矩阵变换器的研究现状分析

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1、矩阵变换器的研究现状分析1引言随着电力电子技术的迅速发展，交-直-交电压型变频调速装置已经广泛地应用于交流调速系统中，且结构愈来愈紧凑。但由于装置中应用了二极管桥式整流器，所以输入电流波形失真度大、功率因数低。随着电网负载中电力电子设备的增加，畸变电流对电网品质的污染已成为不可忽视的问题，因此研究新型的既有优良控制性能和优良输入电流品质而又成本低、结构紧凑可靠的变换器已成为当前的发展趋势。交-交型矩阵式变换器可以克服上述缺点，它是一种单级电源变换器，除了应用一个体积不大的交流滤波器外不需贮能环节。它与交-直-

2、交型变换器相比具有如下优点:（1）控制自由度大，输出电压可调，输出频率不受输入频率的限制；（2）输入功率因数可调，可以滞后、超前或为1不受负载限制；（3）输入电流正弦，对电网无谐波污染；（4）能量可以双向流动，尤其适合于电机四象限运行；（5）无任何中间直流环节，结构紧凑，体积小，效率高，易于实现集成化和模块化，特别适合实现电机与变频器一体化。由于矩阵变换器包含开关较多，数学模型复杂，使得调制方法和换流控制都很繁琐，导致了稳定性和可靠性仍不够理想；因此提出了新型的电路拓扑—多电平矩阵变换器和双级矩阵变换器。多电

3、平矩阵变换器可以用电压等级较低的器件完成高压电能的变换，使得电力电子技术可以应用在高压、大功率的场合，且突破了电压传输比小于或等于0.866的限制，既可以降压也可以实现升压；可实现多电平操作，进一步改善了输出电压波形；开关损耗小。双级矩阵变换器不仅能够实现交-交矩阵变换器的所有功能，并且具有功率开关器件相对较少、箝位电路大大简化、换流简单可靠、控制算法的复杂性降低等优点。但这两种新型变换器研究的时间不长，自身还有许多问题要解决，不如单级矩阵变换器成熟。交-交型矩阵变换器经过近30年的发展，基本趋于成熟，近年来

4、有以下的一些应用。如矩阵式变换器驱动的交流电动机调速系统已被应用于电梯、起重机、风力发电等需要能量双向流通的场合。另外，还应用于一些安装空间有限、对变频装置体积和重量要求很严格的场合，如铁道机车、电动车辆、飞机等独立电源系统中。可以预料，矩阵变换器将有广阔的发展前景。三相-三相矩阵变换器的拓扑结构如图1所示。图1三相-三相矩阵变换器的简化拓扑2控制策略由于矩阵变换器包含开关较多，数学模型复杂，控制繁琐，因此在其实际应用中，采用适当的调制策略，加以实现，保证系统稳定可靠地运行，是至关重要的一个环节。目前普通矩阵

5、变换器的控制策略主要有：直接变换法：即通过对输入电压的连续斩波合成输出电压。它可以分为坐标变换法、谐波注入法、等效电导法和标量法；[1]滞环电流跟踪法：将理想三相输出电流信号与实测的输出电流信号进行比较，根据比较结果和当前电源状态决定开关动作；间接变换法：也称为等效交-直-交变换法，它是基于空间矢量变换将矩阵变换器等效为没有中间直流环节的双PWM变换器，然后采用双空间矢量法进行调制。这种方法计算简单，易于实现，可以大大减小对于控制电路的要求，不需要在输出相电[2]压中引入低频谱波，可使电压利用率达到0.866

6、，实现输入电流相位差的任意控制。但它不是直接利用瞬时电压电流量计算各开关的占空比，而是通过引入矢量的概念来实现输出电压和输入电流的控制，因此该方法在三相输入电压源不平衡情况下的控制效果会略为逊色。为了保证系统在电网电压非正常工况下正常运行，设计了专门的补偿控制策略，主要包[3][4][5][6]括直接传递函数法、间接空间矢量调制法以及双电压控制法:（1）基于双电压控制法的输入电压不平衡补偿双电压控制法不仅能够实现正常工况下对输入/输出波形的调制，而且适用于输入电压不平衡情况下对输入电流的补偿控制，是一种行之有

7、效的矩阵变换器调制策略，当输入电压不平衡时，把输入电压空间矢量分解为正序和负序两个平衡的电压矢量，通过输入不平衡的电流来保证输入功率的恒定，该方法可以减少电流中的谐波畸变。（2）基于间接空间矢量调制法的前馈补偿控制当输入侧电网电压处于不平衡、瞬时跌落等非正常工况时，矩阵变换器的“虚拟直流电压”也随之变化，不再保持为恒定值，因而造成输出电压的畸变，此方法是通过调节空间矢量脉宽调制系数来对“虚拟直流电压”加以补偿，使矩阵变换器的输出电压保持为正常值。为了得到真实而准确的“虚拟直流电压”值作为补偿控制的依据，需要实

8、时检测矩阵式变换器三相输入电压。（3）基于间接空间矢量调制法的输入电流调制当输入电压不平衡时，输入相电压空间矢量变成了一个幅值脉动、变角速度的空间矢量。由于输入电压不平衡会导致输入电流中产生大量的低次谐波，为了抑制输入电压不平衡对输入电流谐波的影响，需要对输入相电流空间矢量的方向即调制矢量进行调节。一旦选定调制矢量，就可以对输入相电流空间矢量进行调节。在多电平逆变器出现后，PWM算法的研究就从二电平