基本信息
- 项目名称：
- 风力发电励磁系统中矩阵变换器的设计
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 将矩阵变换器用作双馈风力发电系统的励磁变换器，以间接空间矢量调制和四步换流法作为理论依据，并对扇区的划分方法、及小占空比算法处理上进行改进，采用DSP与CPLD相结合的方法实现矩阵变换器的数字化。
- 详细介绍：
- 该作品对风力发电励磁系统中使用的传统交-交变频器、交-直-交变频器等性能进行比较分析得出了矩阵变换器的优越性能，比较深入的研究了矩阵变换器的调制算法、换流策略，并在此基础上对算法中的扇区计算、小占空比信号进行了改进和处理。采用DSP与CPLD相结合的方法完成矩阵式变换器的制作，在试验中选取电机作为负载，对电机进行了转速的调节，经过测速计测速的结果表明设计的矩阵变换器成功实现了变频，调压，能够满足现代工业的需求。经过多方面的试验验证表明该设计具有以下特性：（1）输入侧电流谐波含量少，功率因数高，对电网电能质量影响小；（2）功率因数、输出电压等可以自由调节，操作方便。（3）能量具有双向流动，完全能够符合电机的四象限运行；（4）控制算法简单，调节方便，计算量小，易于实现。 综上所述，该作品设计的创新点有：（1）对扇区分界点的优化处理。尤其是电压矢量角处于330度和360度时，目前已有的处理是采用忽略等方法，这样会造成三相电压的缺陷，严重时会损坏设备。因此本设计在DSP程序中对算法进行修正，对扇区的分界采用角度先与30度相减后再对60度求模。而不是直接对60度求模法，经过示波器观测波形得出系统输出的正弦度有了较大的改善。（2）由于占空比信息是经过对三相电压的幅值进行算法处理后得出，因此，系统会存在一些占空比比较小的信号，这种小占空比信号的存在，降低了系统通用性，甚至导致系统的瘫痪，目前大多数学者对该占空比信号都采取忽略的措施，并未有定量的分析。为改善系统的通用性，在CPLD的 Verilog HDL程序设计中采用锁存器，将小占空比进行锁存，并对其小占空比设置了一个裕量，即在小于该裕量时，采用常规的忽略方式，大于该裕量时，对该信号进行处理，在换流结束后，系统再接收其他换流策略码信息。经过实际电路检测，电机运行平稳。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 交流励磁系统是交流励磁风力发电系统的核心部分，目前常采用交直交变换器作为励磁系统的主要部件，该变换器中间有直流滤波电容环节，导致系统体积大，安装不方便，其电解液易挥发，寿命有限，维护起来困难，并且这种变换器功率因数低，其使用会带来谐波污染问题。因此，一种新型的变换器-矩阵变换器得到了世界各国专家学者的关注。该矩阵变换器是一种从交流到交流的自然变换器，谐波污染少。目前矩阵变换器理论调制算法并未成熟，常常导致输出波形有缺失，正弦度不够好，不能满足工业需求。本作品对间接空间矢量调制法进行改进，使得算法易于实现，输出波形正弦度更接近实际。因此，搭建系统硬件平台，实现了矩阵变换器数字化。本设计不仅功率因数高，谐波污染少，能够满足工业的需求，而且进一步的推动了矩阵变换器的实用化和产品化。 作品设计的基本思路：本设计首先对已有的控制算法进行改进，然后基于此设计了矩阵变换器。现有间接空间矢量调制法中对小占空比信号输出和扇区临界点控制上都采用忽略不计，这样实际波形输出与理论计算波形差别较大。本设计对扇区临界点处理提出了矢量角减30度然后对60度求模的算法，避免了临界点的出现。在对于占空比信号问题上提出了阈值方法，根据所有小占空比情况设定阈值，当占空比大于阈值时执行，否则忽略，这样就最大限度了减少了系统误差。矩阵变换器电路设计包括主电路和弱电控制两部分。主电路由开关电路、滤波电路、九个双向开关、钳位电路等构成。弱电控制部分由采样电路、整形电路、控制器电路、驱动电路等构成。
科学性、先进性
- 目前常用的矩阵变换器调制策略有直接传递函数法、间接空间矢量调制算法、直接空间矢量调制算法、双电压控制法等。其中，间接空间矢量调制法因其独特的优势引起了相关学者的关注。将该策略控制的矩阵变换器应于风力发电励磁系统中已经取得了理论性的突破，但其实际的数字化实现及工业应用还存在诸多问题。本设计基于间接控制矢量调制算法改进了扇区临界点和小占空比算法，使得算法易于实现，波形输出正弦度更接近实际。本设计不仅功率因数高，谐波污染少，能够满足工业的需求，而且进一步的推动了矩阵变换器的实用化和产品化。 作品采用电机作为负载，经过电机的实际调速试验，试验结果表明该作品成功实现了变频、调压等变换器的基本功能，并且，系统运行稳定，输出电压、电流夹角接近于零，功率因数高。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 作品为九个双向开关的矩阵变换器，在电路设计中，将驱动模块与电路集成到一个电路系统。在使用时与三相负载直接连接，即可投入使用。 该作品的应用范围广泛，可以应用于通用交流变频传动、车辆牵引、风力发电、以及航空等领域。由于作品是一种“绿色”变换器，能解决因谐波污染带来的电力系统环保问题，可产生节能的重大经济效益。因此该设计能促进全球工业的发展，能产生重大的节能效益。
同类课题研究水平概述
- 近几年来，由于电力电子器件技术的迅速发展，矩阵变换器的实用化受到了世界各国专家学者的关注。国外学者研究成果中比较著名的有欧洲的EUEPC公司在2001年开发了专用于矩阵变换器的开关矩阵模块；德国西门子公司在2001年提出了一整套适用于工业传动控制领域的矩阵变换器解决方案；丹麦Aalborg大学电力电子研究中心在2002年研制了适用于工业生产的矩阵变换器样机；日本富士电机公司在2003年开发出了适用于矩阵变换器的RB-IGBT模块；日本安川电机公司在2004年推出了矩阵变换器产品；英国Nottinghan大学的研究人员在2004年成功地开发了一台150kVA矩阵变换器驱动异步电动机传动系统。 国内学者对于矩阵变换器的研究还处于理论研究和计算机仿真实验研究。主要代表有：福州大学汤宁平、方旭阳、邱培基分析和推导了三相矩阵式变换器在电流滞环跟踪控制方式下的开关函数；浙江大学黄科元建立了矩阵变换器供电的变速恒频风力发电机定子磁场定向的矢量变换控制系统模型，并通过仿真和实验研究验证了该方案的正确有效性；清华大学黄立培教授领导的课题组开始针对矩阵式变换器在高性能交流调速系统中的应用进行研究。 目前国内尚未有矩阵变换器的产品问世，本作品为矩阵变换器的全数字化实现，基于理论与计算机仿真的基础上，采用DSP和CPLD等控制器进行矩阵变换器工业样机的研制。因此该项目的研究对我国自主知识产权的矩阵变换器技术发展有着重大意义，同时将推动我国风力事业的发展。
