關于矩陣式變換器現狀和發展的思考

李文艷　何小輝

【摘 要】矩陣式變換器（MC）是一種基于雙向開關并采用脈寬調制得到期望輸出電壓的電力變換裝置，因具有不需要中間直流儲能環節， 對任意負載均可實現單位輸入側功率因數等優勢而成為電力電子技術研究的熱點之一。論文主要分析了矩陣式變換器的研究背景、國內外發展現狀和存在的問題以及矩形變換器的當前研究熱點，并根據分析提出了具有原創性的新研究方法。

【Abstract】Matrix converter （MC） is a kind of power conversion device based on bidirectional switch and pulse width modulation to obtain the desired output voltage， because it does not need the intermediate DC energy storage link. The power factor of unit input side can be realized for any load， which has become one of the hot research topics in power electronics technology. This paper mainly analyzes the research background of matrix converter， development of domestic and foreign and existing problems， as well as the current research focus of rectangular converter. Based on the analysis， a new research method with originality is proposed.

【關鍵詞】矩形變換器 ；新研究方法 ；編譯原理

【Keywords】rectangular converter； new research method； fundamentals of compiling

【中圖分類號】TP212 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）03-0153-02

1 矩陣式變換器的研究背景

隨著工業電氣自動化的不斷進步發展，以及對節能和環保要求的提高，傳統的變頻裝置已無法滿足工作要求。當前，盡管已有成熟的高性能交-直-交型變頻裝置在市場上出現，但是仍有許多方面存在不足：輸入側功率因數較低，對電網諧波污染嚴重；含有大電容或大電感作為直流儲能環節，體積重量大；在電動機制動運行時，能量一般消耗在制動電阻上，從而在化工廠、酒精廠等生產危險品的工業場所，其中大容量制動電阻可能引起火災，引發安全事故。

傳統的交-交型變頻電路缺點是：功率晶閘管多、接線復雜、輸出頻率范圍窄（只能是電網頻率的1/3～1/2）、采用相控整流，功率因數低，只能用于大容量低速重載調速場合。

矩陣式變換器作為現有交-直-交型PWM變頻器和傳統交-交變頻電路的一種補充和替代技術，已成為電力電子技術研究的熱點之一，并在軍事和工程上有著廣泛的應用前景。其優于傳統交流電力變換裝置的特性：輸入與輸出電流品質好；電能的直接雙向流通；對任意負載均可實現輸入側功率因數為1；不需要作為直流儲能環節的電感或電容，電路結構緊湊，體積小。

矩陣式變換器（MC）是一種基于雙向開關并采用脈寬調制得到期望輸出電壓的電力變換裝置，可以產生交流和直流電壓。

2 矩陣變換器的研究現狀

下面就矩陣變換器的研究狀況及相關問題概述如下：

2.1調制方法

矩陣式變換器和雙向開關的概念最早由L.Gyugyi和 B.R.Pelly于1976年提出。意大利學者Venturini和Alesina 于1980年提出了一種調制方法，輸出電壓最大值為輸入電壓的0.5倍，且輸入功率因數控制受限，后來他們又提出了一種提高電壓傳輸比的方法[1]，使得電壓傳輸比提高到0.866，這就是為大家熟知的優化Venturini方法。

在1983年，Rodriguez提出了間接傳遞函數法。間接傳遞函數法是在理論上將矩陣式變換器等效為一個整流器和逆變器的虛擬連接。在逆變階段 ，最大電壓傳輸比能達到1.053。不過高的電壓傳輸比是以電源電流和負載電壓低頻畸變為代價的。從 1989 年到 1995 年，Huber 和 Borojevic 在其論文中提出了矩陣變換器的空間矢量脈寬調制策略。Casadeietal提出了占空比空間矢量法，最大電壓傳輸比能達到1.155，開關損耗較大[2]。目前在矩陣變換器的研究中絕大多數采用空間矢量調制算法。另外，還有基于數學構造的調制方法、預測電流控制法、雙電壓控制法等，以及非正常條件下的調制策略和控制方法，如2001 年L. Zhang等提出了通過注入低次諧波來補償直流母線電壓的波動，從而消除不對稱輸入電壓對輸出的影響；基于空間矢量調制的前饋補償控制策略；采用實時矢量幅值之比計算電壓調制系數的方法；閉環控制來改善輸出電流波形；基于自抗擾技術的閉環控制法[3]。

2.2 換流策略

國內外學者對該問題進行了深入研究，提出了許多換流方法，大致上可分為兩類：一種是基于輸出電流方向的電流型換流法。該方法控制簡單，占用資源少，但換流時間長且小，電流檢測困難，易引發換流失敗；電流兩步換流法與一步換流法改善了四步法的缺點，縮短了換流時間，但是由于需要在每個開關管兩端加裝電壓檢測電路，硬件電路復雜，成本較高。另一種是基于輸入電壓大小的電壓型換流法。此外還有混合換流法、重疊換流法、死區換流法等。

2.3 矩陣變換器的拓撲結構

主要的有間接矩陣變換器或兩級矩陣變換器，為了減少開關數量出現的稀疏、極稀疏和非常稀疏矩陣變換器，他們的電壓傳輸比也小于1，最大能達到0.866；在高壓、大功率應用中的三級輸出階段間接矩陣轉換器和間接三級稀疏矩陣轉換器，最大電壓傳輸比都小于1； 為了得到電壓傳輸比大于1，提出的組合矩陣變換器（MMC）、混合矩陣變換器、交流矩陣電抗斬波器（MRC）、矩陣電抗頻率變換器（MRFC）。不管是矩陣電抗頻率變換器還是級聯連接，在整個輸入或輸出頻率周期內，矩陣電抗斬波器和MC中的電抗元件存儲能量為零，這是最大的不同于混合MC的地方。

2.4 矩陣變換器的樣機及產品研制

一系列不同功率等級的矩陣變換器實驗樣機和產品開始出現，具有代表性的是：美國西屋電氣公司、日本富士電機公司、日本安川電機。目前產品的最高容量已達6MVA/6.6kV。國內交-交矩陣變換器的研究開始較晚，大致從20世紀90年代開始，南京航空航天大學、上海大學、哈爾濱工業大學、清華大學、湘潭大學、中南大學、華中科技大學等，在矩陣變換器研究中均有樣機制作。

3 矩陣式變換器存在的問題與研究熱點

鑒于矩陣變換器包含數學模型復雜，控制煩瑣，開關多，因此采用適當的調制策略，并將其加以實現，保證系統穩定可靠地運行，在矩陣式變換器的實際應用中至關重要，而且負載側的干擾可以直接反映到輸入側，嚴重時會造成對電網的諧波污染；電壓利用率較低，如果想得到大于1的電壓利用率，輸出電壓和輸入電流波形又存在低頻畸變；當電網電壓出現輸入不平衡、波形畸變、電壓跌落甚至是瞬時斷電時，只能依靠對輸入電壓的檢測，根據一定的調制算法控制變換器正常工作，其及時性和可靠性均不理想。

4 新的研究方法

在過去的幾年里，很多實驗室研究都致力于提出新的控制策略來提高負載電壓幅值。當前的控制策略，電壓傳輸比等于0.866，大于1的輸出電壓和輸入電流波形又存在低頻畸變。為了得到電壓傳輸比大于1，在拓撲結構上，幾種混合解決方案被提出，包括：組合矩陣變換器（MMC）、級聯矩陣變換器和矩陣電抗頻率變換器（MRFC）。所以研究一種簡化的控制算法，若能提高電壓傳輸比更好，進一步降低輸入電流諧波并提高電網電壓非正常情況下的控制精度和反應速度，可以加速矩陣變換器的工業化和軍事化應用。

如果將三相-三相矩陣式變換器交流調速系統作為研究對象，以編譯原理、解析幾何、線性代數、Z變換、傅里葉級數等為基礎，通過充分利用編譯原理處理各種數據的強大能力和各種數學知識對數據的分析和運算能力，尋求矩陣式變換器調制策略的創新和突破，構造出基于直接傳遞函數法的全新的調制算法，實現計算量、功率因數控制、開關功率損耗、輸入電流諧波、電網電壓非正常情況的處理等各項指標的綜合考慮，使得系統穩定可靠地運行，將會具有非常重大的意義。研究內容主要包括：深入研究編譯原理算法，這里要用編譯原理算法去融合三相-三相矩陣式變換器交流調速系統的控制算法，實際上就是在設計一個特定的編譯器了，創新性和突破性很高的同時意味著難度也很高。所以必須對編譯原理算法有深入的理解方能實現跨學科融合；建立編譯原理算法與三相-三相矩陣式變換器交流調速系統的對應關系；把連續對象投入到編譯計算中去，在編譯原理中，連續對象是等待著一個值的一組程序。

綜上所述，如果能按照這個方法去研究矩陣變換器的調制策略，將會為該研究領域注入新的活力，為矩陣變換器的工業化提供強大的推動力。

【參考文獻】

【1】孫凱. 矩陣式變換器技術及其應用[M].北京： 機械工業出版社，2007.

【2】M.Venturini and A.Alestina. The generalised transformer：a new bidirectional sinusoidal waveform frequency converter with continuously adjustable input power factor[C].IEEE Power Electronics Specialists Conference， Atlanta， GA，USA，1980.

【3】Alcsina and M.G.B.Venturini. Analysis and design of optimum amplitude nine-switch direct AC-AC convmers[J].Power Electronics，IEEE Transactions，1989，4（1）：97-101.