定涡轮机从风中捕获的能量取决于其设计细节和运行条件[14]。涡轮机获得的功率是风速的函数。风力机的输出气动扭矩由式（1）确定。
（1）
这里是空气密度，r是涡轮半径，是风速，是涡轮转速
是风机角速度与风的速度这个比率叫做叶尖速度比率，由式（2）给出。
（2）
为了确定涡轮模型特性的行为，给出了功率系数与涡轮不同系数之间的通用方程。
（3）
（4）
这里c1到c5是涡轮模型的系数。
俯仰角的不同值下，Cp随叶尖速比的变化如图3所示。从图中可以看出，Cp的最大值随着俯仰角的增大而减小[21]。
功率因数
俯仰角0度
= 0 degree
俯仰角 4
= 4 degree
L俯仰角2度
= 2 degree
俯仰角8度
angle = 8 degree
俯仰角6度PITCH angle
= 6 degree
0 2 4 6 8 10 12 14 尖速比
图3 不同俯仰角的功率因数特性
功率/kw
3.0
2.0
1.0
0 50 75 100 150 200 225 速度rad/s
图4 涡轮角速度与风速的关系
图4 给出了不同风速下涡轮功率和涡轮转速的变化规律。 风速是影响汽轮机功率值的主要参数。
PMSG发生器
PMSG的动态系统可以表示为同步系统[22]借助公式5和公式6。
（5）
= （6）
转子的电磁转矩方程可以写成
（7）
又因为
（8）
所以得到
（9）
AC-AC变换器
图 5所示三相到三相的交流-交流变换器，连接在PMSG的三相输出处，用于将发电机的变频转换为50Hz的恒定频率。有三个转换器PA， PB和PC，每个阶段分别一个。为了更好地了解变频的操作， 转换器PA在图中重新绘制[23] 。
变换器PA的不同开关所需的触发脉冲如图7所示。 基本上，根据定义的开关模式触发转换器需要两个信号。 一个信号是输入信号，它与风速成正比，具有变频。这个信号实际上是PMSG的输出电压。第二个信号 ，是在一个输出频率（50HZ）的负载。 信号G1、G2 、G3 和G4 分别被识别为四对开关(T1、T1`)、(T2 、T2`) 、(T3 、T3`) 和(T4 、T4`) 的触发信号。当开关T1和T1`进行正输入循环时，转换器将产生正输出，而开关T2和T2`进行负输入循环时，如图8（a）所示。如图8（b）所示，转换器的负半输出将通过开关T4和T4`以及开关T3和T3`的导通获得。图 8(a) 转换器的负半输出将通过导通开关T4和T4`以及开关T3 和T3`来获得，如图8(b)所示 。表1显示了触发转换器PA开关的真值表，如图6所示。 在这个表中，正输出
图6 交-交变流器电源电路
图7 变频与恒频的交-交转换器的脉冲信号图 图8 转换器操作
表示为逻辑1，而负逻辑则用逻辑0 表示。 因此，当输入和输出都为正时，用逻辑11表示，当两者都为负值时，表示为00.图 9展示了在给定的时间间隔内实现负载上输出电压的特定极性对应的开关器件的触发模式。 让最初的开关(T1， T1`) 进行产生正输出，输入也是正的，如图7时段(0-a)所示。在“a”点，输入电压由于风速的变化而改变其极性。 但是，输出电压将保持其极性，对应于输出频率为50Hz。 因此，逻辑将从11更改为10 ，开关状态将切换为(T2 和T2`)。在lsquo;brsquo;点，输入电压具有负极性，但输出电压将其极性从正变为负，输出频率为50Hz。 因此，逻辑从10 改为00 ，此状态开关切换为(T3 和T3`)。 因此，开关状态将根据风速和输出电压的频率而变化。 其他两个转换器的触发脉冲可以在相位差分别为120°和240°的情况下以类似的方式产生。
表1
触发开关的真值表
|
输出电压Vo的开关状态 |
输出电压V1的开关状态 |
导通开关 |
|
0 |
0 |
T3、T3rsquo; |
|
0 |
1 |
T4、T4rsquo; |
|
1 |
0 |
T2、T2rsquo; |
|
1 |
1 |
T1、T1rsquo; |
图9 变频到恒频AC-AC变换器的开关模式
模拟结果
利用MAT-Lab软件及其设施对所提出的变换器进行建模，当风速在不同的模式下发生变化时.. 首先对所提出的单级AC-AC变换器进行了仿真， 然后对相同工况下的传统AC-DC-AC变换器进行了仿真。 最后，对这些结果进行了比较，以验证所提出的转换器。
AC-AC变换器的性能
在这种模式下，四种风条件；（ 1)风速的阶跃变化(2) 风中的斜坡变化( 3) 风中的阵风行为；(4）考虑风分量的精确配置；并观察到每种情况下的稳态响应。系统输出频率保持50Hz不变。
图 10(a) 显示了变频器运行的性能，涡轮转速的阶跃变化受风速的影响。 从图中可以看出，直到0.25s ，涡轮转速为400RPM ，负载终端的三相输出功率约为5kW。 对于涡轮转速的这一步变化，转换器的输出电压具有恒定的频率(50Hz) 。 当涡轮转速下降时，在0.25s这个时间点，当涡轮转速降到300RPM，在0.96 功率因数下，输出功率从5KW降低到3.5KW 。在0.25s 至0.5s 的时间内，转子转速从300RPM 到220RPM 的斜坡变化系统的响应如图10(b)所示 。 变换器输出电压又一次保持在恒定的频率，其值为500V ，在4 千瓦负载功率下，时间为0.25 秒。在此之后，当速度以斜坡方式变化时，在0.25 秒到0.50 秒的持续时间内，变换器的输出功率也从3 千瓦到4 千瓦成比例地变化。在图中 10(c) ，系统的响应已显示为阵风分量，这意味着转子的突然变化来源于涡轮机的速度受风速的影响。发电机的输出电压的频率在AC-AC频率控制器的控制下变化，目的是获得恒定频率的可变输出。变换器的输出功率从5kW到4kW的时间变化为0.05s 。图 10(D) 显示了系统对涡轮转速连续变化的响应。 涡轮转速与风速成正比，而发电机的输出电压则跟随涡轮转速变化。输出功率也在这种变速下不断变化，如预期的那样，在0.96负载功率因数下，输出功率从2.5kW到2.0kW 。
图10 交-交变换器的仿真结果
AC-DC-AC变换器性能 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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