矩陣式變換技術(shù)的發(fā)展綜述
| 1、引言 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子器件從20世紀(jì)60年代的SCR（晶閘管）發(fā)展到HVIGBT（耐高壓絕緣柵雙極型晶體管）。繼VVVF變頻之后出現(xiàn)了矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻，其共同缺點是輸入功率因數(shù)低，直流回路需要耐高壓大容量的儲能電容，再生能量不能回饋電網(wǎng)。矩陣式交—交變頻能克服以上不足，近年來越來越受到人們的廣泛關(guān)注。 與傳統(tǒng)的交—直—交變頻器和交—交變頻器相比，矩陣式變頻器有如下幾方面的顯著特點： （1）輸出電壓幅值和頻率可獨立控制，輸出頻率可以高于、低于輸入頻率，理論上可以達到任意值； （2）在某些控制規(guī)律下，輸入功率因數(shù)角能夠靈活調(diào)節(jié)達到0.99以上，并可自由調(diào)節(jié)，可超前、滯后或調(diào)至接近于單位功率因數(shù)角； （3）采用四象限開關(guān)，可以實現(xiàn)能量雙向流動； （4）沒有中間儲能環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)緊湊，效率高； （5）輸入電流波形好，無低次諧波； （6）具有較強的可控性。 矩陣變換器的控制策略包括開關(guān)函數(shù)S的確定、實現(xiàn)和安全換流，開關(guān)函數(shù)的確定方法有直接變換法、空間矢量調(diào)制法[1>和滯環(huán)電流跟蹤法，目前空間矢量調(diào)制法研究的比較成熟。在換流方法的研究上有四步法、三步法、兩步法、軟開關(guān)換流。 2、拓撲結(jié)構(gòu)的發(fā)展 矩陣變換器的電路拓撲形式在1976年由L.Gyllglli提出。直到1979年，M.Venturini和A.Alesina[7>首先提出了由9個功率開關(guān)組成的矩陣式交—交變換器結(jié)構(gòu)，并指出矩陣式變換器的輸入功率因素角是可以任意調(diào)節(jié)的，但后來發(fā)現(xiàn)這種變換器存在固有極限，******電壓增益為0.866，并且與控制算法無關(guān)。由于矩陣式變換器的主回路采用9個雙向開關(guān)，還存在著雙向開關(guān)的實現(xiàn)與保護問題，其難點在于開關(guān)換流時，既不能有死區(qū)又不能有交疊，否則，任何一種情況都將導(dǎo)致開關(guān)管的損壞。為了實現(xiàn)安全換流，N.Burany提出了一種四步換流策略，可實現(xiàn)半軟開關(guān)換流。 2.1 拓撲結(jié)構(gòu) 矩陣變換器最初提出時指的是M相輸入變換到N相輸出的一般化結(jié)構(gòu)，因此曾被稱為通用變換器。根據(jù)M、N取值的不同及輸入輸出端電源性質(zhì)的不同，人們提出了許多拓撲結(jié)構(gòu) （1）由三相交流變換到兩組直流，或者一組可變換極性的直流； （2）從三相交流變換到單相交流； （3）從單一直流變換到三相交流，也就是通常所說的逆變器； （4）由交流三相變換到交流三相，它的輸入輸出端之間采用雙向開關(guān)互相連接，即9開關(guān)矩陣變換器，它是研究得最多的一種拓撲； （5）由交流三相變換到交流三相，但輸入輸出端之間采用3個全控橋進行連接，稱為電壓源型矩陣變換器。它的結(jié)構(gòu)比9開關(guān)矩陣變換器復(fù)雜，但性能更優(yōu)。 三相輸入、三相輸出的交—交矩陣變換器電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 交—交矩陣式變換器拓撲結(jié)構(gòu) 它含有9個雙向開關(guān)，通過對其邏輯控制，可實現(xiàn)對電源電壓和頻率的變換，以向負載提供幅值和頻率可調(diào)的電壓和電流。 2.2 元器件的發(fā)展歷程 矩陣變換器元器件的發(fā)展充分體現(xiàn)了電力電子技術(shù)的進步和發(fā)展趨勢。總的說來，主要經(jīng)歷了以下幾個過程 （1）雙向功率器件的研究[8> 由于矩陣變換器所要求的雙向功率器件目前并不存在，于是就研究利用其他電力電子器件來合成雙向開關(guān)。已知的合成方法有：在整流橋內(nèi)嵌入全控開關(guān)；并聯(lián)電流開關(guān)；串聯(lián)電壓開關(guān)；共集電極反并聯(lián)全控開關(guān)；共發(fā)射極反并聯(lián)全控開關(guān)。 在制造矩陣變換器的雙向開關(guān)常見的有共發(fā)射極結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 共射極雙向開關(guān)電路 （2）功率模塊的研究 采取與IGBT模塊類似的做法，將多個雙向開關(guān)器件集成在一塊硅片上，有的甚至將保護電路、觸發(fā)電路也集成在一塊，使得變換器的體積減小，重量下降。 （3）裝置集成的研究 將功率器件或模塊、驅(qū)動電路、保護電路、電源都集成在一起，形成所謂的功率電子積木（PEBBPower Electronics Building Blocks）。它使得整個變換器裝置的體積進一步減少，更重要的是，它使變換器的可靠性大大提高，而損耗變得很少。 3、矩陣式變換器的調(diào)制策略 目前，矩陣變換器的調(diào)制策略常用開關(guān)函數(shù)矩陣來描述，開關(guān)函數(shù)的確定即矩陣式變換器調(diào)制策略主要有以下三種方法： （1）直接變換法 是通過對輸入電壓的連續(xù)斬波來合成輸出電壓，它可分為坐標(biāo)變換法、諧波注入法、雙電壓瞬時值控制法。這些方法雖各有一定的優(yōu)點，但也存在其不足，如坐標(biāo)變換法矩陣變換器的輸出電壓偏低；諧波注入法計算量大，開關(guān)狀態(tài)復(fù)雜，對控制系統(tǒng)要求很高。 （2）間接變換法 此法可稱為交—直—交等效變換法、空間矢量調(diào)制法。目前在矩陣式變換器中研究較多也較為成熟。它將交—交變換虛擬為交—直和直—交變換，等效為整流和逆變，其具體實現(xiàn)時整流和逆變是一步完成的，低次諧波得到了較好的抑制。其控制方案較為復(fù)雜，缺少有效的動態(tài)分析支持。在此基礎(chǔ)上，丹麥學(xué)者Christian Klumpner等人研究出一種多邊形磁鏈調(diào)制法，這也是一種基于間接調(diào)制模型的新型調(diào)制方法。在采樣期間，只用到逆變階段的一個有效矢量和一個零矢量，使得定子磁鏈誤差達到最??；而在整流階段，按照輸入電流參考矢量角誤差最小的原則，只選單個電流矢量。因此，在采樣期間，就可以減少開關(guān)的次數(shù)，尤其在低頻調(diào)制階段，可以提高輸出電壓的精度；同時又可以對輸入電流矢量進行直接控制。該方法由于磁鏈按多邊形投影，而多邊形非常接近圓，因而使得電機漏磁減到最少。其主要優(yōu)點有可以準(zhǔn)確估計輸入電流；直接控制輸入電流矢量角；減少開關(guān)次數(shù)，提高脈沖分辨率；提高輸入端開關(guān)頻率。 （3）電流控制法 它以輸出電壓為控制目標(biāo)，一般要求電流為對稱正弦量，因此變換器輸出電流要跟蹤給定電流呈正弦變化。它有兩種基本實現(xiàn)方法：滯環(huán)電流控制法和預(yù)測電流控制法。 ● 滯環(huán)電流跟蹤法是將三相輸出電流信號與實測的輸出電流信號相比較，根據(jù)比較結(jié)果和當(dāng)前的電源 target=_blank>開關(guān)電源狀態(tài)決定開關(guān)動作，它具有容易理解、實現(xiàn)簡單、響應(yīng)快、魯棒性好等優(yōu)點，但開關(guān)頻率不夠穩(wěn)定，諧波隨機分布，且輸入電流波形不夠理想，存在較大的諧波等。 ● 預(yù)測電流控制法的基本思想是 利用變換器下一開關(guān)周期的期望電流值和當(dāng)前的實際電流值可以計算出符合電流變化的變換器輸出電壓矢量，然后在變換器的虛擬逆變器中運用空間矢量法合成這一輸出電壓矢量，就可以達到跟蹤輸出電流的目的，但復(fù)雜性和計算量將有所增加。 以上所有這些調(diào)制策略均各有其優(yōu)越性，不同程度地存在問題，而影響這些方法研究應(yīng)用的深度和廣度，在不同的場合下側(cè)重點不同，應(yīng)采用不同的調(diào)制策略來進行研究。 4、矩陣式變換器的技術(shù)最新進展 矩陣變換器從1976年提出到現(xiàn)在30年的時間了。國外已有不少文獻提出矩陣變換器的實驗樣機，但是還沒有真正進入實用的報道。目前變換器的******輸出功率可達20kW，控制手段主要采用TMS320C30、C40數(shù)字信號處理器，80386微機及PLD器件。這方面做得比較好的是Aalborg大學(xué)矩陣變換器項目組。 上個世紀(jì)80年代末、90 年代初，南斯拉夫?qū)W者L.H-uber和美國D.Borojevic教授、日本學(xué)者A.I.Shiguro和T.Funjhashi教授、以及韓國學(xué)者W.H.Kwon和G.H.Cha等人的研究，使矩陣變換器的理論和控制技術(shù)逐漸走向成熟。L.Heber和D.Borojevic提出了一種基于空間矢量調(diào)制技術(shù)的PWM技術(shù)。 A.I.Shiguro和T.Furuhashi提出的雙線電壓瞬時值法。韓國學(xué)者W.H.Kwon和G.H.Cha對假設(shè)MC由非理想電流源和電壓源組成，利用DQ電路變換技術(shù)對實用升壓九開關(guān)MC的動、靜態(tài)特性進行了分析，為MC的分析提供了有效的方法。1994年弗吉尼亞電力電子中心年會上展出了輸入端具有功率因數(shù)校正（PFC）的三相一三相矩陣變換器，該變換器采用數(shù)字信號處理器（DSP）實現(xiàn)空間矢量調(diào)制，******輸出2kW，開關(guān)頻率20kHz，用MOSFET器件，負載為2kW的感應(yīng)電動機，輸入端功率因數(shù)為0.99，輸出電壓、輸入電流均為正弦。1995～1996年，Peter．Nilsen 在他的博士論文中，以SIEMENS C166為控制器做出了試驗裝置，對矩陣式變換器的外圍電路進行了一系列研究。 1998～1999年，1999～2000年，Christan兩次作為訪問學(xué)者在美國也研究出了一套裝置，并對輸入電壓不平衡時，人工負載下矩陣式變換器的控制策略進行了研究。 我國在矩陣變換器方面的研究開始的較晚，基本上從20世紀(jì)90年代開始，南京航空航天大學(xué)，西安交通大學(xué)，上海大學(xué)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)先后開展了這方面的研究工作，取得了令人矚目的成績，達到了一定的水平。1992年，南京航空航天大學(xué)的莊心復(fù)教授采用空間矢量調(diào)制法分析直—交和交—直變換器，合成后求得交一交變換器的調(diào)制方法，并以一臺32位數(shù)字信號處理器TMS32014作為控制器，設(shè)計并制作了一臺實驗樣機。1998年，上海大學(xué)的陳伯時、陸?；鄣韧ㄟ^把矩陣變換器等效為交一直一交變換器，利用逆變器中廣泛采用的空間矢量PWM調(diào)制技術(shù)，并利用8OC196KC作為控制器，以IGBT作為開關(guān)器件，采用四步換流的方法，成功的制作出了三相交一交矩陣變換器的實驗裝置，綜合指標(biāo)達到了國際先進水平。南京航空航天大學(xué)的穆新華等對A.I．Shigur所提出的雙電壓瞬時值控制技術(shù)進行了仔細的分析整理，提出了原點開關(guān)的概念，使其開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換和電流合成過程規(guī)律化，并通過仿真計算驗證了其正確性。2000年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)陳學(xué)允、陳希有等建立了矩陣變換器的等效電路，得到了輸入電流、功率因素、電壓增益、輸出阻抗等性能指標(biāo)的解析表達式。1999～2000 年，福州大學(xué)對電流滯環(huán)的矩陣式變換器進行了一系列研究。2001年，華中科技大學(xué)也提出了一種新型的三相—三相的矩陣式變換器。上海大學(xué)陳伯時提出了輸入非平衡時改善輸入電流諧波的調(diào)制策略。2002年，浙江大學(xué)的賀益康等提出了矩陣變換器在風(fēng)力發(fā)電方面的應(yīng)用，國外也早在1997年有文章提到。清華大學(xué)鄧毅晟等提出了用DSP和PLD實現(xiàn)四步換流。2003年，湘潭大學(xué)朱建林等開始研究提高矩陣變換器電壓傳輸比。 總的來看，目前世界范圍內(nèi)矩陣式變換器的研制還停留在理論研究和實驗室樣機階段，尚未形成實用化的成熟產(chǎn)品。我國的矩陣式變換器的研究工作無論在理論上還是在實際研制上，與國際領(lǐng)先水平相比，都還有不小的差距。 目前矩陣變換器的研究熱點主要在兩個方面： （1）在理論研究方面，繼續(xù)探討電壓傳輸比的提高和新型調(diào)制策略，還可以結(jié)合智能控制的有關(guān)理論，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等進行研究； （2）在實際應(yīng)用研究方面是將其實用化和工業(yè)化，例如可靠換流實現(xiàn)及保護、雙向開關(guān)的實現(xiàn)與封裝以及輸入濾波器的設(shè)計等。 5、矩陣變頻器的應(yīng)用前景 矩陣變換器由于具有輸入電流為正弦量、雙向功率流動、輸入功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)越性能，其應(yīng)用研究與前景可從幾個方面來探討： （1）應(yīng)用于轉(zhuǎn)速較低的傳動系統(tǒng) 矩陣變換器的電壓傳輸比受到一定限制，在輸出頻率較高時會出現(xiàn)輸出電壓不足的現(xiàn)象，不太適合調(diào)速范圍較高的場合；它不需要更換電解電容的，因而可以在低頻大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)中長時間可靠工作。 （2）作為電源產(chǎn)品 與目前的電源產(chǎn)品相比，矩陣變換器有一定優(yōu)越性，如功率因數(shù)高、無中間儲能環(huán)節(jié)、結(jié)構(gòu)緊湊壽命長，在這方面，矩陣式變換器的研究有良好的市場前景。 （3）用于高壓大功率變換 在需要高壓的場合，可以將矩陣式變換器串聯(lián)使用，達到高壓大功率輸出的目的。 （4）用于功率因數(shù)校正 由于矩陣式變換器的輸入功率因數(shù)可以任意調(diào)節(jié)，其調(diào)制策略和實現(xiàn)技術(shù)在某些場合可以用于校正電路的功率因數(shù)。由于它具有柔性變換能力，可以作為一種通用的電力變換器來實現(xiàn)電力變壓器的某些性能，作為無功補償器來提高電網(wǎng)利用率。 矩陣變換器在風(fēng)力發(fā)電、熱電機組直流電源、感應(yīng)電動機調(diào)速、電力系統(tǒng)應(yīng)用（如統(tǒng)一潮流控 |
