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矩阵式变换技术发展综述 |
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作者：瞿自霞 李芝娟 佘致廷 |
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1、引言
随着电力电子技术的发展，电力电子器件从20世纪60年代的SCR（晶闸管）发展到HVIGBT（耐高压绝缘栅双极型晶体管）。继VVVF变频之后出现了矢量控制变频、直接转矩控制变频，其共同缺点是输入功率因数低，直流回路需要耐高压大容量的储能电容，再生能量不能回馈电网。矩阵式交—交变频能克服以上不足，近年来越来越受到人们的广泛关注。
与传统的交—直—交变频器和交—交变频器相比，矩阵式变频器有如下几方面的显著特点：
（1）输出电压幅值和频率可独立控制，输出频率可以高于、低于输入频率，理论上可以达到任意值；
（2）在某些控制规律下，输入功率因数角能够灵活调节达到0.99以上，并可自由调节，可超前、滞后或调至接近于单位功率因数角；
（3）采用四象限开关，可以实现能量双向流动；
（4）没有中间储能环节，结构紧凑，效率高；
（5）输入电流波形好，无低次谐波；
（6）具有较强的可控性。
矩阵变换器的控制策略包括开关函数S的确定、实现和安全换流，开关函数的确定方法有直接变换法、空间矢量调制法[1]和滞环电流跟踪法，目前空间矢量调制法研究的比较成熟。在换流方法的研究上有四步法、三步法、两步法、软开关换流。
2、拓扑结构的发展
矩阵变换器的电路拓扑形式在1976年由L.Gyllglli提出。直到1979年，M.Venturini和A.Alesina[7]首先提出了由9个功率开关组成的矩阵式交—交变换器结构，并指出矩阵式变换器的输入功率因素角是可以任意调节的，但后来发现这种变换器存在固有极限，最大电压增益为0.866，并且与控制算法无关。由于矩阵式变换器的主回路采用9个双向开关，还存在着双向开关的实现与保护问题，其难点在于开关换流时，既不能有死区又不能有交叠，否则，任何一种情况都将导致开关管的损坏。为了实现安全换流，N.Burany提出了一种四步换流策略，可实现半软开关换流。
2.1 拓扑结构
矩阵变换器最初提出时指的是M相输入变换到N相输出的一般化结构，因此曾被称为通用变换器。根据M、N取值的不同及输入输出端电源性质的不同，人们提出了许多拓扑结构
（1）由三相交流变换到两组直流，或者一组可变换极性的直流；
（2）从三相交流变换到单相交流；
（3）从单一直流变换到三相交流，也就是通常所说的逆变器；
（4）由交流三相变换到交流三相，它的输入输出端之间采用双向开关互相连接，即9开关矩阵变换器，它是研究得最多的一种拓扑；
（5）由交流三相变换到交流三相，但输入输出端之间采用3个全控桥进行连接，称为电压源型矩阵变换器。它的结构比9开关矩阵变换器复杂，但性能更优。
三相输入、三相输出的交—交矩阵变换器电路拓扑结构如图1所示。 
图1 交—交矩阵式变换器拓扑结构
它含有9个双向开关，通过对其逻辑控制，可实现对电源电压和频率的变换，以向负载提供幅值和频率可调的电压和电流。
2.2 元器件的发展历程
矩阵变换器元器件的发展充分体现了电力电子技术的进步和发展趋势。总的说来，主要经历了以下几个过程
（1）双向功率器件的研究[8]
由于矩阵变换器所要求的双向功率器件目前并不存在，于是就研究利用其他电力电子器件来合成双向开关。已知的合成方法有：在整流桥内嵌入全控开关；并联电流开关；串联电压开关；共集电极反并联全控开关；共发射极反并联全控开关。
在制造矩阵变换器的双向开关常见的有共发射极结构如图2所示。
图2 共射极双向开关电路
（2）功率模块的研究
采取与IGBT模块类似的做法，将多个双向开关器件集成在一块硅片上，有的甚至将保护电路、触发电路也集成在一块，使得变换器的体积减小，重量下降。
（3）装置集成的研究
将功率器件或模块、驱动电路、保护电路、电源都集成在一起，形成所谓的功率电子积木（PEBBPower Electronics Building Blocks）。它使得整个变换器装置的体积进一步减少，更重要的是，它使变换器的可靠性大大提高，而损耗变得很少。
3、矩阵式变换器的调制策略
目前，矩阵变换器的调制策略常用开关函数矩阵来描述，开关函数的确定即矩阵式变换器调制策略主要有以下三种方法：
（1）直接变换法
是通过对输入电压的连续斩波来合成输出电压，它可分为坐标变换法、谐波注入法、双电压瞬时值控制法。这些方法虽各有一定的优点，但也存在其不足，如坐标变换法矩阵变换器的输出电压偏低；谐波注入法计算量大，开关状态复杂，对控制系统要求很高。
（2）间接变换法
此法可称为交—直—交等效变换法、空间矢量调制法。目前在矩阵式变换器中研究较多也较为成熟。它将交—交变换虚拟为交—直和直—交变换，等效为整流和逆变，其具体实现时整流和逆变是一步完成的，低次谐波得到了较好的抑制。其控制方案较为复杂，缺少有效的动态分析支持。在此基础上，丹麦学者Christian Klumpner等人研究出一种多边形磁链调制法，这也是一种基于间接调制模型的新型调制方法。在采样期间，只用到逆变阶段的一个有效矢量和一个零矢量，使得定子磁链误差达到最小；而在整流阶段，按照输入电流参考矢量角误差最小的原则，只选单个电流矢量。因此，在采样期间，就可以减少开关的次数，尤其在低频调制阶段，可以提高输出电压的精度；同时又可以对输入电流矢量进行直接控制。该方法由于磁链按多边形投影，而多边形非常接近圆，因而使得电机漏磁减到最少。其主要优点有可以准确估计输入电流；直接控制输入电流矢量角；减少开关次数，提高脉冲分辨率；提高输入端开关频率。
（3）电流控制法
它以输出电压为控制目标，一般要求电流为对称正弦量，因此变换器输出电流要跟踪给定电流呈正弦变化。它有两种基本实现方法：滞环电流控制法和预测电流控制法。
● 滞环电流跟踪法是将三相输出电流信号与实测的输出电流信号相比较，根据比较结果和当前的开关电源状态决定开关动作，它具有容易理解、实现简单、响应快、鲁棒性好等优点，但开关频率不够稳定，谐波随机分布，且输入电流波形不够理想，存在较大的谐波等。
● 预测电流控制法的基本思想是 利用变换器下一开关周期的期望电流值和当前的实际电流值可以计算出符合电流变化的变换器输出电压矢量，然后在变换器的虚拟逆变器中运用空间矢量法合成这一输出电压矢量，就可以达到跟踪输出电流的目的，但复杂性和计算量将有所增加。
以上所有这些调制策略均各有其优越性，不同程度地存在问题，而影响这些方法研究应用的深度和广度，在不同的场合下侧重点不同，应采用不同的调制策略来进行研究。
4、矩阵式变换器的技术最新进展
矩阵变换器从1976年提出到现在30年的时间了。国外已有不少文献提出矩阵变换器的实验样机，但是还没有真正进入实用的报道。目前变换器的最大输出功率可达20kW，控制手段主要采用TMS320C30、C40数字信号处理器，80386微机及PLD器件。这方面做得比较好的是Aalborg大学矩阵变换器项目组。
上个世纪80年代末、90 年代初，南斯拉夫学者L.H-uber和美国D.Borojevic教授、日本学者A.I.Shiguro和T.Funjhashi教授、以及韩国学者W.H.Kwon和G.H.Cha等人的研究，使矩阵变换器的理论和控制技术逐渐走向成熟。L.Heber和D.Borojevic提出了一种基于空间矢量调制技术的PWM技术。
A.I.Shiguro和T.Furuhashi提出的双线电压瞬时值法。韩国学者W.H.Kwon和G.H.Cha对假设MC由非理想电流源和电压源组成，利用DQ电路变换技术对实用升压九开关MC的动、静态特性进行了分析，为MC的分析提供了有效的方法。1994年弗吉尼亚电力电子中心年会上展出了输入端具有功率因数校正（PFC）的三相一三相矩阵变换器，该变换器采用数字信号处理器（DSP）实现空间矢量调制，最大输出2kW，开关频率20kHz，用MOSFET器件，负载为2kW的感应电动机，输入端功率因数为0.99，输出电压、输入电流均为正弦。1995～1996年，Peter．Nilsen 在他的博士论文中，以SIEMENS C166为控制器做出了试验装置，对矩阵式变换器的外围电路进行了一系列研究。 1998～1999年，1999～2000年，Christan两次作为访问学者在美国也研究出了一套装置，并对输入电压不平衡时，人工负载下矩阵式变换器的控制策略进行了研究。
我国在矩阵变换器方面的研究开始的较晚，基本上从20世纪90年代开始，南京航空航天大学，西安交通大学，上海大学，哈尔滨工业大学先后开展了这方面的研究工作，取得了令人瞩目的成绩，达到了一定的水平。1992年，南京航空航天大学的庄心复教授采用空间矢量调制法分析直—交和交—直变换器，合成后求得交一交变换器的调制方法，并以一台32位数字信号处理器TMS32014作为控制器，设计并制作了一台实验样机。1998年，上海大学的陈伯时、陆海慧等通过把矩阵变换器等效为交一直一交变换器，利用逆变器中广泛采用的空间矢量PWM调制技术，并利用8OC196KC作为控制器，以IGBT作为开关器件，采用四步换流的方法，成功的制作出了三相交一交矩阵变换器的实验装置，综合指标达到了国际先进水平。南京航空航天大学的穆新华等对A.I．Shigur所提出的双电压瞬时值控制技术进行了仔细的分析整理，提出了原点开关的概念，使其开关状态的转换和电流合成过程规律化，并通过仿真计算验证了其正确性。2000年，哈尔滨工业大学陈学允、陈希有等建立了矩阵变换器的等效电路，得到了输入电流、功率因素、电压增益、输出阻抗等性能指标的解析表达式。1999～2000 年，福州大学对电流滞环的矩阵式变换器进行了一系列研究。2001年，华中科技大学也提出了一种新型的三相—三相的矩阵式变换器。上海大学陈伯时提出了输入非平衡时改善输入电流谐波的调制策略。2002年，浙江大学的贺益康等提出了矩阵变换器在风力发电方面的应用，国外也早在1997年有文章提到。清华大学邓毅晟等提出了用DSP和PLD实现四步换流。2003年，湘潭大学朱建林等开始研究提高矩阵变换器电压传输比。
总的来看，目前世界范围内矩阵式变换器的研制还停留在理论研究和实验室样机阶段，尚未形成实用化的成熟产品。我国的矩阵式变换器的研究工作无论在理论上还是在实际研制上，与国际领先水平相比，都还有不小的差距。
目前矩阵变换器的研究热点主要在两个方面：
（1）在理论研究方面，继续探讨电压传输比的提高和新型调制策略，还可以结合智能控制的有关理论，如模糊控制、神经网络控制、自适应控制、模糊神经网络控制等进行研究；
（2）在实际应用研究方面是将其实用化和工业化，例如可靠换流实现及保护、双向开关的实现与封装以及输入滤波器的设计等。
5、矩阵变频器的应用前景
矩阵变换器由于具有输入电流为正弦量、双向功率流动、输入功率因数可调等优越性能，其应用研究与前景可从几个方面来探讨：
（1）应用于转速较低的传动系统
矩阵变换器的电压传输比受到一定限制，在输出频率较高时会出现输出电压不足的现象，不太适合调速范围较高的场合；它不需要更换电解电容的，因而可以在低频大功率变频调速系统中长时间可靠工作。
（2）作为电源产品
与目前的电源产品相比，矩阵变换器有一定优越性，如功率因数高、无中间储能环节、结构紧凑寿命长，在这方面，矩阵式变换器的研究有良好的市场前景。
（3）用于高压大功率变换
在需要高压的场合，可以将矩阵式变换器串联使用，达到高压大功率输出的目的。
（4）用于功率因数校正
由于矩阵式变换器的输入功率因数可以任意调节，其调制策略和实现技术在某些场合可以用于校正电路的功率因数。由于它具有柔性变换能力，可以作为一种通用的电力变换器来实现电力变压器的某些性能，作为无功补偿器来提高电网利用率。
矩阵变换器在风力发电、热电机组直流电源、感应电动机调速、电力系统应用（如统一潮流控制器UPFC）以其优越的性能都可以做些可行的应用研究。
6、结束语
矩阵式交—交变频器作为一种具有优良控制性能和发展前途的新型变频电源。它的研究工作在国内外引起了广泛的重视，己经取得了较大的成果。虽然矩阵式变换器依然存在很多的问题有待进一步解决如输出电压传输比低是矩阵式变换器存在的主要缺点；如IGBT成本较高、控制电路较复杂，适合用于大功率的应用场合。然而，矩阵变换器可以在变频调速中的应用研究既可产生节能的重大经济效益，又避免了因谐波污染带来电力系统环保问题，是一种“绿色”的变换器。随着研究的不断深入，电力电子器件和应用技术以及微机控制技术的发展，控制理论的日益完善，成本的不断降低，矩阵式变换器必将以其独特的优点在未来产品化方面形成优势，日益接近实用化。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(12/3/2007) |
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