潘海龍，黃 勇，楊軍明，張 微

（國網(wǎng)江西省電力公司宜春供電分公司，宜春 336000）

矩陣變換器（MC）是一種先進(jìn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功率變換器，具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無中間儲(chǔ)能環(huán)節(jié)、對(duì)電網(wǎng)諧波污染小、輸入電流和輸出電壓正弦、輸入功率因數(shù)可以為1并且可調(diào)節(jié)、輸出電壓幅值和頻率可調(diào)、能量可以雙向流動(dòng)等優(yōu)良特性。間接矩陣變換器（IMC）不僅具有這些優(yōu)點(diǎn)，而且由于克服了常規(guī)矩陣變換器（CMC）控制策略復(fù)雜、開關(guān)數(shù)量多等缺點(diǎn)，使其成為目前頗具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N新型矩陣變換器。IMC的關(guān)鍵技術(shù)主要包括主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、安全換流技術(shù)等。許多文獻(xiàn)對(duì)IMC的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究［1－4］：文獻(xiàn)［1-2］介紹了雙級(jí)矩陣變換器（TSMC）、稀疏矩陣變換器（SMC）、12開關(guān)矩陣變換器（VSMC）以及超稀疏矩陣變換器（USMC）等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；文獻(xiàn)［3］介紹了零電流換流技術(shù)；文獻(xiàn)［4］介紹了四步換流、兩步換流以及智能換流技術(shù)。

本文首先概括各種IMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及基本工作原理，對(duì)IMC現(xiàn)有的換流方法等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，并分析各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)對(duì)各種方法優(yōu)缺點(diǎn)的分析，將現(xiàn)有文獻(xiàn)中的換流方法分為四步換流、兩步換流、智能換流以及零電流換流等主要種類。最后根據(jù)這些關(guān)鍵技術(shù)的分類與優(yōu)缺點(diǎn)，為IMC的進(jìn)一步研究提供參考方向。

1 主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了簡(jiǎn)化IMC的結(jié)構(gòu)，減少開關(guān)器件的數(shù)量，降低裝置的功率損耗和控制難度，研究人員近年來提出了一些新型的電路拓?fù)?。?duì)現(xiàn)有IMC的分類如圖1所示。

圖1 間接矩陣變換器分類圖

1.1 雙級(jí)矩陣變換器（TSMC）

TSMC也稱為間接矩陣變換器（IMC），其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，包括由雙向開關(guān)組成的脈寬調(diào)制（PWM）整流器和由單向開關(guān)組成的PWM逆變器。

這種結(jié)構(gòu)雖然所用的電力電子器件數(shù)量與普通矩陣式變換器相同，但其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在一個(gè)可調(diào)制的直流環(huán)節(jié)，且省去了直流電容和電感，其調(diào)制策略和換流方法與普通三相－三相矩陣式變換器相比更為簡(jiǎn)單，但輸入和輸出性能與普通三相—三相矩陣式變換器相比無明顯差別。

圖2 TSMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 稀疏矩陣變換器（SMC）

文獻(xiàn)［2］推導(dǎo)出了SMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示。雖然由15個(gè)單向開關(guān)構(gòu)成的SMC與由18個(gè)單向開關(guān)構(gòu)成的TSMC在電路性能上相同，但在直流電流為正的情況下，顯然由15個(gè)單向開關(guān)構(gòu)成的電路傳導(dǎo)損耗要大于18開關(guān)TSMC電路。

圖3 SMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.3 12開關(guān)的稀疏矩陣變換器（VSMC）

文獻(xiàn)［2］還介紹了一種12開關(guān)的稀疏式矩陣變換器，也稱為VSMC，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 VSMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

VSMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與TSMC類似，包括由雙向開關(guān)組成的PWM整流器和單向開關(guān)組成的PWM逆變器。不同的是，在VSMC中的PWM整流器中，每個(gè)雙向開關(guān)采用的是二極管橋式結(jié)構(gòu)，包括1個(gè)IGBT與4個(gè)功率二極管。VSMC的工作原理與運(yùn)行性能與TSMC基本相同，也為普通三相－三相矩陣式變換器的一種衍生拓?fù)潆娐贰?/p>

1.4 超稀疏矩陣變換器（USMC）

USMC是TSMC的一種衍生拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［2］。USMC為9開關(guān)矩陣變換器，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。與TSMC相比，逆變側(cè)電路基本相同，而整流側(cè)電路中將可關(guān)斷器件的數(shù)量由12個(gè)減小為3個(gè)。雖然數(shù)量降到了最小值，但是仍可以保證較高的輸入輸出波形質(zhì)量。USMC的能量單相流通，而且輸入輸出的電壓電流的最大功率因數(shù)角被限制在±π／6。

圖5 USMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.5 其他新型矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

除此之外，文獻(xiàn)［4］提出了采用逆阻式IGBT的矩陣式變換器；文獻(xiàn)［1］提出了間接三電平矩陣變換器（Indirect Three-level MC）、全橋矩陣變換器（Full-Bridge MC）、混合矩陣變換器（Hybrid MC）等。不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開關(guān)數(shù)量表如表1所示。

表1 不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開關(guān)數(shù)量表

這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基本原理一致，并且在換流技術(shù)、調(diào)制策略等關(guān)鍵技術(shù)上具有相似性。因此，歸類的關(guān)鍵技術(shù)均適用于這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2 換流技術(shù)

2.1 四步換流策略

由于IMC電路中沒有電流的自然續(xù)流通路，使得開關(guān)器件之間的換流比傳統(tǒng)的交－直－交型PWM變頻器要復(fù)雜得多，并且IMC的換流控制必須嚴(yán)格遵守輸入側(cè)電路不能短路，輸出側(cè)電路不能開路的原則［4］。

根據(jù)換流步驟所依據(jù)的信息，矩陣變換器的四步換流策略分為基于輸出電流方向檢測(cè)的換流策略和基于換流電壓檢測(cè)兩種。

2.1.1 基于換流電壓檢測(cè)的四步換流策略

以SMC的兩橋臂為例，分析兩種四步換流步驟，如圖6所示。

圖6 四步換流步驟圖

該換流策略檢測(cè)換流電壓，并且以此作為四步換流的依據(jù)。假設(shè)某時(shí)刻負(fù)載電流流經(jīng)雙向開關(guān)（Spa，Sa），并將要從（Spa，Sa）換流到（Spb，Sb），且此時(shí)檢測(cè)uab＞0。在換流開始前，Spa和Sa均被提供導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)電壓，Spb和Sb均被提供關(guān)斷電壓。具體的換流步驟如下（以u(píng)ab＞0為例）：①開通Sb；②關(guān)斷Sa；③開通Spb；④關(guān)斷Spa，至此完成換流。具體換流時(shí)序如圖6（b）所示。

2.1.2 基于輸出電流方向檢測(cè)的四步換流策略

若采用基于輸出電流方向檢測(cè)的四步換流策略，ipn＞0時(shí)換流步驟為：①關(guān)斷Spa；②開通Sb；③關(guān)斷Sa；④開通Spb。具體換流時(shí)序如圖6（c）。

這種換流適用范圍廣，不僅適用于IMC，也適用于CMC。但缺點(diǎn)是算法復(fù)雜，不易于實(shí)現(xiàn)。

2.2 零電流換流

直流零電流換流是IMC的一個(gè)特點(diǎn)。當(dāng)輸入側(cè)開關(guān)換流時(shí)，先使逆變部分工作在零矢量狀態(tài)，直流電流為零，從而減少了開關(guān)損耗。在IMC空間矢量調(diào)制過程中，分別在逆變側(cè)合理地插入零矢量，即可實(shí)現(xiàn)輸入側(cè)零電流換流。故IMC零電流換流可應(yīng)用于多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的變頻調(diào)速系統(tǒng)。

USMC的零電流換流過程如圖7所示。在圖7（a）中，整流測(cè)Sa，Sc開通，整流級(jí)輸出的直流電壓upn＝uac，直流電流ipn＝－iC；圖7（b）中，逆變級(jí)輸出零電壓矢量V7，其三相輸出全部接到直流的p極，ipn為零，流經(jīng)整流電路的電流也為零。此時(shí)，對(duì)整流級(jí)的開關(guān)管進(jìn)行切換，關(guān)斷Sc，開通Sb。圖7（c）中為換流后的狀態(tài)，直流電壓由uac變成uab，由此即完成了USMC的零電流換流。

圖7 USMC零電流換流過程

零電流換流法與四步換流法相比，簡(jiǎn)單可靠、可以減小矩陣變換器的開關(guān)損耗，并且易于實(shí)現(xiàn)。

2.3 其他換流策略

文獻(xiàn)［4］中指出基于電流方向檢測(cè)的四步換流過程中只有第二、三步對(duì)負(fù)載電流的實(shí)際切換起作用，因此將另外兩步省去，即得到了兩步換流方法。通過檢測(cè)開關(guān)器件兩端電壓的方法獲取輸出電流方向信息，并據(jù)此提出了采用可編程邏輯器件的智能換流策略。

3 結(jié)語

本文首先介紹了不同＝間接矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作原理，并對(duì)應(yīng)用到間接矩陣變換器的換流方法等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了原理介紹，總結(jié)了這些關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。依據(jù)分析結(jié)果，可以從分析影響輸出波形質(zhì)量的參數(shù)、改進(jìn)優(yōu)化間接矩陣變換器的換流技術(shù)、完善各種工況下的輸出性能等方面對(duì)間接矩陣變換器進(jìn)行深入研究。

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