馮芬，張卡飛，鄭亞麗（臥龍電氣集團杭州研究院有限公司，浙江杭州310051）

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一種應用于高壓變頻器的新型矩陣變換技術

馮芬，張卡飛，鄭亞麗
（臥龍電氣集團杭州研究院有限公司，浙江杭州310051）

摘要：提出了一種基于單向開關的新型矩陣變換器拓撲方案。變換器采用IGBT器件代替二極管器件實現電壓型整流，通過IGBT器件的電流雙向流動特性實時地將負載的瞬時無功功率回饋至電網。這省去了大容量的直流母線儲能電容，降低了變換器的成本，同時實現4象限運行。本新型矩陣變換技術主要側重于整流側IGBT開關控制技術研究和輸入側濾波器設計，通過理論計算和實驗驗證了此新型矩陣變換技術可替代傳統的交-直-交功率單元，在級聯多電平的高壓變頻器上具有應用前景。

關鍵詞：矩陣變換器；高壓變頻；單向開關

單元串聯多電平型高壓變頻器仍是國內外高壓變頻市場的主流，如圖1所示，該類型中高壓變頻器采用多個低壓的功率單元串聯實現高壓，輸入側的降壓變壓器采用移相方式，可有效消除對電網的諧波污染，輸出側采用多電平正弦PWM技術，可適用于任何電壓的普通電動機。

圖1　級聯型高壓變頻器主電路結構Fig.1 The main topology of cascade high voltage driver

其功率單元的拓撲如圖2a所示，主要缺點是功率單元器件數目多，體積較大，特別是功率單元中的直流母線上需要提供大容量的電容，為負載提供無功能量。而電解電容存在體積大，壽命短，對溫度要求高的缺點，是變頻器產品中最易受損的器件之一。

為了克服這一缺點，有學者提出了使用矩陣變換器代替?zhèn)鹘y逆變器單元，避免直流母線電容的使用，并能實現變換器的4象限運行。

矩陣變換器（MC）是一種基于雙向開關的新型的交-交電源變換器，可以實現交流電諸參數（相數、相位、幅值、頻率）的變換。傳統三相-三相矩陣變換器如圖2b所示，它由9個雙向開關組成，每個雙向開關均具有雙向導通和雙向關斷的功能。9個雙向開關按照3×3的矩陣進行排列，通過雙向開關的導通與關斷，三相交流輸入中的任意一相可以直接連接至三相交流輸出中的任意一相，實現能量的雙向流動。矩陣式變換器的輸入側還需要三相電感電容（LC）濾波器，濾除輸入電流中的高頻開關諧波。

目前，傳統矩陣變換器技術已經被研究并應用于高壓變頻器中，但相應的研究仍然較少。同時采用雙向開關后的矩陣變換器需要較多的控制信號，同時每次換流均需要進行多步換流，增加了高壓變換器系統的控制復雜度。

綜上，基于雙向開關的傳統矩陣變換器和級聯型功率單元中存在的各自缺點，本文旨在研究一種應用于級聯型高壓變頻器中的三相-單相矩陣變換器的解決方案。

1　新型三相-單相矩陣變換器的拓撲

本文提出的基于單向開關的新型矩陣變換器，如圖2c所示。該電路由前級電流型整流和后級電壓型逆變串聯而成，整流電路采用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）來作為單向開關，整流電路中的IGBT在每個輸入電源電周期中連續(xù)開通120°，開關頻率等于電源頻率，因此整流部分的IGBT損耗很小，后級的逆變采用傳統SPWM調制。變換器輸入側還包括1個LC濾波器，用于吸收變換器的高頻電流分量。

與圖2a所示的傳統級聯型高壓變頻器中的單元相比，傳統單元采用直流母線電容來吸收負載的瞬時無功分量；而本新型拓撲通過IGBT器件的電流雙向流動特性實時地將負載的瞬時無功功率回饋至電網，所以大容量的直流母線儲能電容被省略，系統的復雜度和成本均被降低。

圖2　3種變換器拓撲比較Fig.2 Three topologies of converter

2　新型矩陣變換器控制策略

如圖2c所示的單元電路，在控制上可以分為前級AC/DC電流型整流器，以及后級AC/DC電壓型逆變器。前級AC/DC整流器中的開關管在每個周期內分別導通120°角度。為了便于描述，在1個輸入電壓周期內，將線電壓劃分6個扇區(qū)，如圖3所示。扇區(qū)內各開關管的開關信號如表1所示。當線電壓過零時，整流側才進行IGBT器件的開關狀態(tài)切換；以扇區(qū)6向扇區(qū)2切換為例，當Vab=0時，Sap管關斷，Sbp管開通；且由于Sap與Sbp屬于2個不同的橋臂，所以2個開關管換流過程時幾乎不需要增加死區(qū)。最終，按照表1的開關狀態(tài)，可知，理想情況下虛擬直流母線PN點之間的電壓為線電壓的包絡線。

圖3　6大扇區(qū)劃分規(guī)則圖Fig.3 The rules of six sectors

表1　扇區(qū)及其對應開關驅動信號列表Tab.1　 Sectors and its driver signals

此外，考慮各狀態(tài)之間的換流，負載電流和網側電流的續(xù)流回路，需要在整流進線ABC端和虛擬直流母線NP端分別增加電容。

后級DC/AC電路采用傳統型電平移向載波的SPWM控制，如圖4所示。由于開關頻率高，且控制方式實現了對直流母線電壓脈動分量的補償，最終直流母線的脈動不會造成輸出電壓的畸變。

圖4　后級逆變驅動信號Fig.4　 Driver signal of the behind inverter circuit

當新型矩陣變換器應用于級聯型高壓結構中時，每個單元的輸入整流器通過采樣其單元輸入電壓，來確定各自的開關時序。而每個單元的逆變側采用基于載波移相的級聯多電平調制方式。三單元級聯的矩陣多電平各單元載波之間相位相差60°。

3　輸入側LC濾波器設計

矩陣變換器通過直接將網側與輸出側相連，實現能量在網側與負載間的直接傳輸（不經過中間電容）。所以，矩陣變換器的輸入側電流具有大量的開關次高頻分量，如果不對這些高頻分量進行濾波，則網側變壓器的溫度將升高，最終損壞。

濾波器的設計主要需要考慮：濾波器截止頻率，濾波器阻尼系數，以及濾波器阻尼濾波電容紋波與阻尼電阻損耗。

最簡單的輸入濾波器為LC濾波，且在高壓級聯型矩陣變換器中，LC濾波器中的電感可使用移相變壓器的漏感代替，只需設計濾波電容C以及阻尼電阻。LC濾波器構成1個二階欠阻尼系統，它本身的阻尼系數很小幾乎為零，在受到輸出側諧波電流的影響下易導致濾波器的不穩(wěn)定（主要是L上電流、C上電壓發(fā)生震蕩），所以實際LC濾波器需在電感兩端并聯阻尼電阻Rf或在電容上串聯阻尼電阻Rf。在矩陣變換器中，在電容上串聯阻尼電阻Rf的方法較為可行。濾波器的單相等效電路如圖5所示，可得濾波器前后的電流iai與iaf之間的傳遞函數為

濾波的特征頻率fn及阻尼系數ζ分別為

最終選擇fn= fs/5≈800 Hz，ζ=0.27（即Rf= 5 Ω），輸入濾波器的頻率響應曲線如圖6所示。

圖5　濾波器的單相等效電路Fig.5 Single phase equivalent circuit of fillter

圖6　輸入濾波器的頻率響應曲線Fig.6 The frequency response chart of input fillter

另外在虛擬直流母線上增加Cd=20 μF的電容，來吸收逆變器所產生的高頻電流紋波。減小輸入濾波器的負擔。

4　矩陣變換單元在級聯型高壓變頻器中的應用

把這種新型的矩陣變換器應用于級聯型高壓變頻器中就能實現高壓輸出。每相各由5級如圖1所示的矩陣變換器功率單元構成；每個功率單元的額定虛擬直流母線電壓為1 000 V；級聯后得到的高壓變換器樣機可以實現6 kV的三相線電壓輸出；受測試條件所限，我們對樣機進行了電抗器負載和空載電機測試。

圖7給出了電抗器負載測試下的各波形，其中圖7a給出了單元W1在電抗器負載測試下的輸入單元電壓及直流母線電壓。此時功率單元的輸入電壓正弦性較好，但是仍存在一定的開關次高頻分量。這些高頻分量在正弦波頂部與直流母線上的反應最為明顯。

圖7b給出了電抗器負載測試下的單元W1輸出電壓與單元輸出電流。由于測試所使用的電抗器阻抗較小，為了限制矩陣變換器的輸出電流，所以必須減小矩陣變換器的輸出電壓，即減小其調制比。圖7c給出了W相輸出電壓與輸出電流波形，此時調制比較小，所以輸出相電壓只有1個臺階，不呈現多電平特性。

圖7　功率單元帶載電壓電流Fig.7 Input current and voltage curves of power modular on load

空載電機測試結果如圖8所示。圖8a給出了樣機額定輸出6 kV/50 Hz時的單元W1、單相W及輸出線電壓的波形。輸出相電壓與線電壓均為臺階狀SPWM波形且相電壓為9電平，與理論分析相符。圖8b給出了樣機V/f控制下30 Hz時的輸出相電壓波形，此時電壓調制比為0.55，輸出相電壓退化為5個臺階的SPWM波形。

圖8　功率單元空載輸入電壓電流Fig.8 Input current and voltage of power modular with motor on load

5　結論

綜上，應用于級聯型高壓變頻器的矩陣變換器，利用高壓變頻器中的移相變壓器二次繞組本身的阻抗作為矩陣變換器的輸入濾波器的一部分，減小了矩陣變換器輸入濾波電路體積，后級逆變輸出電壓波形為SPWM波，整機串聯移相疊加后，整機輸出電壓波形為完美正弦波，與目前多電平高壓變頻器中的功率單元輸出性能基本一致。單個變換器單元輸入電流含有低次諧波，但由于移相SPWM技術的應用，2N-1次以下的諧波可以抵消實測整機的輸入電流波形小于4%的輸入電流諧波標準。

綜合以上測試，矩陣變換器的實驗結果與理論分析較為一致。本次課題所實現的級聯型高壓矩陣變換器最終實現6 kV三相電壓輸出，且輸出電壓、電流均具有較小的THD，可用于中高壓電機的拖動。

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修改稿日期：2015-11-09

New Matrix Converter Technology Used in High Voltage Converter

FENG Fen，ZHANG Kafei，ZHENG Yali
（Wolong Hangzhou Research institute Co.，Ltd.，Hangzhou 310051，Zhejiang，China）

Abstract:A new AC-AC matrix converter with unidirectional switch was proposed. IGBTs were used to realize AC rectify and DC converter instead of Diods. The instantaneous reactive power of the load was fed back to the grid through the IGBT′s bidirectional current flow characteristics in real time. It did not require any dc-link capacitor so the complexity and cost of the system were reduced，and it could be run four quadrants. The emphases of the new converter study was IGBT unidirectional switch control mode of rectifier and the design of LCR. It is proved by calculation and some tests that this new converter can replace the traditional power unit，and it would be wildly used in cascaded high voltage converter.

Key words:matrix converter；high voltage converter；unidirectional switch

收稿日期：2015-05-15

作者簡介：馮芬（1978-），女，碩士，Email：fengfen@wolong.com

中圖分類號：TM464

文獻標識碼：A