基于Z-源逆变器的风力涡轮机驱动的永磁发电机FPGA控制器.doc

基于Z-源逆变器的风力涡轮机驱动的永磁发电机FPGA控制器
摘要
本论文描述了适用于风电转换系统（WECS）的基于Z-源逆变器控制器的VHDL仿真。风电转换系统的一个主要刺头就是在输出端能获得稳定的电压而不管风速的变化。Z-源逆变器具有的性质有稳定性，既能升压也能降压。它采用了同时包含直流电源和变频电路的一种独特地阻抗网络。Z-源逆变器的功率转换效率相较传统的逆变器明显的提高了。因为传统的三级式转换系统，包括整流器、Boost升压斩波器和逆变器，现在已被包含整流器和Z-源逆变器的两级式转换系统代替。所有传统的脉宽调制方案都可用于Z-源逆变器。当直流电压已足够高以致能够产生理想的交流输出电压就可以用正常的PWM调制技术。但当直流电压不够产生理想的交流输出电压时，可以采用一种具有直通零矢量状态的改进的PWM技术来升压。该控制器已经设计出来，并对传统的PWM调制技术以及用于Z-源逆变器的改进的PWM调制技术进行了VHDL仿真。
关键词：电流源逆变器，PMG，VHDL，电压源逆变器，WECS，ZSI
1. 引言
风能通过风力涡轮机转变成电能。在一个近代典型的大型风力涡轮机里，风的动能（运动的空气中分子的能量）通过组装在其顶部的三叶转子转变成旋转运动。转子拖动一个转动轴，这个转动轴能使旋转运动转移到一个舱内（在风力涡轮机塔顶的一个大壳）。在舱内，缓慢旋转地的轴驱动着一个齿轮，这齿轮能够极大地提高从动轴的转速。高速旋转的轴连接着一个发电机，能够把这种旋转运动转变成中压等级的电压（数百伏）。
电能通过塔内巨大的电缆往下流到变压器，把电压升高到配电电压（数千伏）。配电电压通过地下线路流到一个聚集点，在这一点，电压可能与其他涡轮机产生的电压结合起来。
A．传统的风电转换系统
本计划的风电转换系统的基本组成部分如图1所示。风力涡轮机把风能转换成旋转的机械能，机械接口由一个增速的齿轮和合适的联轴发射器组成，它连接着风力涡轮机和永磁同步发电机。发电机发出的电能通过功率变换器接入局部负荷，就能得到稳定电压和稳定频率的输出了。
风力涡轮机把风的动能转换成机械能，再通过齿轮箱驱动永磁同步发电机。因为风能是一种间歇性的能源，发电机输出电压的幅值和频率会受风速的影响。故发电机产生的变化的交流电源首先通过二极管整流桥整成直流。整流终端的电压通过控制占空比使其为规定的定压。通过采用PWM逆变器得到的恒定的直流输出是反相的，切供应给所需电压等级和频率的负荷。占空比用来控制Boost升压斩波器来维持恒定的电压输出。

图1 风电系统的基本组成部分
弊端
它是一种基本的三级式的，包含二极管整流器、Boost升压斩波器和PWM逆变器的功率变换系统。如果我们假定每级的效率值为0.8，那么级联后得到的效率值为0.51，非常低。因为它是三级式变换系统。
B.建议的工作方式

图2 Z-源逆变器的风能转换系统
建议的基于FPGA控制的Z-源逆变器一如预期展示了其降压和升压能力，因为在直流电源和逆变电路之间引入了一个LC阻抗网络。这一改进实现了两级式变换系统结果提高了效率（约为61%）。
C.目的
这一工作的主要要求是在逆变器的输出端获得稳定的电压。用Model sim 5.7对Z-源逆变器的控制仿真是这篇论文的主要内容。
2. Z-源逆变器
为了解决传统的电压源变换器和电流源变换器的问题，本论文提出一种阻抗源（也可称阻抗反馈）功率变换器以及其在实现DC-AC，AC-DC，AC-AC，DC-DC功率变换时的控制方法。图3为推荐的一般的Z-源逆变器结构它采用了独特地阻抗网络把变换器主电路和电源或负载或其他变换器连接起来，这就使它提供了一些独特地特性。这些特性在各自使用电感电容的传统的电压源变换器和电流源变换器中是不具有的。Z-源逆变器克服了上述传统的变换器概念上和理论上的障碍和限制。图3中，二端口网络由被分开的电感L1，L2和电容C1，C2组成，连接成“X”形状，提供一个阻抗网络把变换器主电路和直流电源或负载或其他变换器连接起来。直流源/负载可以是电压源或电流源/负载。总之，直流源可以是电池、二极管整流器、晶闸管变换器、燃料电池、电感、电容或是它们的组合。变换器的功率开关可以是开关装置和二极管的连接如图4中的反平行连接方式。电感L1和L2可以是被分开的一个电感，也可以是两个独立的电感。

图3 一般的Z-源逆变器结构图

图4 反平行连接方式的开关装置的Z-源逆变器
A． 工作原理
为了描述Z-源逆变器的工作原理及其控制，简略的检查一下Z-源逆变器的结构。图5中，三相Z-源逆变器具有9种可允许的开关矢量，不同于传统的三相电压源逆变器只有8种。传统的三相电压源逆变器当直流电压加载负载上时有6种有效的开关矢量，当负载末端短路或其三组功率开关的上桥臂或下桥臂短路时会出现两个零矢量。然而，三相Z-源逆变器当负载末端短路而且任意桥臂的上下开关同时导通，或是两个，或是三个桥臂，这时会出现另外的一种零矢量。这种直通的零矢量在传统的电压源逆变器中是不允许出现的，会造成器件击穿。称这第三种零电压矢量为直通零矢量。其可有7种产生方法：任意桥臂的上下开关同时导通、或是任意两组任意桥臂的上下开关同时导通、三组桥臂同时导通。Z-源网络使得直通零矢量成为可能，而这种直通零矢量给逆变器带来独特的升降压特性。

图5 Z-源逆变器
B.等效电路
图6所示为图5 Z-源逆变器从直流侧看进去的等效电路。从Z-源网络看进去，当逆变桥处于直通零矢量时逆变桥等效为短路状态。如图7所示。

图6 Z-源逆变器从直流侧看进去的等效电路

图7 等效为短路时电路
然而，当逆变桥处于6种有效状态时等效为一个电流源，如图8所示。如果当逆变桥处于传统的那两种零矢量时也可以等效记为值为零的电流源的话，那么图8所示的即为从直流端看进去的8种非直通零矢量状态的等效电路。

图8 等效电路图
C.控制方案
所有传统的PWM调制方案都能用于控制Z-源逆变器而且他们理论上的关系仍然成立。图9所示为传统的基于三角载波的转换序列。在每个转换周期，两个非直通零矢量都分别和邻近的有效矢量组合起来合成期望的电压。当直流电压已足够高以致能够产生理想的交流输出电压，就可以用传统的PWM调制技术。但当直流电压不够产生理想的交流输出电压时，可以采用一种具有直通零矢量状态的改进的PWM技术来升压，如图9示。

图9 PWM控制序列
需要提及的是每一相的桥臂开关在一个转换周期始终有开和关。不改变所有零矢量的时间间隔，直通零矢量被均匀的分配在每一相中。这意味着有效矢量是不变的，但由于直通零矢量的存在使连接逆变器的直流电压升高了。详细的分析在下一部分给出。在这里需要注意的是从Z-源网络看进去的等效转换频率是主逆变器转换频率的三倍，这可以大大的减少Z-源网络所需的电感值。
D．电路分析与可得到的输出电压
假定电感L1和L2，电容C1和C2分别相同，Z-源网络则是对称的。由等效电路的对称性得到：
==
== （1）
考虑到逆变桥处于直通零矢量的间隔时间为，在一个转换周期T内，由图6的等效电路得到：
=
=2
=0 （2）
现在考虑逆变桥的8种非直通零矢量的时间，在一个转换周期T内，由图7得到：
=-，=
=-=2- （3）
为直流源电压并有T=+
则在一个开关周期T，电感两端的平均电压在稳态下必然为0，根据（2）和（3）有：
==（·+·（-））/T=0 （4）
或 （5）
类似的，通过逆变桥的平均直流电压可由如下方法得到：
(6)
通过逆变桥的母线峰值直流电压（3）式中已描述，现重写如下：
(7)
这里，B为：
(8)
B为直通零矢量的引入带来的升压因子。
直流母线峰值电压和逆变桥的直流母线电压是等值的。另一方面，由逆变器输出的交流相电压峰值为：
（9）
M为调制因子。利用式（7）和式（9），进一步得到：
(10)
等式（10）说明选择合适的升降压因子可以使输出电压升高或降低。
(11)
由式（1），（5）和（8），电容电压为：
(12)
升降压因子由升压因子B和调制因子M决定。升压因子B，如式（8）描述，可由逆变器PWM调制的一个周期内直通零矢量占非直通零矢量的比而控制。注意，直通零矢量对逆变器的PWM调制并不产生影响，因为它在逆变器输出端产生的也是0V电压。零矢量的时间间隔由调制因子决定，而直通零矢量的作用时间也因此受限。
3. 仿真结果
图10为三相Z-源逆变器采用改进的PWM控制方法，升压因子B=1.06时，仿真控制器的输出图形。

图10 B=1.06时的输出
图11为三相Z-源逆变器采用改进的PWM控制方法，升压因子B=1.25时，仿真控制器的输出图形。

图11 B=1.25时的输出
4. 总结
Z源逆变器控制器的VHDL仿真采用的是Modelsim5.7版。得到的结果是正弦参考信号的连续的值。以上结果指出Z-源逆变器得到的直通零矢量把低等级的直流电压升高为较高等级的交流电压。在以后的工作中需要在FPGA中实现控制的功能。
5. 参考文献
略
6. 人物简介
略