基本信息
- 項目名稱：
- 風(fēng)力發(fā)電勵磁系統(tǒng)中矩陣變換器的設(shè)計
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 將矩陣變換器用作雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的勵磁變換器，以間接空間矢量調(diào)制和四步換流法作為理論依據(jù)，并對扇區(qū)的劃分方法、及小占空比算法處理上進行改進，采用DSP與CPLD相結(jié)合的方法實現(xiàn)矩陣變換器的數(shù)字化。
- 詳細介紹：
- 該作品對風(fēng)力發(fā)電勵磁系統(tǒng)中使用的傳統(tǒng)交-交變頻器、交-直-交變頻器等性能進行比較分析得出了矩陣變換器的優(yōu)越性能，比較深入的研究了矩陣變換器的調(diào)制算法、換流策略，并在此基礎(chǔ)上對算法中的扇區(qū)計算、小占空比信號進行了改進和處理。采用DSP與CPLD相結(jié)合的方法完成矩陣式變換器的制作，在試驗中選取電機作為負載，對電機進行了轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，經(jīng)過測速計測速的結(jié)果表明設(shè)計的矩陣變換器成功實現(xiàn)了變頻，調(diào)壓，能夠滿足現(xiàn)代工業(yè)的需求。經(jīng)過多方面的試驗驗證表明該設(shè)計具有以下特性：（1）輸入側(cè)電流諧波含量少，功率因數(shù)高，對電網(wǎng)電能質(zhì)量影響??；（2）功率因數(shù)、輸出電壓等可以自由調(diào)節(jié)，操作方便。（3）能量具有雙向流動，完全能夠符合電機的四象限運行；（4）控制算法簡單，調(diào)節(jié)方便，計算量小，易于實現(xiàn)。 綜上所述，該作品設(shè)計的創(chuàng)新點有：（1）對扇區(qū)分界點的優(yōu)化處理。尤其是電壓矢量角處于330度和360度時，目前已有的處理是采用忽略等方法，這樣會造成三相電壓的缺陷，嚴重時會損壞設(shè)備。因此本設(shè)計在DSP程序中對算法進行修正，對扇區(qū)的分界采用角度先與30度相減后再對60度求模。而不是直接對60度求模法，經(jīng)過示波器觀測波形得出系統(tǒng)輸出的正弦度有了較大的改善。（2）由于占空比信息是經(jīng)過對三相電壓的幅值進行算法處理后得出，因此，系統(tǒng)會存在一些占空比比較小的信號，這種小占空比信號的存在，降低了系統(tǒng)通用性，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)的癱瘓，目前大多數(shù)學(xué)者對該占空比信號都采取忽略的措施，并未有定量的分析。為改善系統(tǒng)的通用性，在CPLD的 Verilog HDL程序設(shè)計中采用鎖存器，將小占空比進行鎖存，并對其小占空比設(shè)置了一個裕量，即在小于該裕量時，采用常規(guī)的忽略方式，大于該裕量時，對該信號進行處理，在換流結(jié)束后，系統(tǒng)再接收其他換流策略碼信息。經(jīng)過實際電路檢測，電機運行平穩(wěn)。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 交流勵磁系統(tǒng)是交流勵磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，目前常采用交直交變換器作為勵磁系統(tǒng)的主要部件，該變換器中間有直流濾波電容環(huán)節(jié)，導(dǎo)致系統(tǒng)體積大，安裝不方便，其電解液易揮發(fā)，壽命有限，維護起來困難，并且這種變換器功率因數(shù)低，其使用會帶來諧波污染問題。因此，一種新型的變換器-矩陣變換器得到了世界各國專家學(xué)者的關(guān)注。該矩陣變換器是一種從交流到交流的自然變換器，諧波污染少。目前矩陣變換器理論調(diào)制算法并未成熟，常常導(dǎo)致輸出波形有缺失，正弦度不夠好，不能滿足工業(yè)需求。本作品對間接空間矢量調(diào)制法進行改進，使得算法易于實現(xiàn)，輸出波形正弦度更接近實際。因此，搭建系統(tǒng)硬件平臺，實現(xiàn)了矩陣變換器數(shù)字化。本設(shè)計不僅功率因數(shù)高，諧波污染少，能夠滿足工業(yè)的需求，而且進一步的推動了矩陣變換器的實用化和產(chǎn)品化。 作品設(shè)計的基本思路：本設(shè)計首先對已有的控制算法進行改進，然后基于此設(shè)計了矩陣變換器?，F(xiàn)有間接空間矢量調(diào)制法中對小占空比信號輸出和扇區(qū)臨界點控制上都采用忽略不計，這樣實際波形輸出與理論計算波形差別較大。本設(shè)計對扇區(qū)臨界點處理提出了矢量角減30度然后對60度求模的算法，避免了臨界點的出現(xiàn)。在對于占空比信號問題上提出了閾值方法，根據(jù)所有小占空比情況設(shè)定閾值，當(dāng)占空比大于閾值時執(zhí)行，否則忽略，這樣就最大限度了減少了系統(tǒng)誤差。矩陣變換器電路設(shè)計包括主電路和弱電控制兩部分。主電路由開關(guān)電路、濾波電路、九個雙向開關(guān)、鉗位電路等構(gòu)成。弱電控制部分由采樣電路、整形電路、控制器電路、驅(qū)動電路等構(gòu)成。
科學(xué)性、先進性
- 目前常用的矩陣變換器調(diào)制策略有直接傳遞函數(shù)法、間接空間矢量調(diào)制算法、直接空間矢量調(diào)制算法、雙電壓控制法等。其中，間接空間矢量調(diào)制法因其獨特的優(yōu)勢引起了相關(guān)學(xué)者的關(guān)注。將該策略控制的矩陣變換器應(yīng)于風(fēng)力發(fā)電勵磁系統(tǒng)中已經(jīng)取得了理論性的突破，但其實際的數(shù)字化實現(xiàn)及工業(yè)應(yīng)用還存在諸多問題。本設(shè)計基于間接控制矢量調(diào)制算法改進了扇區(qū)臨界點和小占空比算法，使得算法易于實現(xiàn)，波形輸出正弦度更接近實際。本設(shè)計不僅功率因數(shù)高，諧波污染少，能夠滿足工業(yè)的需求，而且進一步的推動了矩陣變換器的實用化和產(chǎn)品化。 作品采用電機作為負載，經(jīng)過電機的實際調(diào)速試驗，試驗結(jié)果表明該作品成功實現(xiàn)了變頻、調(diào)壓等變換器的基本功能，并且，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，輸出電壓、電流夾角接近于零，功率因數(shù)高。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 作品為九個雙向開關(guān)的矩陣變換器，在電路設(shè)計中，將驅(qū)動模塊與電路集成到一個電路系統(tǒng)。在使用時與三相負載直接連接，即可投入使用。 該作品的應(yīng)用范圍廣泛，可以應(yīng)用于通用交流變頻傳動、車輛牽引、風(fēng)力發(fā)電、以及航空等領(lǐng)域。由于作品是一種“綠色”變換器，能解決因諧波污染帶來的電力系統(tǒng)環(huán)保問題，可產(chǎn)生節(jié)能的重大經(jīng)濟效益。因此該設(shè)計能促進全球工業(yè)的發(fā)展，能產(chǎn)生重大的節(jié)能效益。
同類課題研究水平概述
- 近幾年來，由于電力電子器件技術(shù)的迅速發(fā)展，矩陣變換器的實用化受到了世界各國專家學(xué)者的關(guān)注。國外學(xué)者研究成果中比較著名的有歐洲的EUEPC公司在2001年開發(fā)了專用于矩陣變換器的開關(guān)矩陣模塊；德國西門子公司在2001年提出了一整套適用于工業(yè)傳動控制領(lǐng)域的矩陣變換器解決方案；丹麥Aalborg大學(xué)電力電子研究中心在2002年研制了適用于工業(yè)生產(chǎn)的矩陣變換器樣機；日本富士電機公司在2003年開發(fā)出了適用于矩陣變換器的RB-IGBT模塊；日本安川電機公司在2004年推出了矩陣變換器產(chǎn)品；英國Nottinghan大學(xué)的研究人員在2004年成功地開發(fā)了一臺150kVA矩陣變換器驅(qū)動異步電動機傳動系統(tǒng)。 國內(nèi)學(xué)者對于矩陣變換器的研究還處于理論研究和計算機仿真實驗研究。主要代表有：福州大學(xué)湯寧平、方旭陽、邱培基分析和推導(dǎo)了三相矩陣式變換器在電流滯環(huán)跟蹤控制方式下的開關(guān)函數(shù)；浙江大學(xué)黃科元建立了矩陣變換器供電的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機定子磁場定向的矢量變換控制系統(tǒng)模型，并通過仿真和實驗研究驗證了該方案的正確有效性；清華大學(xué)黃立培教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組開始針對矩陣式變換器在高性能交流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用進行研究。 目前國內(nèi)尚未有矩陣變換器的產(chǎn)品問世，本作品為矩陣變換器的全數(shù)字化實現(xiàn)，基于理論與計算機仿真的基礎(chǔ)上，采用DSP和CPLD等控制器進行矩陣變換器工業(yè)樣機的研制。因此該項目的研究對我國自主知識產(chǎn)權(quán)的矩陣變換器技術(shù)發(fā)展有著重大意義，同時將推動我國風(fēng)力事業(yè)的發(fā)展。
