矩陣變換器

矩陣變換器國外的研究發展

1976年，矩陣式變換器的概念和電路拓撲形式由L.Gyugyi和 B.R.Pelly首先提出[10]。1979年義大利學者M.Ventutini和A.Alesina證明這種頻率變換器的存在，促進了矩陣式變換器的迅速發展。他們首先在理論上證明了N相輸入、P相輸出的矩陣式逆變器的實現條件，同時給出了一種電壓控制策略，這種控制策略雖然解決了矩陣式變換器的諧波問題，但也有輸出輸入電壓比小於0.5的嚴重缺陷[11]。進入20世紀80年代後期，隨著電力電子技術和計算機控制技術的發展，矩陣變換器的研究工作越來越被人們所重視。為了解決M．Venturini和A．Alesina控制方案的不足，先後有許多學者對矩陣變換器進行了一系列的研究，並從不同的角度提出了不同的控制方案。國外對於矩陣變換器的研究進入大發展階段。

1989年，日本學者J. Oyama等提出了一種最大最小輸入電壓調製技術[12]。該技術認為輸出電壓最小的相總是與輸入電壓最小的相相連，其餘兩相則利用PWM 調製技術對輸入電壓進行調製，輸出線電壓的最大值總是等於最大輸入線電壓函數的最小值，即輸出線電壓總是在輸入線電壓的包絡線之內。同年，還有南斯拉夫學者L．Huber和美國學者D．Borojevic提出了基於電壓空間矢量調製技術的方法[13]。該方法是根據矩陣變換器的功率開關狀態，定義出輸入電流和輸出電壓的六邊形開關狀態矢量，然後，按輸入矢量在任意時刻由其相鄰的兩開關矢量合成，得到每一採樣周期內的開關導通比，該技術已發展成為較成熟的技術。Huber和D. Borojivic進一步提出了一種基於空間向量調製技術的PWM技術[14]，最大電壓傳輸比可達到0.866，並通過實驗樣機帶三相感應電機運行，證明採用空間向量調製法的矩陣變換器與理論分析相一致，即具有輸入功率因數逼近於1，輸出電壓可調頻調幅等特點；A. Ishiguro和T. Furuhashi提出輸入雙線電壓瞬時值法[15]，其調製實質即任何時刻輸出電壓為兩個輸入線電壓合成，從理論分析知當輸入電流不對稱或含有高次諧波時，控制函數可以自動修正而不需要額外的計算量。這一點尤其適用於某些電網不夠穩定的場合。1992年C. L. Neft和C. D. Schauder 提出了一種應用於30馬力矩陣變換器的控制理論和實現方案 [16] ，這種方案是一種去除直流中間環節的逆變器方法的改進，它將控制策略分為“整流”和“逆變”兩部分，三種開關分別看作一種假想的電壓源逆變器。“整流”部分對於每一開關組分別有“正”“負”兩套開關函數。

矩陣變換器國內的研究現狀

我國交交矩陣變換器的研究起步較晚，大致從90年代開始，南京航空航天大學、上海大學、哈爾濱工業大學、清華大學、湘潭大學等單位先後在不同的基金贊助下，開展了這方面的研究工作，並達到了一定的水平。

1994年南京航空航天大學庄心復教授對交交矩陣變換器空間矢量調製原理進行模擬和實驗研究。1997年至98年穆新華在庄心復的指點下對交交矩陣變換器雙電壓合成原理進行了模擬研究。1997年，上海大學基於空間矢量調製原理和80C196KC單片機研製了用IGBT作為功率開關的交交矩陣變換器實驗裝置，綜合指標達到國際先進水平。1998年西安交通大學王汝文教授等對斬波調製和交交矩陣變換器控制的普遍性問題進行了研究，提出了一種功率因數可調，輸入電流和輸出電壓為正弦的調製函數。1999年，哈爾濱工業大學陳學允、陳希有等專家建立了交交矩陣變換器的等效電路，得到了輸入電流、功率因數、電壓增益、輸出阻抗等性能指標的解析表達式。同年，陳希有在其博士論文中對非對稱輸入條件下三相矩陣式變換器的諧波進行了研究。為解決坐標變法電壓傳輸比低的問題，引進線—線換流法和改進的線—線換流法，減少了輸出諧波，並將電壓傳輸比提高到0.866。同時對幾種不同類型的調製策略在非對稱輸入下的諧波狀況進行了分析。還有上海大學朱賢龍博士以Saber軟體為實驗平台建立了基於空間矢量調製策略的三相/三相矩陣式變換器的模擬模型，提出了一種優化控制方法，簡化了調製過程，並降低了開關損耗。在此基礎上，提出了一種三相交交矩陣變換器的優化實現方案。在適當犧牲電流波形的基礎上，使功率因數可以達到或高於具有直流濾波電感的通用交直交變換器。隨後，陳希有等對雙電壓合成的交交矩陣變換器控制技術進行了兩點改進：一是實現無功功率的正負調節；二是改善了在非對稱輸入電壓情況下的輸入電流波形。2000年湘潭大學開始交交矩陣變換器的研究，取得了一定的成績，建立了交交矩陣變換器的模擬模型，製作了實驗樣機。2004年清華大學孫凱等對矩陣變換器在電源異常時的運行性能進行了分析，製作了實驗樣機。他們的研究成果對交交矩陣變換器的分析與設計具有較大的指導意義。

矩陣式變換器的控制策略

目徠前，矩陣式變換器的調製策略可以主要分為以下三種：

(1) 直接變換法：直接變換法是通過對輸入電壓的連續斬波來合成“輸出電壓”的，它可以分為坐標變換法、諧波注入法、等效電導法及標量法，所有這些方法雖各有一定的優越性，但也存在一定的問題，限制了它們的應用範圍。如標量法的輸入相電流波形較好，但輸出諧波較大。

(2) 電流跟蹤法。這種方法將三相輸出電流信號與實測的輸出電流信號相比較，根據比較結果和當前的開關電源狀態決定開關動作，它具有容易理解、實現簡單、響應快、魯棒性好等特點，但也有滯環電流共有的缺點：開關頻率不夠穩定、諧波隨機分佈，且輸入電流波形不夠理想、存在較大的諧波等。

(3) 空間矢量調製技術，又稱為間接變換法、交—直—交等效變換法，是基於空間矢量變換的一種方法，它將交—交變換虛擬為交直和直交變換，這樣便可採用目前流行的高頻整流和高頻PWM波形合成技術，變換器的性能可以得到較大的改善。當然具體實現時是將整流和逆變一步完成的，低次諧波得到了較好的抑制，但控制方案較為複雜，缺少有效的動態理論分析支持。它是目前在矩陣式變換器中研究較多也是較為成熟的一種控制策略，比較有發展前途。這種調製策略既能控制輸出波形，又能控制輸入電流波形，可改變輸入功率因數，是目前最具有前途的一種調製策略。