具有高电压传输比且能抵御非正常输入的Z-源双级矩阵变换器

针对传统矩阵变换器存在电压传输比低和输出性能易受非正常输入影响的两个固有缺陷,提出一种Z-源双级矩阵变换器(Z-source two-stage matrix converter,ZSTSMC)及其调制方法。利用Z-源网络的升压特性以提高电压传输比,通过Z-源网络电容电压闭环对直通因子进行自适应地调节,从而有效抑制非正常输入对输出性能的影响。闭环控制中采用一种非线性PID算法,削弱了Z-源网络表现出的非最小相位特性带来的不良影响,提高了系统动态性能和抗扰能力。仿真和实验验证了该拓扑的可行性和正确性。     

HESG-MC发电系统恒调制比电压闭环控制策略

研究基于混合励磁同步发电机一矩阵变换器(hybrid excited syncMonous generator-matrix converter,HESG-MC)组合的变速恒频发电系统,将矩阵变换器的钳位保护电路与混合励磁同步发电机的励磁全桥电路融合,省去了直流励磁源,实现混合励磁同步发电机的自励磁.推导基于HESG-MC组合的发电系统的数学模型,在理论分析的基础上,针对该系统提出矩阵变换器恒调制比的电压闭环控制策略,通过对励磁电流的调节实现矩阵变换器输出恒频恒压的交流电能.最后,通过实验验证了HESG-MC变速恒频发电系统及其控制策略的有效性.     

双级矩阵变换器-双馈感应电机变速恒频风力发电系统矢量控制

以双级矩阵变换器(TSMC)励磁的变速恒频发电控制系统作为研究对象,对TSMC拓扑结构、调制策略进行了分析,并推导了双馈风力发电机(DFIG)工作原理和数学模型。在此基础上,将TSMC作为DFIG励磁电源,推导了变速恒频风力发电系统定子磁场定向矢量控制策略表达式;其次制作样机对系统进行试验验证,得到空载和亚同步、同步、超同步状态下的部分并网试验结果。良好的试验结果验证了方案的可行性和有效性。     

电网电压不平衡下采用串联网侧变换器的双馈感应风电系统改进控制

为进一步提高电网电压不平衡下采用串联网侧变换器的双馈感应发电机(doubly fed induction generator,DFIG)风电系统的运行性能,研究了适用于该系统的改进运行控制策略。提出电网电压不平衡下采用串联网侧变换器的DFIG系统的3种可选运行方案,以此为基础提出串联网侧变换器与并联网侧变换器的协调控制策略,并建立了在双同步dq旋转坐标轴系下两者的控制模型。所提系统协调控制方案无需改变电网电压不平衡下转子侧变换器的控制策略,在实现发电机输出功率无二倍频波动、电磁转矩无二倍频波动以及定、转子三相电流平衡的同时,可实现电网电压不平衡下整个系统或总输出有功功率无二倍频波动(同时可实现直流链电压无二倍频波动)或总输出无功功率无二倍频波动或整个系统无负序电流注入电网的不同运行功能,进一步增强了不平衡电压下DFIG风电系统的运行能力。对一台采用串联网侧变换器的DFIG风电模拟系统在不平衡电压条件下的运行进行了相关实验,实验结果验证了该文所提改进控制策略的可行性。     

采用空间矢量脉宽调制的高频母线矩阵变换器

针对普通双级式矩阵变换器电压传输比偏低的问题,提出在高频母线矩阵变换器中采用空间矢量脉宽调制的方法,提高电压传输比;同时针对高频母线矩阵变换器直流母线电压波动较大的问题,提出一种补偿控制算法补偿电压波动,减小其对输出造成的影响。通过Matlab/Simulink建立系统仿真模型,仿真结果验证了高频直流母线矩阵变换器理论的正确性以及补偿算法的有效性。     

基于矩阵变换器双馈风力发电系统矢量解耦控制

本文结合矩阵变换器、双馈感应电机(DFIG)风力发电系统的优点,导出了双馈电机风力发电系统在同步旋转dq坐标轴下的矢量控制数学模型;针对常规矢量控制中存在电流耦合情况,设计一种新型、简易的电流前馈解耦控制方案.在此基础上,建立基于矩阵变换器交流励磁磁场定向电流解耦矢量控制策略.MATLAB仿真结果表明,当有功、无功功率变化时,电流解耦控制具有良好动态性能.本文设计了11kW风力发电试验装置并进行离、并网实验,当双馈电机处于亚同步、超同步状态时,双馈电机定子电压和频率均能保持稳定,实现变速恒频运行.实验结果表明,基于矩阵变换器交流励磁双馈风力发电系统是可行的,并具有一定的实用价值.     

不平衡电网电压下基于串联网侧变换器的DFIG控制策略

电网电压不平衡会导致双馈感应发电机组(DFIG)定、转子电流出现较大不平衡,使发电机功率和电磁转矩发生振荡,从而恶化机组运行状况.分析了串联网侧变换器抑制不平衡电网电压对DFIG系统影响的机理,利用并联网侧变换器的控制及静止坐标系下的比例谐振控制器,提出了基于串联网侧变换器的DFIG在不平衡电网电压条件下的控制策略;在实现DFIG电磁转矩、直流母线电压及系统总输出有功功率无2倍频波动的同时,使DFIG定、转子三相电流平衡.所述方法具有不改变转子侧变换器的控制策略、无需求解复杂高阶矩阵的特点.对一台基于串联网侧变换器的2 MW DFIG系统进行了仿真,验证了所提出控制策略的正确性和有效性.     

双馈风力发电系统转子侧PWM变换器及其对双馈感应发电机的运行控制

首先建立了双馈感应发电机(Doubly-Fed Induction Generator,DFIG)在同步旋转坐标系下矢量形式的数学模型,并以此对DFIG的运行性能、功率之间的关系及控制目标进行分析,在此基础上设计出以定子电压定向的转子侧PWM变换器控制策略,最后建立了基于英飞凌XC2785单片机的双馈风力发电系统试验平台,使双馈风力发电系统能在次同步、同步和超同步三种状态下运行,并实现定子侧变速恒频和功率因数可调。试验结果验证了该方案的可行性和正确性。     

电网不平衡时采用串联网侧变换器的DFIG风电系统协调控制

针对采用串联网侧变换器的双馈感应发电机(doubly fed induction generators, DFIG)风电系统,详细分析电网电压不平衡条件下该系统的运行情况,从抑制不平衡定子电压及维持系统有功功率平衡的角度出发,分别提出电网不平衡时串联网侧变换器和并联网侧变换器的控制策略.与电网不平衡下DFIG系统的传统运行控制方案相比,所提系统协调控制策略无需改变电网不平衡下转子侧变换器的控制策略,简化转子侧变换器的控制并有效提高其运行可靠性;所提方案在实现DFIG系统电磁转矩、直流链电压及系统总输出有功功率无二倍频波动的同时,实现电网不平衡下DFIG定、转子三相电流平衡,进一步提高了DFIG系统运行的稳定性和可靠性.通过对电网不平衡下采用串联网侧变换器的DFIG风电系统和采用传统控制策略的DFIG系统进行了仿真计算和对比分析,验证所提协调控制策略的正确性和有效性.     

电网故障下交流励磁双馈风力发电机变流器建模与控制

双脉宽调制(PWM)电压型变换器作为交流励磁双馈风力发电机的励磁电源,在风力发电系统得到广泛应用.电网故障时,要求网侧变换器直流链电压波动较小和转子侧变换器能有效控制转子电流,来实现发电机的不间断运行.以双PWM变换器的数学模型为依据,在电网故障时,将网侧变换器以转子侧变换器瞬时输入电流波动为附加前馈量的双环电压控制策略,转子侧变换器考虑定子磁链暂态的定子磁链定向控制策略.仿真结果表明了所提出的联合控制方案在电网故障发生和切除时能稳定控制直流链电压和转子电流,提高了DFIG风力发电系统电网故障下的不间断运行能力.     

Improvement of the input performance of a three-phase-single-phase matrix converter based on space vector modulation

A 6-switch three-phase to single-phase matrix converter (3-1MC) with independent neutral line is directly coupled to the input side through bidirectional switches, and the output ripple power produces low-frequency harmonics in the input side that are difficult to filter out. In this paper, the expressions of the frequencies and contents of the low-frequency harmonics are derived based on the principle of input-output instantaneous power conservation. Then, a 3-1MC topology with decoupling unit is studied and the working principle and process of improving the input performance are analyzed. Second, based on the relationship between the output side and the decoupling side modulation function, the influence of the introduction of the decoupling unit on the maximum voltage transfer ratio of 3-1MC is studied. The relationship between the voltage transfer ratio and parameters such as decoupling unit and output frequency is derived in detail. It is proved that maximum voltage transfer ratio of the topology is a nonlinear function related to system parameters. Then, the operating principle and modulation method of 3-1MC are discussed. A double-side current closed-loop control strategy based on space vector modulation under power decoupling conditions is proposed. Finally, an experimental platform is built to verify that the 3-1MC with decoupling unit can suppress the low-frequency harmonics in the input current at different output frequencies and effectively improve the performance of the input side. The results show that the 3-1MC with the decoupling unit is beneficial for use in single-phase applications.     

采用矩阵式变换器的双馈变速风力发电系统

根据变速风力发电原理,结合矩阵式变换器和直接转矩控制的优点,建立了基于矩阵式变换器的双馈异步发电机直接转矩控制系统。为实现矩阵式变换器输入侧功率因数为1,并使输入电流和输出电压呈现正弦波,以电磁转矩、转子磁链、矩阵式变换器输入侧电压和电流相位角的正弦值的平均值为控制量,得到矩阵式变换器的开关选择表和直接转矩控制算法。仿真结果表明,系统具有良好的调速性能,在高低速情况下都能跟随风速变化,迅速调节双馈异步发电机转速;转子磁链观测准确,能够跟随给定值;系统方案正确有效,具有较强的鲁棒性。     

Capability curve based enhanced reactive power control strategy for stability enhancement and network voltage management

Reactive power has become a vital resource in modern electricity networks due to increased penetration of distributed generation. This paper examines the extended reactive power capability of DFIGs to improve network stability and capability to manage network voltage profile during transient faults and dynamic operating conditions. A coordinated reactive power controller is designed by considering the reactive power capabilities of the rotor-side converter (RSC) and the grid-side converter (GSC) of the DFIG in order to maximise the reactive power support from DFIGs. The study has illustrated that, a significant reactive power contribution can be obtained from partially loaded DFIG wind farms for stability enhancement by using the proposed capability curve based reactive power controller; hence DFIG wind farms can function as vital dynamic reactive power resources for power utilities without commissioning additional dynamic reactive power devices. Several network adaptive droop control schemes are also proposed for network voltage management and their performance has been investigated during variable wind conditions. Furthermore, the influence of reactive power capability on network adaptive droop control strategies has been investigated and it has also been shown that enhanced reactive power capability of DFIGs can substantially improve the voltage control performance.     

双馈风力发电中的恒电压无功控制策略研究

在常规双馈风电变流器矢量控制基础上,通过增加恒电压无功控制算法,提出一种双馈风电变流器恒电压无功控制策略,即采用PI调节器对电网正序电压进行闭环调节,调节器输出作为变流器无功功率指令输入,无功功率控制不再响应风机主控制器的指令.以1.5 MW双馈风电机组为例进行了仿真模型和实际测试验证,结果表明,该策略在一定程度上能够达到稳定系统电压的目的。     

非正常输入下矩阵变换器性能恶化的原因剖析

传统空间矢量间接调制策略(Space Vector Indirect Modulation Strategy,简称SVIMS)下的矩阵变换器(MatrixConverter,简称MC)在非正常输入情况下,其性能会发生恶化。针对该现象,在简单介绍MC的SVIMS的基础上,分别采用PWM面积等效原理、传递矩阵和矢量内积3种方法,分析了MC输入电压中的非正常因素对MC输出电压的作用机理,揭示了非正常输入对SVIMS下MC性能影响的原因,为改善MC的性能奠定了基础。     

DFIG风电机组网侧变换器的复开关表直接功率控制

传统直接功率控制(DPC)所用开关表的输出控制矢量离散且固定,导致脉宽调制变换器的交流输入电流富含谐波,在交流输入电压波动和不对称的情况下更为明显,无法满足基于双馈异步发电机(DFIG)的变速恒频风电机组在故障下的不间断运行要求.在分析网侧变换器数学模型和DPC原理的基础上,提出了一种基于复开关表的DPC新策略.该策略可根据变换器的交流输入电压、瞬时功率等工作状态,提供细化的开关表以供选择,从而在保留传统DPC结构简单特点的同时,获得了高精度的控制效果.仿真和实验结果表明,该控制策略在电网发生对称性过电压、电压跌落和不对称性故障时,均能保持三相输入电流的平衡、稳定,用于DFIG风电机组交流励磁变频电源的控制中能提高电网故障下风电系统的穿越运行能力,并减少脉宽调制变换器产生的电力谐波污染.     

矩阵变换器交流励磁系统控制策略研究

矩阵变换器是一种新型的交交变换器,相对于传统的交直交变频器,它具有输入功率因数可控,无需直流储能元件,结构紧凑,体积小等优点.本文将矩阵变换器用于双馈型风力发电机励磁系统,提出了双馈电机并网和发电运行时矩阵变换器交流励磁系统的控制策略,该策略是将矩阵变换器的间接空间矢量控制,与基于定子电压定向矢量控制策略相结合,从而实...     

A robust current control method with disturbance observer for matrix converter under abnormal input voltage

This paper presents a robust current control method with a disturbance observer for a matrix converter (MC) under an abnormal input voltage. The MC can directly convert power from an input alternating current (AC) source to a load without any direct current (DC) link. Since the MC has no reactive elements, the imbalance and distortion of the input voltage immediately influence the load. Therefore, a high‐performance current control of the load is impossible in this condition. In this letter, we propose a robust current control method for the MC under an abnormal input voltage. Adapting the disturbance observer to a load current control, current control is possible without the influence of the imbalance and distortion of the input voltage and of a fluctuation of a load paramerter, a resistance, an inductance and so on. This current control is robust under these conditions. The proposed method is effective for the application of a high‐performance AC motor drive employing vector control because it is necessary for the proposed method to coordinate with a reference frame. The validity of the proposed method is confirmed by simulation results. © 2007 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

电网故障下双馈感应式风力发电系统的无功功率控制策略

双馈感应式风力发电机已逐步成为风力发电的主流机型,通常情况下双馈感应式发电机组采用单位功率因数运行的无功功率控制策略。电网发生故障后会导致发电机端电压下降,此时传统的单位功率因数运行方式可能无法保持系统稳定运行,需要风力发电场向系统提供无功功率以帮助系统恢复稳定运行。文中以一座由双馈感应式风力发电机组成的9 MW风电场为例,在电网电压下降为正常水平15%的情况下,分别对保持单位功率因数运行和利用网侧变换器进行无 功补偿的控制策略进行了仿真分析,仿真结果表明,故障清除后通过双馈感应式风力发电机的网侧变换器对电网进行无功支撑可以明显增强系统恢复稳定运行的能力。     

储能型双馈风电场联合STATCOM的无功协调控制

针对传统双馈风电机组(DFIG)低电压穿越(LVRT)能力不足问题,提出了储能型双馈风电场联合STATCOM的无功协调控制。该控制是在网侧变流器（GSC）原有的模型上将超级电容经隔离型DC/DC变换器并联到风机直流侧,以此吸收故障期间直流侧产生的不平衡功率;在发生低电压故障时,根据超级电容投入情况,对两侧变流器和并联在风机出口母线上的STATCOM进行无功协调控制来支撑电网电压;同时超级电容储能装置采用电压电流双闭环控制,满足了系统稳定性和经济性的要求。仿真结果表明：该方法应用在风电并网系统中可以使DFIG的LVRT能力得到极大的提升。