一种基于矩阵变换器的海上风力机中压电能变换系统 .docx

【风力发电与矩阵变换器】 随着全球对清洁能源需求的不断增长，风能作为一种无尽的可再生能源，越来越受到重视。海上风电由于其资源丰富、发电效率高的特性，被视为解决能源危机和环境问题的重要途径。相较于陆地风电，海上风电的年均利用小时数更高，更具有经济效益。随着技术进步，风力发电机的功率等级不断提升，传统的690V并网电压等级已无法满足大型风电机组的需求，因为这会导致并网电流增大，对电缆和设备提出更高的要求，成本也随之增加。 为了解决这个问题，中压电力变换系统应运而生。它能够降低损耗，提高功率密度，更适合大型风力发电系统。传统的背靠背变流器由于开关器件耐压限制，难以适应中高压场景。因此，文献提出了级联H桥变流器拓扑，虽有容错能力，但因其输入侧功率波动导致的直流侧电容电压波动问题，使得电容体积庞大，成本增加。 矩阵变换器作为一种直接交-交转换器，具备双向能量流动、正弦输入输出电流和可调输入功率因数的特点，无需中间直流环节，结构紧凑，效率高，成为弥补传统交-直-交变换器缺陷的理想选择。典型的三相-三相矩阵变换器适用于低压小功率应用，而针对大功率高压场景，文献提出了背靠背模块化多电平矩阵变换器和模块化级联型矩阵变换器。 模块化级联型矩阵变换器通过三相-单相矩阵变换器替代级联H桥变流器中的功率单元，实现了无中间直流环节的中高压电机驱动。此拓扑结构在大功率风电中的应用具有重要意义，但控制策略和闭环控制的详细讨论并不多见。 本文研究了模块化级联型矩阵变换器在中压大功率海上风电中的应用，并对其控制策略进行了深入探讨。通过在Matlab/Simulink中建立永磁直驱型风机的仿真模型，验证了该拓扑结构及其控制策略的有效性。该拓扑结构包括一台永磁同步发电机、一个多绕组移相变压器和多个功率单元，每个单元由三相滤波电容和双向开关构成的三相-单相矩阵变换器，变压器的二次侧漏感充当滤波电感，简化了设计。通过级联单元数的变化，这种变换器可以在输出侧产生任意多电平的输出波形，且具备一定的故障容错能力，适配高压大功率的风电应用场景。 总结来说，本文的研究集中在矩阵变换器在海上风电中的应用，尤其是在中压大功率条件下的优化，旨在提高风能转换效率，降低成本，增强系统的可靠性和稳定性，为未来的风电技术发展提供了新的思路和解决方案。