摘要：在目前各領(lǐng)域?qū)τ陔娔苻D(zhuǎn)換特別是高效變頻裝置存在迫切需求的背景下，在詳細(xì)分析模塊化的矩陣式變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、開關(guān)狀態(tài)和工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套矩陣式變流器的控制策略。采用編程實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化控制，并利用PSIM仿真軟件對所設(shè)計(jì)的控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證，仿真結(jié)果證實(shí)，所設(shè)計(jì)的控制策略具有變頻特性良好、諧波含量少、波形正弦性好等優(yōu)勢。該矩陣式變流器控制策略對高性能電力電子裝置設(shè)計(jì)具有實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：矩陣式變流器；模塊化設(shè)計(jì)；直接交交變流；變頻器

中圖分類號：TM46" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）08-0060-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.08.015

0" " 引言

隨著近年來科技的迅速發(fā)展，各領(lǐng)域?qū)﹄娔艿男枨笠苍诓粩嗵岣?，對電能的高效變換和精確控制提出了更高要求，特別是對于高性能變頻裝置的需求[1]。對于交流電的變頻，目前通常采用的是交-直-交的電能變換方案，即先將電網(wǎng)的交流電能用整流器變?yōu)橹绷麟?，?jīng)過直流支撐電容后再利用后端逆變器變?yōu)樗璧慕涣麟?。此類?直-交變換器有許多缺點(diǎn)，比如采用大電容濾波導(dǎo)致功率因數(shù)低下、容易造成輸入交流電流嚴(yán)重畸變、可靠性低下、不利于實(shí)現(xiàn)設(shè)備小型化設(shè)計(jì)等。

矩陣式變換器是一種高效的直接交交變頻裝置，其不含有直流環(huán)節(jié)。矩陣式變流器具有結(jié)構(gòu)小、布局緊湊、能量能雙向流動(dòng)、輸出交流電頻率、幅值和相位均可自由調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合當(dāng)前各領(lǐng)域?qū)τ谧冾l裝置的需求，具有較高的研究價(jià)值和廣泛的應(yīng)用場景[2]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對于矩陣式變流器的控制方式有了一些研究，主要有直接控制法、空間矢量控制、電流滯環(huán)控制等。直接控制法的優(yōu)點(diǎn)是能自由控制輸入或輸出波形，但存在計(jì)算量大、計(jì)算步驟繁雜等缺點(diǎn)，因此直接控制法難以在微處理器上實(shí)現(xiàn)[3-4]；空間矢量控制的優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)且穩(wěn)定性好，例如采用虛擬逆變無扇區(qū)的控制方式實(shí)現(xiàn)矩陣變流器控制，可將傳統(tǒng)算法的36種狀態(tài)簡化到18種從而簡化計(jì)算[5]；也有學(xué)者研究將滯環(huán)控制等方式引入矩陣式變換器中，結(jié)合零矢量補(bǔ)償?shù)姆绞絹韮?yōu)化對電流的控制，但是滯環(huán)控制本身存在開關(guān)頻率不確定、難以數(shù)字化實(shí)現(xiàn)等問題[6]。

本文首先分析了矩陣式變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種穩(wěn)定可靠的矩陣式變流器控制策略，使其輸出電壓可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，并采用仿真驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)控制策略的可行性。

1" " 矩陣式變流器基本原理

1.1" " 矩陣式變流器拓?fù)?/p>

矩陣式變流器的結(jié)構(gòu)非常適合模塊化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)任意相輸入和任意相輸出。以常見的三相輸入、三相輸出為例，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，共有3×3=9個(gè)開關(guān)結(jié)構(gòu)，每個(gè)開關(guān)處由一個(gè)交流電子開關(guān)構(gòu)成。一個(gè)交流電子開關(guān)一般采用反向串聯(lián)的2個(gè)全控器件模塊組成，如圖2所示。

每個(gè)交流電子開關(guān)可以使輸出端和任意輸入端相連接，從而使得矩陣變流器的控制十分自由，可以實(shí)現(xiàn)良好的控制特性。同時(shí)，矩陣式變流器的每一個(gè)交流電子開關(guān)都是相同的模塊，當(dāng)調(diào)整輸入或輸出相數(shù)時(shí)只需要添加相同的模塊，而不用重新設(shè)計(jì)變流器拓?fù)?，符合模塊化的發(fā)展趨勢。

1.2" " 矩陣式變換器開關(guān)狀態(tài)

矩陣式變流器的所有開關(guān)狀態(tài)可以寫成：

式中：Sij表示矩陣變流器中輸出為i、輸入為j的開關(guān)狀態(tài)，輸出i∈{A，B，C}，輸入j∈{a，b，c}，Sij∈{1，0}。例如SAb表示輸出為A相、輸入為b相的開關(guān)。

當(dāng)某個(gè)開關(guān)Sij為0時(shí)，兩個(gè)IGBT均為關(guān)斷狀態(tài)；當(dāng)為1時(shí)，根據(jù)當(dāng)時(shí)電流的流向，V1或V2有一個(gè)為1，另一個(gè)為0。公式（1）中共有29種開關(guān)狀態(tài)，但是由于矩陣變流器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，有如下約束：

（1）從輸入端看，兩個(gè)輸入端不可以同時(shí)接到同一個(gè)輸出端，否則輸入端會短路；

（2）每一個(gè)輸出端都需要始終和一個(gè)輸入端連接，避免輸出端上的感性負(fù)載開路。

所以開關(guān)回路有以下約束方程：

2" " 矩陣式變流器控制策略

2.1" " 控制策略分析

根據(jù)1.2的分析，矩陣式變換器的開關(guān)狀態(tài)如表1所示。

能夠滿足約束條件的開關(guān)狀態(tài)共有21種，如表1所示。其中“1”表示對應(yīng)位置開關(guān)導(dǎo)通，“0”表示對應(yīng)位置開關(guān)截止。對于表中每一種狀態(tài)，矩陣式變流器有唯一一種開關(guān)狀態(tài)與之對應(yīng)，該開關(guān)狀態(tài)的效果如表最后一列所示。如第一行的開關(guān)狀態(tài)“100 100 010”，即將輸入的a相同時(shí)接到輸出的A相和B相；將輸入的b相接到輸出的C相；輸入的c相不接，因此也可以用“aab”來表示該開關(guān)狀態(tài)。

2.2" " 矩陣式變流器控制策略實(shí)現(xiàn)

矩陣式變流器在實(shí)際控制中可進(jìn)一步看成一個(gè)三相橋式整流電路和一個(gè)三相橋式逆變電路的組合，但在直流回路中不存在直流支撐電容，因此直流母線電壓是實(shí)時(shí)變化的。矩陣式變流器等效電路圖如圖3所示。

矩陣式變流器的控制策略如圖4所示，三相輸入電壓經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器后，計(jì)算出虛擬的母線電壓值，然后和經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器的輸出電流結(jié)合，得到矩陣式變流器的開關(guān)狀態(tài)。由于每一種開關(guān)狀態(tài)和唯一一種變流器狀態(tài)對應(yīng)，因此可以直接從開關(guān)狀態(tài)得到變流器18個(gè)開關(guān)器件的具體通斷情況。

3" " 仿真與分析

3.1" " PSIM仿真軟件

PSIM（Power Simulation）軟件是一款電力電子及電機(jī)控制領(lǐng)域?qū)ｉT的仿真軟件，可以實(shí)現(xiàn)對電力電子電路的主電路進(jìn)行快速搭建，對控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。采用PSIM自帶的C block或DLL鏈接庫模塊，可以利用C語言實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字化控制系統(tǒng)的電力電子電路的仿真。

本次矩陣式變流器的仿真電路如圖5所示。

本次仿真中，各個(gè)器件的主要參數(shù)如表2所示。

3.2" " 仿真結(jié)果與結(jié)果分析

利用3.1的仿真模型對矩陣式變流器進(jìn)行仿真，輸出電流的輸出有效值為23.1 A，頻率為20 Hz，實(shí)現(xiàn)了對交流輸入的變頻控制。各相電流之間相位相差120°。三相電流的仿真波形如圖6所示。

利用PSIM的FFT分析工具對輸出A相電流iA的諧波分布情形進(jìn)行分析，F(xiàn)FT結(jié)果表明相電流中諧波含量較少，主要集中在100/140/220/260 Hz附近，即5次和7次諧波、11次和13次諧波處，隨諧波次數(shù)增加，諧波含量明顯減少。FFT分析結(jié)果如圖7所示。

4" " 結(jié)語

本文對模塊化的矩陣式變流器的工作原理進(jìn)行了詳細(xì)分析，在此基礎(chǔ)上，基于數(shù)字控制器設(shè)計(jì)了矩陣式變流器的控制策略。利用PSIM仿真工具驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)控制策略的有效性，所設(shè)計(jì)的控制策略能夠輸出指定頻率和幅值的三相電流，輸出電流相位準(zhǔn)確、電流畸變小，仿真結(jié)果證明了所設(shè)計(jì)的方法的有效性。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 康鳴.單相電流型高頻鏈矩陣式電力電子變壓器及其解結(jié)耦調(diào)制[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2020.

[2] 劉釗，葉曙光，張倩，等.矩陣式雙向變流器改進(jìn)型換流策略[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2015，35（3）：108-113.

[3] 范博然，王奎，李永東，等.基于模塊化多電平矩陣變流器的可調(diào)速抽水蓄能系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2018，33（S2）：511-518.

[4] 黃科元.矩陣式變換器的空間矢量調(diào)制及其應(yīng)用研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2004.

[5] 唐釀，肖湘寧，陳征，等.矩陣變流器虛擬逆變側(cè)無扇區(qū)調(diào)制算法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（9）：79-85.

[6] 蔡灝.基于電流滯環(huán)控制的矩陣變換器的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2007.

收稿日期：2023-01-06

作者簡介：學(xué)江煜（1993—），男，福建泉州人，助教，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。