矩阵变换器

用于交流电诸参数的设备

矩阵式变换器是一种新型的交－交电源变换器。可以实现交流电诸参数（相数、相位、幅值、频率）的变换。和传统的变换器相比，它具有如下优点：不需要中间直流储能环节；能够四象限运行；具有优良的输入电流波形和输出电压波形；可自由控制的功率因数。矩阵式变换器已成为电力电子技术研究的热点之一，并有着广泛的应用前景。

矩阵变换器国外的研究发展

1976年，矩阵式变换器的概念和电路拓扑形式由L.Gyugyi和 B.R.Pelly首先提出[10]。1979年意大利学者M.Ventutini和A.Alesina证明这种频率变换器的存在，促进了矩阵式变换器的迅速发展。他们首先在理论上证明了N相输入、P相输出的矩阵式逆变器的实现条件，同时给出了一种电压控制策略，这种控制策略虽然解决了矩阵式变换器的谐波问题，但也有输出输入电压比小于0.5的严重缺陷[11]。进入20世纪80年代后期，随着电力电子技术和计算机控制技术的发展，矩阵变换器的研究工作越来越被人们所重视。为了解决M．Venturini和A．Alesina控制方案的不足，先后有许多学者对矩阵变换器进行了一系列的研究，并从不同的角度提出了不同的控制方案。国外对于矩阵变换器的研究进入大发展阶段。

1989年，日本学者J. Oyama等提出了一种最大最小输入电压调制技术[12]。该技术认为输出电压最小的相总是与输入电压最小的相相连，其余两相则利用PWM 调制技术对输入电压进行调制，输出线电压的最大值总是等于最大输入线电压函数的最小值，即输出线电压总是在输入线电压的包络线之内。同年，还有南斯拉夫学者L．Huber和美国学者D．Borojevic提出了基于电压空间矢量调制技术的方法[13]。该方法是根据矩阵变换器的功率开关状态，定义出输入电流和输出电压的六边形开关状态矢量，然后，按输入矢量在任意时刻由其相邻的两开关矢量合成，得到每一采样周期内的开关导通比，该技术已发展成为较成熟的技术。Huber和D. Borojivic进一步提出了一种基于空间向量调制技术的PWM技术[14]，最大电压传输比可达到0.866，并通过实验样机带三相感应电机运行，证明采用空间向量调制法的矩阵变换器与理论分析相一致，即具有输入功率因数逼近于1，输出电压可调频调幅等特点；A. Ishiguro和T. Furuhashi提出输入双线电压瞬时值法[15]，其调制实质即任何时刻输出电压为两个输入线电压合成，从理论分析知当输入电流不对称或含有高次谐波时，控制函数可以自动修正而不需要额外的计算量。这一点尤其适用于某些电网不够稳定的场合。1992年C. L. Neft和C. D. Schauder 提出了一种应用于30马力矩阵变换器的控制理论和实现方案 [16] ，这种方案是一种去除直流中间环节的逆变器方法的改进，它将控制策略分为“整流”和“逆变”两部分，三种开关分别看作一种假想的电压源逆变器。“整流”部分对于每一开关组分别有“正”“负”两套开关函数。

矩阵变换器国内的研究现状

我国交交矩阵变换器的研究起步较晚，大致从90年代开始，南京航空航天大学、上海大学、哈尔滨工业大学、清华大学、湘潭大学等单位先后在不同的基金赞助下，开展了这方面的研究工作，并达到了一定的水平。

1994年南京航空航天大学庄心复教授对交交矩阵变换器空间矢量调制原理进行仿真和实验研究。1997年至98年穆新华在庄心复的指点下对交交矩阵变换器双电压合成原理进行了仿真研究。1997年，上海大学基于空间矢量调制原理和80C196KC单片机研制了用IGBT作为功率开关的交交矩阵变换器实验装置，综合指标达到国际先进水平。1998年西安交通大学王汝文教授等对斩波调制和交交矩阵变换器控制的普遍性问题进行了研究，提出了一种功率因数可调，输入电流和输出电压为正弦的调制函数。1999年，哈尔滨工业大学陈学允、陈希有等专家建立了交交矩阵变换器的等效电路，得到了输入电流、功率因数、电压增益、输出阻抗等性能指标的解析表达式。同年，陈希有在其博士论文中对非对称输入条件下三相矩阵式变换器的谐波进行了研究。为解决坐标变法电压传输比低的问题，引进线—线换流法和改进的线—线换流法，减少了输出谐波，并将电压传输比提高到0.866。同时对几种不同类型的调制策略在非对称输入下的谐波状况进行了分析。还有上海大学朱贤龙博士以Saber软件为实验平台建立了基于空间矢量调制策略的三相/三相矩阵式变换器的仿真模型，提出了一种优化控制方法，简化了调制过程，并降低了开关损耗。在此基础上，提出了一种三相交交矩阵变换器的优化实现方案。在适当牺牲电流波形的基础上，使功率因数可以达到或高于具有直流滤波电感的通用交直交变换器。随后，陈希有等对双电压合成的交交矩阵变换器控制技术进行了两点改进：一是实现无功功率的正负调节；二是改善了在非对称输入电压情况下的输入电流波形。2000年湘潭大学开始交交矩阵变换器的研究，取得了一定的成绩，建立了交交矩阵变换器的仿真模型，制作了实验样机。2004年清华大学孙凯等对矩阵变换器在电源异常时的运行性能进行了分析，制作了实验样机。他们的研究成果对交交矩阵变换器的分析与设计具有较大的指导意义。

矩阵式变换器的控制策略

矩阵式变换器的调制策略可以主要分为以下三种：

(1) 直接变换法: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”的，它可以分为坐标变换法、谐波注入法、等效电导法及标量法，所有这些方法虽各有一定的优越性，但也存在一定的问题，限制了它们的应用范围。如标量法的输入相电流波形较好，但输出谐波较大。

(2) 电流跟踪法。这种方法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、鲁棒性好等特点，但也有滞环电流共有的缺点：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。

(3) 空间矢量调制技术，又称为间接变换法、交—直—交等效变换法，是基于空间矢量变换的一种方法，它将交—交变换虚拟为交直和直交变换，这样便可采用流行的高频整流和高频PWM波形合成技术，变换器的性能可以得到较大的改善。当然具体实现时是将整流和逆变一步完成的，低次谐波得到了较好的抑制，但控制方案较为复杂，缺少有效的动态理论分析支持。它是在矩阵式变换器中研究较多也是较为成熟的一种控制策略，比较有发展前途。这种调制策略既能控制输出波形，又能控制输入电流波形，可改变输入功率因数，是最具有前途的一种调制策略。

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