關(guān)于矩陣式變換器現(xiàn)狀和發(fā)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(guān)并采用脈寬調(diào)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(huán)節(jié)， 對任意負(fù)載均可實(shí)現(xiàn)單位輸入側(cè)功率因數(shù)等優(yōu)勢而成為電力電子技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。論文主要分析了矩陣式變換器的研究背景、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和存在的問題以及矩形變換器的當(dāng)前研究熱點(diǎn)，并根據(jù)分析提出了具有原創(chuàng)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(guān)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(xiàn)標(biāo)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(yè)電氣自動(dòng)化的不斷進(jìn)步發(fā)展，以及對節(jié)能和環(huán)保要求的提高，傳統(tǒng)的變頻裝置已無法滿足工作要求。當(dāng)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(xiàn)，但是仍有許多方面存在不足：輸入側(cè)功率因數(shù)較低，對電網(wǎng)諧波污染嚴(yán)重；含有大電容或大電感作為直流儲能環(huán)節(jié)，體積重量大；在電動(dòng)機(jī)制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，能量一般消耗在制動(dòng)電阻上，從而在化工廠、酒精廠等生產(chǎn)危險(xiǎn)品的工業(yè)場所，其中大容量制動(dòng)電阻可能引起火災(zāi)，引發(fā)安全事故。

傳統(tǒng)的交-交型變頻電路缺點(diǎn)是：功率晶閘管多、接線復(fù)雜、輸出頻率范圍窄（只能是電網(wǎng)頻率的1/3～1/2）、采用相控整流，功率因數(shù)低，只能用于大容量低速重載調(diào)速場合。

矩陣式變換器作為現(xiàn)有交-直-交型PWM變頻器和傳統(tǒng)交-交變頻電路的一種補(bǔ)充和替代技術(shù)，已成為電力電子技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一，并在軍事和工程上有著廣泛的應(yīng)用前景。其優(yōu)于傳統(tǒng)交流電力變換裝置的特性：輸入與輸出電流品質(zhì)好；電能的直接雙向流通；對任意負(fù)載均可實(shí)現(xiàn)輸入側(cè)功率因數(shù)為1；不需要作為直流儲能環(huán)節(jié)的電感或電容，電路結(jié)構(gòu)緊湊，體積小。

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

2 矩陣變換器的研究現(xiàn)狀

下面就矩陣變換器的研究狀況及相關(guān)問題概述如下：

2.1調(diào)制方法

矩陣式變換器和雙向開關(guān)的概念最早由L.Gyugyi和 B.R.Pelly于1976年提出。意大利學(xué)者Venturini和Alesina 于1980年提出了一種調(diào)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(shù)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(yōu)化Venturini方法。

在1983年，Rodriguez提出了間接傳遞函數(shù)法。間接傳遞函數(shù)法是在理論上將矩陣式變換器等效為一個(gè)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(dá)到1.053。不過高的電壓傳輸比是以電源電流和負(fù)載電壓低頻畸變?yōu)榇鷥r(jià)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(diào)制策略。Casadeietal提出了占空比空間矢量法，最大電壓傳輸比能達(dá)到1.155，開關(guān)損耗較大[2]。目前在矩陣變換器的研究中絕大多數(shù)采用空間矢量調(diào)制算法。另外，還有基于數(shù)學(xué)構(gòu)造的調(diào)制方法、預(yù)測電流控制法、雙電壓控制法等，以及非正常條件下的調(diào)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(bǔ)償直流母線電壓的波動(dòng)，從而消除不對稱輸入電壓對輸出的影響；基于空間矢量調(diào)制的前饋補(bǔ)償控制策略；采用實(shí)時(shí)矢量幅值之比計(jì)算電壓調(diào)制系數(shù)的方法；閉環(huán)控制來改善輸出電流波形；基于自抗擾技術(shù)的閉環(huán)控制法[3]。

2.2 換流策略

國內(nèi)外學(xué)者對該問題進(jìn)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(shí)間長且小，電流檢測困難，易引發(fā)換流失??；電流兩步換流法與一步換流法改善了四步法的缺點(diǎn)，縮短了換流時(shí)間，但是由于需要在每個(gè)開關(guān)管兩端加裝電壓檢測電路，硬件電路復(fù)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(qū)換流法等。

2.3 矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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(guān)數(shù)量出現(xiàn)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(dá)到0.866；在高壓、大功率應(yīng)用中的三級輸出階段間接矩陣轉(zhuǎn)換器和間接三級稀疏矩陣轉(zhuǎn)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(lián)連接，在整個(gè)輸入或輸出頻率周期內(nèi)，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(jī)及產(chǎn)品研制

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

3 矩陣式變換器存在的問題與研究熱點(diǎn)

鑒于矩陣變換器包含數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，控制煩瑣，開關(guān)多，因此采用適當(dāng)?shù)恼{(diào)制策略，并將其加以實(shí)現(xiàn)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，在矩陣式變換器的實(shí)際應(yīng)用中至關(guān)重要，而且負(fù)載側(cè)的干擾可以直接反映到輸入側(cè)，嚴(yán)重時(shí)會造成對電網(wǎng)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(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)輸入不平衡、波形畸變、電壓跌落甚至是瞬時(shí)斷電時(shí)，只能依靠對輸入電壓的檢測，根據(jù)一定的調(diào)制算法控制變換器正常工作，其及時(shí)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(shí)驗(yàn)室研究都致力于提出新的控制策略來提高負(fù)載電壓幅值。當(dāng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，幾種混合解決方案被提出，包括：組合矩陣變換器（MMC）、級聯(lián)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(jìn)一步降低輸入電流諧波并提高電網(wǎng)電壓非正常情況下的控制精度和反應(yīng)速度，可以加速矩陣變換器的工業(yè)化和軍事化應(yīng)用。

如果將三相-三相矩陣式變換器交流調(diào)速系統(tǒng)作為研究對象，以編譯原理、解析幾何、線性代數(shù)、Z變換、傅里葉級數(shù)等為基礎(chǔ)，通過充分利用編譯原理處理各種數(shù)據(jù)的強(qiáng)大能力和各種數(shù)學(xué)知識對數(shù)據(jù)的分析和運(yùn)算能力，尋求矩陣式變換器調(diào)制策略的創(chuàng)新和突破，構(gòu)造出基于直接傳遞函數(shù)法的全新的調(diào)制算法，實(shí)現(xiàn)計(jì)算量、功率因數(shù)控制、開關(guān)功率損耗、輸入電流諧波、電網(wǎng)電壓非正常情況的處理等各項(xiàng)指標(biāo)的綜合考慮，使得系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，將會具有非常重大的意義。研究內(nèi)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(diào)速系統(tǒng)的控制算法，實(shí)際上就是在設(shè)計(jì)一個(gè)特定的編譯器了，創(chuàng)新性和突破性很高的同時(shí)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(shí)現(xiàn)跨學(xué)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(diào)速系統(tǒng)的對應(yīng)關(guān)系；把連續(xù)對象投入到編譯計(jì)算中去，在編譯原理中，連續(xù)對象是等待著一個(gè)值的一組程序。

綜上所述，如果能按照這個(gè)方法去研究矩陣變換器的調(diào)制策略，將會為該研究領(lǐng)域注入新的活力，為矩陣變換器的工業(yè)化提供強(qiáng)大的推動(dòng)力。

【參考文獻(xiàn)】

【1】孫凱. 矩陣式變換器技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京： 機(jī)械工業(yè)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.