交-交電力變換器拓撲結構綜述

徐艷春，楊昊

（三峽大學電氣與新能源學院，湖北宜昌443002）

近年來隨著電力電子技術、微電子技術和計算機技術的快速發展，變頻調速裝置獲得了日益廣泛的應用，其中大多數通用變頻器為交-直-交變頻器。但由于該裝置中使用了橋式整流器件，所以輸入電流波形失真度較大，且功率因數極低。因此，對具有良好輸入電流品質因數的電力電子設備的研究已成為現今的趨勢，而矩陣式變換器的出現可以從根本上解決這些問題。

矩陣式變換器是眾多交-交電力變換拓撲中的一種形式，與交-直-交型變換器相比，雖然具有省去中間直流環節、可四象限運行等優點，但也存在開關器件數目多、換流過程復雜等缺點。其概念和電路拓撲結構最早由L.Gyugyi和B.R.Pelly于1976年提出[1]，但由于當時缺少高頻可關斷的功率開關管和具有快速數字信號處理能力的芯片，因此只能停留在理論階段，直到意大利學者M.Venturini和A.Alesina于1980年對該理論進行了證明，并且提出了一種新的電壓調制策略，即后來的直接型矩陣式變換器[2]。在直接型矩陣式變換器的基礎上，國外學者開始考慮可否把交交變換分解成兩部分，于是，間接型矩陣式變換器[3]應運而生。與此同時，國內外學者又提出了一系列新的拓撲結構，大大減少了開關器件，降低了成本。但是它們卻存在諸如開關器件損耗較大，有的拓撲結構能量只能單向流動的缺點[4]，因此其應用范圍受到了一定的限制。例如15開關拓撲結構可以用來驅動電機的四象限運行，而12開關和9開關拓撲結構卻只能用于能量的單向傳輸。此外，矩陣式變換器還有一些新型電路拓撲結構，接下來，本文將對它們進行介紹和描述。

1 直接型矩陣式變換器

直接型矩陣式變換器（DMC）是一種單級交-交變換器，由9個雙向開關構成，如圖1所示。它具有輸入功率因數可任意調節、能量能夠雙向流通、將近正弦的輸出電流、無儲能元件、體積小、易于集成等一系列優點。然而，至今為止它仍然沒有廣泛應用到工業中，原因是其復雜的PWM控制策略和保護策略，同時為了安全操作還需要復雜的換流方案和精密的鉗位電路[2]。

圖1 直接型矩陣式變換器的電路拓撲結構Fig.1 The topology of direct matrix converter

圖中DMC的輸入輸出關系可表示為

式中：Vsa、Vsb、Vsc為三相輸出電壓；Vsu、Vsv、Vsw為三相輸入電壓。

圖1中Sjk代表矩陣式變換器k相輸入和j相輸出的開關狀態，j∈a，b，c，k∈u，v，w，當Sjk=1時，開關導通；當Sjk=0時，開關關斷。為避免短路，任意時刻同一輸出相的3個雙向開關中，有且只有一個開關導通，開關情況如下所示：

由此可見，直接型矩陣式變換器共有27種開關狀態，控制策略十分復雜，開關器件多且成本高，難以應用到工業中，因此海內外學者對改造其電路拓撲結構進行了大量的研究，下面將對其進行詳細的介紹和描述。

2 間接型矩陣式變換器（IMC）

為簡化直接型矩陣式變換器電路拓撲結構，減少開關元件的數量，降低其控制難易程度，國外學者提出了一種新型的電路拓撲結構，稱其為間接型矩陣式變換器（IMC），見圖2。與傳統AC-DC-AC變換器所不同的是，它沒有大電容或大電感等中間直流儲能環節，其體積能夠大大減小，但是其直流部分的穩定性會變差。目前所研發的間接型矩陣式變換器拓撲主要有雙級矩陣式變換器（TSMC，又稱為雙橋直接變換器）、稀疏矩陣式變換器（SMC）、精簡矩陣式變換器（RMC）等。

圖2 間接型矩陣式變換器基本結構Fig.2 The basic structure of indirect matrix converter

2.1 雙級矩陣式變換器（TSMC）

雙級矩陣式變換器（TSMC，又稱雙橋直接變換器）的電路拓撲結構如圖3所示。它主要采用三相AC-DC-AC的結構形式，其中整流部分的電路由6個雙向開關構成，而逆變部分的電路則與傳統三相逆變器相同。這種電路結構在各個方面都有極大的優勢，其功能足以和直接矩陣式變換器媲美，同時它還能克服其開關數量多、控制復雜等缺點，是一種頗具發展潛力的新型交-交變換器[4]。

圖3 雙級矩陣式變換器電路拓撲結構Fig.3 The topology of two-stage matrix converter

雙級矩陣式變換器的優勢體現在[4-5]：1）輸入輸出性能優良，功率因數的品質較高，能量可以雙向流通，同時直流環節無大電容或大電感等儲能元件，易于集成；2）系統換流簡單，可靠性大大提高；3）根據約束條件，可減少開關器件數量；4）對于整流部分和逆變部分，可以通過分別選用改進的空間矢量調制方法來簡化控制。

作為電力電子學科中一個很有潛力的新興課題，雖然國內外研究人員對雙級矩陣式變換器開展了不少卓有成效的工作，但迄今為止，雙級矩陣式變換器在研究過程中仍然存在一些問題，離真正的產品化尚有一定的距離。

1）雙級矩陣式變換器無大電容或大電感等中間直流儲能環節，當諧波失真或者電壓不平衡等干擾時，其輸入輸出性能易受影響，需要著重研究其在非正常工控下的控制策略。

2）雙級矩陣式變換器的電壓利用率較低（通常小于86%），需要對調制策略或電路拓撲加以改進，以提高電壓利用率，從而擴大系統的工作范圍。

3）在某些特定條件下，雙級矩陣式變換器的運行性能仍然不能令人滿意。若想進一步提高其輸入輸出性能，改善電磁兼容（EMC）特性，減少損耗，提高系統效率和可靠性，還需將整流部分、逆變部分以及負載部分進行綜合考慮。

2.2 稀疏矩陣式變換器（SMC）

雙級矩陣式變換器雖然具有諸多優點，但是其開關器件數目仍然比較多，如何根據實際需要適當減少雙級矩陣變換器的開關器件數量，海內外學者對此做了大量的研究工作[4-7]。

從圖3所示的雙級矩陣式變換器可以看出，開關Sapp和Sann在任意時刻都是由同一個門極信號所驅動，為了簡化電路，開關Sapp和Sann可合并成開關Sa，如圖4所示，其中p為正，n為負。同樣的情況適合于另外兩對開關：Sbpp和Sbnn、Scpp和Scnn，因此能夠獲得一個如圖5所示的15開關雙級矩陣式變換器電路。15開關電路的性能和18開關電路的性能相同，但當直流電為正時，15開關電路的導通損耗明顯要比18開關電路高。

圖4 開關減少原理Fig.4 Steps to reduce the switch number

若添加一個前提條件，確保雙級矩陣式變換器中間環節電流極性為正，即idc＞0，就可以進一步減少其開關器件數量。圖6、圖7分別是由12開關和9開關所構成的雙級矩陣式變換器電路[7]，雖然它們的性能相同，但是9開關電路的導通損耗明顯要比12開關電路高。同時由于電流極性為正的前提，這2種電路的能量只能單向傳輸，其應用范圍受限。

2.3 精簡矩陣式變換器（RMC）

精簡矩陣式變換器是一種從直接型矩陣式變換器電路拓撲衍生出來的新型功率變換器[8]，具有結構緊湊、控制靈活、輸入/輸出性能良好等特點，其拓撲結構如圖8所示。由RMC所構成的變換器具備轉換級數少、功率密度高、效率高等特點，是用于海上風力發電-高壓直流輸電系統中一種頗有潛力的變換器[9]。最近幾年，海內外研究人員在RMC所構成的變換器的調制方法、換流策略等方面進行了研究，并且取得了一定的研究進展[10-13]。

圖5 15開關雙級矩陣式變換器電路拓撲結構Fig.5 The topology of two-stage matrix converter with 15 switches

圖6 12開關雙級矩陣式變換器電路拓撲結構Fig.6 The topology of two-stage matrix converter with 12 switches

圖7 9開關雙級矩陣式變換器電路拓撲結構Fig.7 The topology of two-stage matrix converter with 9 switches

RMC電路拓撲結構和雙級矩陣式變換器電路拓撲結構相似[4-14]，也具有雙向流通能力。它將發電機所輸出的交流電轉換成正負交變的高頻電，等同于雙級矩陣變換器。RMC不僅可以減少開關級數和開關次數，還能提高系統轉換效率和可靠性。因為傳輸的是正負交變的高頻電，所以變壓器，濾波器等部件的體積會大大減小，同時二極管整流器件將變壓器所輸出的高頻電轉換為直流電。因此，精簡矩陣式變換器（RMC）在海上風力發電-HVDC系統中具有巨大的潛力。

圖8 RMC電路拓撲結構Fig.8 The topology of reduced matrix converter

3 其他新型拓撲矩陣式變換器

直接型矩陣式變換器和間接型矩陣式變換器完成的功能是三相-三相交流電力變換，通常只能為異步電動機、永磁同步電動機等三相交流負載供電。然而在大量的實際工業中，往往只需要為單相電動機、單相交流負載等設備供電。因此，在直接型矩陣式變換器和間接型矩陣式變換器無法滿足需要的情況下，一些特殊的矩陣式變換器電路拓撲應運而生，如三相-兩相矩陣式變換器、三相-單相矩陣式變換器、單相-三相矩陣式變換器、單相-單相矩陣式變換器，以及多電平矩陣式變換器等[15]。

1）三相-兩相矩陣式變換器。三相-兩相矩陣式變換器能夠提供具有幅值獨立可控和90°相位差的正弦輸出電流/電壓波形，可以將其應用于兩相負載中，例如傳統單相電機、對稱式兩相異步電機等[15]。

2）三相-單相矩陣式變換器。雖然在日常生活中三相用電設備得到了廣泛的應用，但在一些特殊的工業場合中，仍然要求單相供電，例如感應加熱和熔煉工業。與三相-三相矩陣式變換器相比，三相-單相矩陣式變換器開關器件數目更少，輸出波形也更加純粹，同時對其的研究可以促進三相-三相矩陣式變換器的研發，進而達到簡化其控制策略，提高系統可靠性和穩定性的目的[16-17]。

3）單相-三相矩陣式變換器。雖然發電廠發出三相交流電，但考慮到輸電成本問題，輸配電系統中往往選用單相電力傳輸（電氣鐵道、輕工業、居民用電等），而負載設備通常都是使用三相電，因此單相-三相矩陣式變換器在現實生活中具有良好的應用前景[18-19]。

4）單相-單相矩陣式變換器。就當今矩陣式變換器研究方向來說，大多數學者往往集中于三相而忽略了某些偏遠地區等小容量電力用戶，它們多采用單向供電，因此單相AC-AC矩陣式變換器的研發對其日常生活具有非常重要的現實意義[20-22]。

圖9 三相-兩相矩陣式變換器電路拓撲結構Fig.9 The topology of three-phase to two-phase matrix converter

圖10 三相-單相矩陣式變換器電路拓撲結構Fig.10 The topology of three-phase to single-phase matrix converter

圖11 單相-三相矩陣式變換器電路拓撲結構Fig.11 The topology of single-phase to three-phase matrix converter

圖12 單相-單相矩陣式變換器電路拓撲結構Fig.12 The topology of single-phase to single-phase matrix converter

4 結論

本文對于現有矩陣式變換器的各種拓撲結構的工作原理及其控制進行了綜述，在此基礎上詳盡論述了矩陣式變換器各種電路拓撲結構的演變過程，同時在優缺點方面與直接型矩陣式變換器進行了比較，為后續矩陣式變換器在電力系統的應用奠定基礎。矩陣式變換器因其結構和功能上的眾多優點，是一種發展潛力巨大的理想電力變換裝置，它的研究工作已經越來越引起國內外研究人員的高度關注和重視，相信隨著科技的發展和研究的深入，新型功率開關器件的出現，控制芯片的優化等，它的缺點會逐漸克服并逐漸應用到工程實踐中，開啟交流變頻新時代。

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