矩阵式变换器的研究

矩阵式变换器的研究随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展，电力半导体器件的性能不断提高，已从早期的半控型功率半导体开关，如普通晶闸管(SCR)发展到现在的全控型功率开关，如双极型晶体管(BJT)、门极可关断晶闸管(GTO)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、集成门极换向晶闸管(IGCT)、功率场效应晶体管(MOSFET)、场控晶闸管及后来的智能型功率模块(IPM)等。新功率半导体器件的不断出现，并结合计算机、智能控制技术的发展，推动了电力电子变流装置技术的迅速发展，产生了以脉宽调制(PWM)控制为基础的各种各样变流装置，在工业上获得了广泛的应用。目前，交流电力变换形式根据有无中间直流环节，交流电力变换器可分为交-直-交型和交-交型变换两种形式。交-直-交变换器存在着中间直流储能环节，根据所用的储能元件性能的不同，交-直-交变换器又可分为电压型和电流型两种，而交-交变换器主要包括传统交-交变频器和矩阵式变换器两种形式。尽管高性能的交-直-交变频装置的研发已取得了长久的进展，并已有成熟的产品在市场上出现。但是，随着工业电气自动化的不断进步，以及节能和环保要求的提高，目前占主导地位的交-直-交变频器仍有许多方面存在不足，电压源型的交直交变换器通常采用大电容滤波，使得即使是不可控整流，其输入功率因数也很低，一般最大只有 0.65 左右。整流器电容滤波电路是一种非线性元件和储能元件的组合，因此，虽然输入交流电压是正弦的，但输入交流电流波形却严重畸变1，呈脉冲状。输入电流含有大量的谐波，使谐波噪声水平提高，整流电路的输入端必需增加滤波器，成本高，体积、重量又庞大、笨重。大量电流谐波分量排放流入电网后，造成对电网的“谐波污染”。这样一方面产生“二次效应”，即电流流过线路阻抗造成谐波压降，反过来使电网电压也发生畸变；另一方面会造成电路故障，使变电设备损坏。由于谐波对电力系统造成的污染，影响了整个电力系统的电力环境，不仅导致电网电压幅值和频率不能维持恒定，电压波形发生畸变，并对电力系统本身和用户的各种电气设备造成极大的危害。传统的三相交-交变频装置由三组反并联晶闸管可逆桥式变流器组成，和交-直-交变频器相比，它采用电网自然换流，只需一次换流就实现了变频，换流效率高，可以方便地实现四象限运行，而且低频时输出波形接近正弦波。然而种交-交变频器也存在诸多缺点：1)使用晶闸管较多，接线复杂；2)输出频率范围窄，只能为电网频率的 1/31/2；3)由于采用相控整流，功率因数低。随着变频装置的日益广泛应用，电力谐波带来的负面影响也越来越严重，防治“电力公害”提高供电质量已成为当前电力领域内的最为关注的热点问题。相比在电力系统中投入大容量滤波器的方案，使用不产生谐波和无功的“绿色”变换器的方案更为积极可行。因而，“绿色”变换器的研制显得甚为迫切。矩阵式变换器(Matrix Converter，MC)正是一种新型的“绿色”变换器，除了必需的为消除开关纹波的小容量高频滤波器外，不含任何无源元件。如果实施良好的控制算法，基本不需要开关缓冲电路。矩阵式变换器的现状：矩阵式变换器作为一种新型的交一交变频电源，其概念和电路拓朴形式在 1976 年L.Gyugyi 和 B.Pelly 首先提出2。直到 1979 年，意大利学者 M.Venturini 和 A.Alesina 从理论上证明这种频率变换器的存在34，并提出了由九个功率开关组成的矩阵式交-交变换器结构，促进了矩阵式变换器的迅速发展。当然，矩阵式变换器的特点是要求具有高压大电流通断能力和高开关频率的全控功率开关器件，而且又因为控制方案的复杂性，其控制部分要求具有快速信号处理能力，而这些是当时的电力电子器件技术和微处理器控制技术所难以达到的，包括利用计算机进行仿真研究，也缺少计算机硬件和软件支持。因此在 70 年代末和 80 年代初，矩阵式变换器的研究主要体现在理论研究上56。80 年代，随着电力电子器件制造和微机技术的发展，高工作频率的全控型功率器件如 IGBT等不断涌现，推动了矩阵式变换器控制策略的研究。人们发现，采用全控器件不仅可以对输入相移进行控制，还能对输入电流波形进行控制。80 年代末，矩阵式变换器的实验装置问世了。早期的实验装置由于工作频率不够高及换流技术不完善，输出频率都很低，通常低于电网频率，但突破以往交一交变换器的上限。同时在理论研究方面，为了解决 Venturini 控制方案的不足，一些研究人员如 T. A. Lipo, D. G. Helemes 和 P. D.Ziogas 等对矩阵式变换器进行了一系列的研究工作，各自从不同的角度提出了不同的控制方案89，并通过实验样机得到验证，这些研究基本克服了 Venturini 控制方案的缺点，在输出输入电压比、功率因数和输入电流品质方面都有取得了很好的改进，但也存在一些不足之处，如 P. D. Ziogas 的方案输出频率限制在 200Hz 以下，而且效率不够高。进入 90 年代以来，随着电力电子器件制造及应用技术的发展，矩阵式变换器的研制形成了一个热点。构成双向开关的单向开关间多步换流控制技术被推广开来，装置的性能得到了极大的提高，最高输出频率达到了电网频率的 2 3 倍，输入侧电流波形畸变率小于 2%，用于恒压频比、电流跟踪及矢量控制等，取得了一定成果。与此同时，由于计算机软、硬件的迅猛发展，在采用理论分析和实验相结合的基础上，更多地采用了仿真方法，以进一步提高的研究深度和广度，提高研究的效率。其中最引人注意的有南斯拉夫学者 L. Huber 和美国教授 D. Bdrojecvic 提出的基于空间矢量调制的控制技术，并成功地研制出了 2kW 实验样机10。我国矩阵式变换器的研究工作开展较晚，基本上从 90 年代开始，多侧重于理论分析和仿真研究。哈尔滨工业大学从电工学的角度利用等效开关矩阵传递函数方法对矩阵式变换器的理论进行了深入的分析和研究，其中关于矩阵式变换器的无功功率问题16，分析了矩阵式变换器输入无功功率的性质和无功量值的调节规律，得出了一些有意义的结论；关于灵敏度问题17，导出了用伴随网络法分析电压增益对矩阵式变换器滤波参数和控制参数的灵敏度公式。他们还提出了基于 PARK 变换的矩阵式变换器等效电路模型18，在矩阵式变换器的线性时不变电路模型的基础上，对空间矢量调制矩阵式变换器非理想条件下的稳态特性进行了分析19，对空间矢量调制矩阵式变换器的暂态响应特性与输入滤波器参数的关系进行了讨论20，取得了令人瞩目的成绩。上述研究从理论上深化了对矩阵式变换器的认识。福州大学基于电流滞环跟踪控制的矩阵式变换器研究，建立了电流滞环跟踪控制仿真模型并进行了仿真研究21，推导了电流跟踪控制方式下的开关函数，试制样机并带三相感性负载进行了实验，从而验证了矩阵式变换器电流滞环跟踪控制的正确性和可行性22。上海大学基于空间矢量控制的三相矩阵式变换器研究23，完成了基于 80C196KC 单片机的矩阵式变换器控制系统，并取得了较好的实验效果。浙江大学的贺益康、黄科元与刘勇等结合矩阵式变换器、交流励磁发电技术和矢量控制的优点，建立了矩阵式变换器供电的变速恒频交流励磁风力发电机定子磁场定向的矢量变换控制系统模型，对矩阵式变换器在交流励磁发电系统中应用进行了仿真研究，并成功研制了基于TMS320F240系列DSP的空间矢量调制策略下的矩阵式变换器实验样机2224。总的来看，矩阵式变换器是随着电路电子技术的发展在不断发展，但目前世界范围内矩阵式变换器的研制还停留在理论研究和实验室样机阶段，尚未形成实用化的成熟产品，还有许多问题尚未解决，这主要体现在以下几个方面：(1) 在控制方式上，目前研究多采用基于电压空间矢量调制的交一直一交换法(空间矢量 PWM 法)2526，但其控制关系复杂，因此如何简化控制方法，使这种控制方式实用化并优化输入输出电流波形是值得研究的内容。(2) 安全换流问题。目前矩阵式变换器普遍使用上述的半自然四步换流方案27，这种方案很早就提出了，目前国际上有实验波形的矩阵式变换器相关的文献基本上都是使用四步换流的方案实现的，随后提出的半自然两步换流方案和半自然一步换流方案还基本上处在仿真阶段。(3)矩阵式变换器存在固有输出、输入电压传输比低的缺陷，如何提高电压传输比一直是矩阵式变换器在通用调速系统中的重要问题和应用障碍28，但它与变换器输入端功率因数和调制系数有关，如何设计合理的控制方案是矩阵式变换器走向实用化需要解决的重要问题，应深化这方面研究以提高矩阵式交一交变换