关于矩阵式变换器现状和发展的思考

李文艳　何小辉

【摘 要】矩阵式变换器（MC）是一种基于双向开关并采用脉宽调制得到期望输出电压的电力变换装置，因具有不需要中间直流储能环节， 对任意负载均可实现单位输入侧功率因数等优势而成为电力电子技术研究的热点之一。论文主要分析了矩阵式变换器的研究背景、国内外发展现状和存在的问题以及矩形变换器的当前研究热点，并根据分析提出了具有原创性的新研究方法。

【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.

【关键词】矩形变换器 ；新研究方法 ；编译原理

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

【中图分类号】TP212 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）03-0153-02

1 矩阵式变换器的研究背景

随着工业电气自动化的不断进步发展，以及对节能和环保要求的提高，传统的变频装置已无法满足工作要求。当前，尽管已有成熟的高性能交-直-交型变频装置在市场上出现，但是仍有许多方面存在不足：输入侧功率因数较低，对电网谐波污染严重；含有大电容或大电感作为直流储能环节，体积重量大；在电动机制动运行时，能量一般消耗在制动电阻上，从而在化工厂、酒精厂等生产危险品的工业场所，其中大容量制动电阻可能引起火灾，引发安全事故。

传统的交-交型变频电路缺点是：功率晶闸管多、接线复杂、输出频率范围窄（只能是电网频率的1/3～1/2）、采用相控整流，功率因数低，只能用于大容量低速重载调速场合。

矩陣式变换器作为现有交-直-交型PWM变频器和传统交-交变频电路的一种补充和替代技术，已成为电力电子技术研究的热点之一，并在军事和工程上有着广泛的应用前景。其优于传统交流电力变换装置的特性：输入与输出电流品质好；电能的直接双向流通；对任意负载均可实现输入侧功率因数为1；不需要作为直流储能环节的电感或电容，电路结构紧凑，体积小。

矩阵式变换器（MC）是一种基于双向开关并采用脉宽调制得到期望输出电压的电力变换装置，可以产生交流和直流电压。

2 矩阵变换器的研究现状

下面就矩阵变换器的研究状况及相关问题概述如下：

2.1调制方法

矩阵式变换器和双向开关的概念最早由L.Gyugyi和 B.R.Pelly于1976年提出。意大利学者Venturini和Alesina 于1980年提出了一种调制方法，输出电压最大值为输入电压的0.5倍，且输入功率因数控制受限，后来他们又提出了一种提高电压传输比的方法[1]，使得电压传输比提高到0.866，这就是为大家熟知的优化Venturini方法。

在1983年，Rodriguez提出了间接传递函数法。间接传递函数法是在理论上将矩阵式变换器等效为一个整流器和逆变器的虚拟连接。在逆变阶段 ，最大电压传输比能达到1.053。不过高的电压传输比是以电源电流和负载电压低频畸变为代价的。从 1989 年到 1995 年，Huber 和 Borojevic 在其论文中提出了矩阵变换器的空间矢量脉宽调制策略。Casadeietal提出了占空比空间矢量法，最大电压传输比能达到1.155，开关损耗较大[2]。目前在矩阵变换器的研究中绝大多数采用空间矢量调制算法。另外，还有基于数学构造的调制方法、预测电流控制法、双电压控制法等，以及非正常条件下的调制策略和控制方法，如2001 年L. Zhang等提出了通过注入低次谐波来补偿直流母线电压的波动，从而消除不对称输入电压对输出的影响；基于空间矢量调制的前馈补偿控制策略；采用实时矢量幅值之比计算电压调制系数的方法；闭环控制来改善输出电流波形；基于自抗扰技术的闭环控制法[3]。

2.2 换流策略

国内外学者对该问题进行了深入研究，提出了许多换流方法，大致上可分为两类：一种是基于输出电流方向的电流型换流法。该方法控制简单，占用资源少，但换流时间长且小，电流检测困难，易引发换流失败；电流两步换流法与一步换流法改善了四步法的缺点，缩短了换流时间，但是由于需要在每个开关管两端加装电压检测电路，硬件电路复杂，成本较高。另一种是基于输入电压大小的电压型换流法。此外还有混合换流法、重叠换流法、死区换流法等。

2.3 矩阵变换器的拓扑结构

主要的有间接矩阵变换器或两级矩阵变换器，为了减少开关数量出现的稀疏、极稀疏和非常稀疏矩阵变换器，他们的电压传输比也小于1，最大能达到0.866；在高压、大功率应用中的三级输出阶段间接矩阵转换器和间接三级稀疏矩阵转换器，最大电压传输比都小于1； 为了得到电压传输比大于1，提出的组合矩阵变换器（MMC）、混合矩阵变换器、交流矩阵电抗斩波器（MRC）、矩阵电抗频率变换器（MRFC）。不管是矩阵电抗频率变换器还是级联连接，在整个输入或输出频率周期内，矩阵电抗斩波器和MC中的电抗元件存储能量为零，这是最大的不同于混合MC的地方。

2.4 矩阵变换器的样机及产品研制

一系列不同功率等级的矩阵变换器实验样机和产品开始出现，具有代表性的是：美国西屋电气公司、日本富士电机公司、日本安川电机。目前产品的最高容量已达6MVA/6.6kV。国内交-交矩阵变换器的研究开始较晚，大致从20世纪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、中南大学、华中科技大学等，在矩阵变换器研究中均有样机制作。

3 矩阵式变换器存在的问题与研究热点

鉴于矩阵变换器包含数学模型复杂，控制烦琐，开关多，因此采用适当的调制策略，并将其加以实现，保证系统稳定可靠地运行，在矩阵式变换器的实际应用中至关重要，而且负载侧的干扰可以直接反映到输入侧，严重时会造成对电网的谐波污染；电压利用率较低，如果想得到大于1的电压利用率，输出电压和输入电流波形又存在低频畸变；当电网电压出现输入不平衡、波形畸变、电压跌落甚至是瞬时断电时，只能依靠对输入电压的检测，根据一定的调制算法控制变换器正常工作，其及时性和可靠性均不理想。

4 新的研究方法

在过去的几年里，很多实验室研究都致力于提出新的控制策略来提高负载电压幅值。当前的控制策略，电压传输比等于0.866，大于1的输出电压和输入电流波形又存在低频畸变。为了得到电压传输比大于1，在拓扑结构上，几种混合解决方案被提出，包括：组合矩阵变换器（MMC）、级联矩阵变换器和矩阵电抗频率变换器（MRFC）。所以研究一种简化的控制算法，若能提高电压传输比更好，进一步降低输入电流谐波并提高电网电压非正常情况下的控制精度和反应速度，可以加速矩阵变换器的工业化和军事化应用。

如果将三相-三相矩阵式变换器交流调速系统作为研究对象，以编译原理、解析几何、线性代數、Z变换、傅里叶级数等为基础，通过充分利用编译原理处理各种数据的强大能力和各种数学知识对数据的分析和运算能力，寻求矩阵式变换器调制策略的创新和突破，构造出基于直接传递函数法的全新的调制算法，实现计算量、功率因数控制、开关功率损耗、输入电流谐波、电网电压非正常情况的处理等各项指标的综合考虑，使得系统稳定可靠地运行，将会具有非常重大的意义。研究内容主要包括：深入研究编译原理算法，这里要用编译原理算法去融合三相-三相矩阵式变换器交流调速系统的控制算法，实际上就是在设计一个特定的编译器了，创新性和突破性很高的同时意味着难度也很高。所以必须对编译原理算法有深入的理解方能实现跨学科融合；建立编译原理算法与三相-三相矩阵式变换器交流调速系统的对应关系；把连续对象投入到编译计算中去，在编译原理中，连续对象是等待着一个值的一组程序。

综上所述，如果能按照这个方法去研究矩阵变换器的调制策略，将会为该研究领域注入新的活力，为矩阵变换器的工业化提供强大的推动力。

【参考文献】

【1】孙凯. 矩阵式变换器技术及其应用[M].北京： 机械工业出版社，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.