双级矩阵变换器的容错调制策略研究

1、摘 要双级矩阵变换器(Two-stage Matrix Converters,TSMC)是一种三相AC-DC-AC两级变换结构，与传统变换器和常规矩阵变换器相比，双级矩阵变换器因其具有输入输出性能更好、结构紧凑、换流简单、可靠性高等优点而得到广泛的研究。本文对双级矩阵变换器的调制策略以及容错调制策略进行了研究，主要内容包括：(1)简单地介绍了双级矩阵变换器的研究背景和意义，对常规矩阵变换器的研究发展情况，并介绍了双级矩阵变换器研究概况、容错调制策略研究的意义和容错策略的研究现状。(2)详细地介绍了双级矩阵变换器的拓扑结构及其工作原理，给出本文所研究的拓扑结构。(3)简单地介绍了已有的矩阵变换器

2、的调制策略并将它们进行了对比，通过比较各种调制策略的优缺点，决定在本文中使用整流级无零矢量的双空间矢量调制策略，对该调制策略进行了详细的介绍，并且进行了仿真研究，并对仿真结果进行了分析。(4)介绍了已有的几种已有的容错调制策略，提出了全双向开关型双级矩阵变换器的拓扑结构，对全双向开关型双级矩阵变换器的工作原理和调制策略进行了介绍。(5)在全双向开关型双级矩阵变换器拓扑结构的基础上，进行了容错调制策略的研究，分别对整流级一个双向开关断路、整流级两不同侧双向开关断路、逆变级双向开关断路、逆变级双向开关短路、逆变级单管断路和逆变级单管短路进行了容错策略的研究，介绍了每种故障情况下的容错原理并给出了容

3、错状态下各开关的控制信号。(6)对全双向开关型双级矩阵变换器容错策略进行了仿真研究，并对仿真结果进行了分析。关键词：双级矩阵变换器；空间矢量调制；全双向开关型双级矩阵变换器；容错调制策略I2 双级矩阵变换器工作原理2 The operating principle of two-stage matrix converter2.1 双级矩阵变换器的开关传递函数(Switching transfer function of two-stage matrix converter)将九个双向开关按照图2.1左图的形式进行排列就形成了常规矩阵变换器的拓扑结构。图2.1 常规矩阵变换器和双级矩阵变换器的拓

4、扑结构Figure 2.1 Topology of conventional matrix converters and two-stage matrix converters常规矩阵变换器的输入和输出之间的关系可以写作为： (0.1)式中，、为三相输出电压，、为三相输出电压，为常规矩阵变换器的开关变换矩阵，或者称为常规矩阵变换器的开关函数。 (0.2)式2.2是双级矩阵变换器的输入输出变换关系。是指常规矩阵变换器中输入k相和输出j相之间的双向开关的通断状态，ka，b，c，jA,B,C，=0代表开关关断，=1代表开关开通。假设变换器在输入和输出之间存在一个直流电压，该电压的正负极电压分别为Up

5、、Un，那么其与三相输入电压和三相输出电压的关系如下式： (2.3) (2.4)式中，代表输入k相与直流电压正极或负极的双向开关的状态，代表直流电压正极或负极与输出j相的双向开关的状态，ka,b,c， wp,n， jA,B,C。从式(2.4)可以看出三相输入与直流电压之间存在一个整流级(交-直)结构，从式(2.3)可以看出三相输出与直流电压之间存在一个逆变级(直-交)结构。将它们组合在一起就形成了双级矩阵变换器的拓扑结构，其结构与交直交(AC-DC-AC)变换器结构相似。因此双级矩阵变换器输入输出电压之间的关系式也可以根据上面两式推导得到：(2.5)式中，T为双级矩阵变换器的总开关变换矩阵，将

6、其与式2.2中的T对比我们可以得出结论：当时，对应于常规矩阵变换器的=1；当时，对应于常规矩阵变换器的=0。所以通过与常规矩阵变换器的对比，可以得到，该结论表明双级矩阵变换器和常规矩阵变换器的变换功能是相同的，两者的开关函数是对应的，双级矩阵变换器的任何开关状态都有相应的常规矩阵变换器开关状态来对应。虽然两种不同拓扑结构的矩阵变换器具有相同的变换功能和一致的开关函数，但是由于它们在拓扑结构上的不同，导致了两种矩阵变换器的调制策略不能相同。2.2 双级矩阵变换器的典型拓扑结构(Typical topology of two-stage matrix converter)双级矩阵变换器的拓扑结构是

7、直流环节无需储能环节的三相交直交两级变换结构。双级矩阵变换器的开关采用双向开关，这里双向开关是使用两个单向开关来构成的，因此对于图2.1(b)的拓扑结构，需要使用24个单相开关，但是如果可以保证整流级输出直流电压始终为正的话，那么双级矩阵变换器的逆变级只需要采用单向开关，这样就构成了18开关双级矩阵变换器拓扑电路，如图2.2所示。图2.2 18开关双级矩阵变换器拓扑结构Figure 2.2 18 switch two-stage matrix converter topology通过对图2.2电路分析可以得到，在任意时刻，整流级每一相都有两个开关导通和关断状态相同，所以可以将这两个单向开关化简

8、为一个单向开关36。因此就可以减少3个开关的使用，即只使用15个开关，如图2.3为15开关双级矩阵变换器拓扑结构。图2.3 15开关双级矩阵变换器拓扑结构Figure 2.3 15 switch two-stage matrix converter topology如果在双级矩阵变换器工作期间，可以使整流级输出的直流电流始终为正的话，15开关双级矩阵变换器还可以进一步简化为12开关和9开关36。如图2.4，图2.5分别为12开关双级矩阵变换器和9开关双级矩阵变换器。图2.4 12开关双级矩阵变换器拓扑结构Figure 2.4 12 switch two-stage matrix convert

9、er topology图2.5 9开关双级矩阵变换器拓扑结构Figure 2.5 9 switch two-stage matrix converter topology在直流电流大于0的情况下，15开关拓扑电路和12开关拓扑电路的传导损耗要比18开关拓扑电路高；而对于9开关拓扑电路来说，由于其只能进行能量的单方向传输的缺点，它的应用范围受到了限制。本文采用的研究对象是18开关双级矩阵变换器。2.3 本章小结(Summary)本章对双级矩阵变换器工作原理进行了详细的介绍，以矩阵变换器的开关函数为基础，推导出了双级矩阵变换器的开关函数，对比了双级矩阵变换器开关矩阵与矩阵变换器开关矩阵，得到了双级

10、矩阵变换器开关与矩阵变换器开关的对应关系；详细地介绍了18开关双级矩阵变换器的拓扑结构，并由18开关双级矩阵变换器拓扑结构推导出了15开关、12开关、9开关的双级矩阵变换器拓扑结构，并分别介绍了每种变换器的优缺点，最后决定采用18开关双级矩阵变换器作为本文的研究对象。53.双级矩阵变换器的控制策略研究3 双级矩阵变换器的控制策略研究3 Research on Control Strategy of Two-stage Matrix Converter3.1 双级矩阵变换器的控制策略综述(A Summary of Control Strategies for Two-stage Matrix C

11、onverters)由于矩阵变换器包含了许多开关器件，拓扑结构复杂，因此如何对矩阵变换器进行控制就成为了矩阵变换器研究的一大热点。目前关于矩阵变换器的控制策略问题，国内外的学者已经提出了很多，比如Venturini法、双电压合成控制法、滞环电流跟踪控制法、空间矢量调制策略等等。这些控制方法各有优缺点：Venturini法11控制方法目标明确，对于输入电压不平衡或畸变的情况也可以很好的改善输出波形，但是计算量较大，最大电压传输率低，换流损耗太大；双电压合成控制法37相比于Venturini控制法计算没有那么复杂，具有很强的抗干扰能力，然而这种方法输入功率因数调节困难，无法方便的进行仿真和控制，实

12、现难度仍较大；滞环电流跟踪控制方法38输出电流谐波分量小，动态响应快，求解方便，控制简单，但是输入电流滞环谐波丰富；空间矢量控制策略计算小，可以使电压传输率达到最大值，并且可以调节输入功率因数，因此空间矢量控制策略是目前应用最广泛的矩阵变换器控制策略，也是研究价值最大的矩阵变换器控制策略。由上可见，空间矢量调制策略相比于其他几种常用的矩阵变换器调制策略具有明显的优势，使用该调制方法可以达到电压传输率大、计算量小、输入电压利用率高等目的。因此关于双级矩阵变换器空间矢量调制方法的研究在国内外都有很大的进展，目前应用得最广泛、研究得最成熟的是整流级无零矢量的双空间矢量调制策略，该调制策略是对整流级和

13、逆变级分别进行空间矢量调制。3.2 整流级无零矢量的双空间矢量调制策略(Zero-vector-based double space vector modulation strategy for rectification stage)根据3.1所讲述的内容，由于整流级无零矢量的双空间矢量调制策略的成熟性和应用的广泛性36，本文也将采取这种调制策略进行调制。在本节中，将对这种调制方法进行介绍。3.2.1 双级矩阵变换器输入电压与输出电流设双级矩阵变换器的三相输入电压为： (3.1)式中，为输入角频率，为输入相电压幅值。设双级矩阵变换器的输出三相电流为： (3.2)式中，为电流初始相位角，为输出

14、电流幅值，为输出角频率。根据双级矩阵变换器的交-直-交的结构特点，下面将调制方法分为整流级空间矢量调制和逆变级空间矢量调制分别进行介绍：3.2.2 整流级无零矢量的空间矢量调制整流级调制的目的有两个，第一个是为了实现整流得到的电压Upn极性为正，并使电压利用率达到最大。如图3.1所示，将输入三相电压进行区间的划分，每个区间都有一个共同的特点：在区间中会有两相电压极性相同，而与它们极性不同的另一相电压具有最大的绝对值。图3.1 输入三相电压 Figure 3.1 Input three-phase voltage在进行整流级调制时，根据图3.1中每个区间的特点，可以将每个区间分为两部分，在两部分

15、中都输出极性为正且幅值最大的线电压，这样可以保证不会出现零矢量，在调制过程中只有有效矢量出现。以第1区间为例，由图3.1可以看出，在第1区间内，的绝对值最大且为正值，、为负值，在第一个PWM周期的第一个时间段中，令双级矩阵变换器(如图3.2)中的、导通，这时直流电压；在第一个PWM周期的第二个时间段中，令双级矩阵变换器的、导通，这时直流电压。图3.2 双级矩阵变换器拓扑结构及开关编号Figure 3.2 Two-stage matrix converter topology and switch number整流级调制的另一个目的是保持输入功率因数为1，即让输入电流变化规律与输入电压相同。比如

16、，在第1区间内，的绝对值最大且为正值，、为负值，该区间的开关状态为：a相与p极之间的双向开关Sap始终导通，而b相、c相与n极之间的双向开关Sbn和Scn交替导通。在一个PWM周期内，局部直流平均电流为一定值39，、分别为a、b、c三相输入电流局部平均值，、分别为输出直流电压、对应的占空比，且 (3.3)那么： (3.4)要实现输入功率因数为1且输入电流矢量为正弦量，应使每相输入电流幅值在任意时刻与其同一相电压成正比，即， (3.5)在三相输出电压平衡(即)的条件下，可以得到： (3.6) (3.7)一个PWM周期内的局部平均直流电压为： (3.8)将(3.1)、(3.7)、(3.8)代入式(

17、3.8)，可以得到： (3.9)设为调制周期， 、分别为直流电压、在一个PWM周期内占用的时间，则： (3.10)其他五个区间的分析与第1区间相似，这样就可以得到六个区间内两时间段的导通开关、输出电压以及相应的占空比，如表3.1所示。表3.1 整流级六区间的导通开关、输出电压和占空比Table 3.1 Rectification stage six-section conduction switch, output voltage and duty cycle区间时间段1时间段2导通开关输出电压占空比导通开关输出电压占空比1、2、3、4、5、6、3.2.3 逆变级的空间矢量调制对于逆变级的空间

18、矢量调制方法，双级矩阵变换器和常规矩阵变换器有所不同，因为双级矩阵变换器的整流侧输出是PWM电压，并且在一个PWM周期内输出的两级直流电压不等。以第一区间为例，在两时间段整流级输出的电压分别为、，由于矩阵变换器的开关时间极短，在短暂的时间内两个电压值变化极小，可以认为两个电压值并没有发生变化，因此这两个输出电压值可以认为是定值。这样就可以将逆变级的空间矢量调制看作是在和两级电压下进行的，如图3.3所示。图3.3 一个PWM周期内逆变级两级直流电压Figure 3.3 Inverter stage two-stage DC voltage in one PWM cycle根据双级矩阵变换器逆变级

19、的拓扑结构，我们可以控制逆变级开关的来得到六个有效矢量和两个零矢量。把它们的起点放在一起，连接相邻的矢量终点，我们就可以得到一个由有效矢量构成的正六边形，如图3.4(a)所示，其中括号内的数字代表了逆变级A、B、C三相桥臂上下开关的导通状态。数字“1”代表同p极相连的开关导通，数字“0”代表同n极相连的开关导通。如“110”代表A相同p极相连，B相同p极相连，C相同n极相连。根据前面理论，可以设直流电压，那么线电压有效空间矢量幅值为，如图3.3(b)所示。图3.4 逆变级空间矢量调制Figure 3.4 The SVM modulation for inverter设有一输出线电压空间矢量瞬时

20、值为，处在以和组成的六边形的一个扇区内，那么可以由矢量和进行合成，其关系式为： (3.11)图3.4(b)中，空间矢量与空间矢量的夹角为，那么、零矢量之间的占空比满足下式： (3.12)我们取逆变级调制系数为： (3.13)式中，为输出线电压幅值。为一时变量，部分用来抵消直流平均电压，来保证输出电压矢量幅值恒定。由式(3.9)和式3.13可以计算得到双级矩阵变换器电压传输比为： (3.14)式中，为输出相电压幅值。将代入式(3.4)中，我们可以得到此时电压传输比为，达到了最大值。由于在一个PWM周期的两个时间段中，整流级输出的电压不相等，因此逆变级的输入直流电压就不等，两个时间段分别进行逆变级

21、的调制，而调制时要使这两时间段的占空比相同，从而可以保证输出矢量相角不变，即：在时间内，整流级输出直流电压为，是矢量分配的时间，是矢量分配的时间，是零矢量分配的时间；在时间内，整流级输出直流电压为，是矢量分配的时间，是矢量分配的时间，是零矢量分配的时间。图3.5表示了整流级和逆变级开关的协调控制，图3.5(a)为整流级输出的两级电压，矩阵高度代表电压幅值，宽度代表电压维持时间；图3.5(b)为逆变级开关矢量分配，矩形部分代表开关矢量，高度代表输出电流大小，宽度代表开关矢量持续时间。图3.5 两时间段直流电压和开关矢量分配Figure 3.5 DC Voltage and Switch Vect

22、or Distribution for Two Time Periods当双级矩阵变换器采用整流级无零矢量的双空间矢量调制策略时，三相输入电流波形对称正弦并且跟随输入相电压变化规律40。3.2.4 双级矩阵变换器的换流双级矩阵变换器的换流方法简单易行，无需常规矩阵变换器的四步换流法。下面为双级矩阵变换器的换流方法：(1)整流级换流：如图3.6所示为逆变级输出零矢量时的电流路径，由图可见，逆变级输出零矢量时，三相输出全部连接在直流侧的同一极上，没有电流流经直流侧以及整流级。所以如果将逆变级零矢量安排在各时间段开始和结束，如图3.5(c)所示，那么整流开关在相邻时间段转变时刻换流时，就可以实现零电

23、流换流；(2)逆变级换流：使用常规的交直逆变器换流法。图3.6 逆变级输出零矢量时电流路径Figture 3.6 The current flowing path when inverter stage outputs zero vector3.3 整流级无零矢量双空间矢量调制策略的仿真研究(Simulation Research on Zero-vector-based Double Space Vector Modulation Strategy for Rectifier Stage)3.3.1 仿真模型本文基于MATLAB/Simulink建立了双级矩阵变换器仿真模型，如图3.7所示。

24、输入为三相对称电源，相电压为220V/50Hz；PWM周期为0.1ms；负载为三相对称阻感负载，每相电阻为10，每相电感为1.56mH；输出滤波电感为5.6mH，输出滤波电容为20F。模型的主要组成部分有：输入电压与参数设置、双级矩阵变换器整流级与逆变级、开关信号控制模块、测量模块、负载等。图3.7 仿真模型图Figure 3.7 Simulation model其中，控制电路为仿真模型的关键，控制电路的仿真图如下图所示。控制电路首先根据输入电压判断当前的扇区，通过查表3.1确定整流级导通开关和合成直流电压的线电压，并计算占空比；同时逆变级根据输入参考电压确定逆变级扇区，确定空间矢量与空间矢量

25、的夹角，确定逆变级开关状态并进行相应的占空比计算；最后将整流级控制信号和逆变级控制信号输出，送到整流级电路和逆变级电路。在控制电路中，整流级扇区和逆变级扇区的判断、整流级和逆变级的占空比计算、整流级和逆变级开关控制信号输出是使用MATLAB function进行编写的。图3.8 控制电路Figure 3.8 Control circuit3.3.2 仿真结果双级矩阵变换器输出结果如图3.9所示：(a)整流级输出直流电压波形(a) Rectifier output DC voltage waveform(b)变换器输出电流波形 (c)变换器输出相电压波形(b) Inverter output c

26、urrent waveform (c) Inverter output phase voltage waveform(d)变换器输出线电压波形(d) Inverter output line voltage waveform (e)输出相电压FFT分析 (e) FFT analysis of Output phase voltage图3.9 输出波形结果Figure 3.9 Output waveform results图3.9(a)为整流级连接纯电阻时的直流电压波形，图3.9(b)为变换器输出电流波形，图3.9(c)为变换器输出相电压波形，图3.9(d)为输出线电压波形。通过观察输出相电压的

27、FFT频谱分析可以得到，输出相电压THD为3.01%，仿真结果满足要求。3.4 本章小结(Summary)本章首先对双级矩阵变换器控制策略进行了总结，介绍了每种控制策略的优缺点并进行简单地比较。随后详细介绍了整流级无零矢量的空间矢量调制策略的基本原理和具体的实现过程。最后给出了双级矩阵变换器的MATLAB/Simulink的仿真模型图，仿真结果表明，矩阵变换器输出三相对称正弦波形，输出波形符合要求。214.双级矩阵变换器容错调制方法研究4 双级矩阵变换器容错调制方法研究4 Research on Fault Tolerant Modulation Method for Two-stage Ma

28、trix Converters4.1 引言(introduction)因为矩阵变换器的拓扑结构复杂，一般都由多个功率开关组成，所以当矩阵变换器进行交交变换时，功率开关很可能会发生开路、短路等故障，导致系统的性能降低，甚至导致系统停机，造成更大的事故，所以为了降低功率开关故障对系统造成的不良影响，增强系统的可靠性，确保系统容错后能够继续正常运行，矩阵变换器的容错调制就成为了研究的重点。目前，所应用的最多的容错调制方法是冗余器件法，这种方法一般是增加新的桥臂、冗余开关来改变原有双级矩阵变换器的结构，当故障发生时，切除故障相并将冗余开关器件切入到电路中，利用这些功率开关来进行工作，输出正常工作时的电

29、压电流，从而实现容错的目的。比如，S.Khwan和L.De Lillo通过双向晶闸管将电机的输入和矩阵变换器新的桥臂相连，变换器发生开路故障时，开通双向晶闸管，将新增加的冗余桥臂连接到电路当中，使用冗余桥臂代替故障桥臂工作，输出与正常运行时相同的电压电流，但是该方法在容错后，电机的三相绕组中仅有两相流过电流，且幅值为以前的倍，电机与变换器电流应力增加29。Sangshin Kwak、Tachyung等人提出了新的结构，他通过连接元件和熔丝将三相输入输出与第四桥臂相连，这种方法不增加电机与变换器的电流应力，而且还可以实现短路故障的容错，但是这种方法拓扑结构复杂，使用的开关管数量多41。Sangs

30、hin Kwak还对三相三桥臂常规矩阵变换器进行了容错42-43，但是该情况下的容错只输出两相电压电流，最大电压传输比下降，存在着很大的不足。除了上面所述的这些方法之外，研究学者还对矩阵变换器的调制策略进行了研究，即在不增加新的开关器件的情况下，改变矩阵变换器的拓扑结构，充分利用非故障开关器件进行调制，来使开关故障对输出结果造成的影响减小34，从而输出正常状态下的电压和电流，实现容错。但是这种方法需要实时监控输出电流大小，系统实现的难度很高。上面所述的方法都是属于矩阵变换器的容错方法，而本文研究的对象是双级矩阵变换器，目前关于双级矩阵变换器的容错调制策略的研究还比较少，目前已有的方法比如S.K

31、hwan和L.De Lillo采用的冗余器件法，在逆变级增加新的桥臂并且连接到电机的中点44。但冗余器件法如前面所述，这种方法在容错后仅有两相电流，且幅值增大，电机与变换器电流应力增加。针对于上述方法的缺点，以及双级矩阵变换器的拓扑结构和调制方法，本文对双级矩阵变换器容错调制策略进行了研究。发现当双级矩阵变换器使用全双向开关器件时，可以大大的提高容错能力。我们将这种全部使用全双向开关的矩阵变换器称为全双向开关型双级矩阵变换器，其拓扑结构如图4.1所示。这种变换器的整流级和逆变级都是由全双向开关器件构成的，即在18开关变换器的基础上，在逆变级增加了6个冗余开关，这6个逆变级冗余开关使得矩阵变换器

32、的结构呈上下对称状，可以使整流级输出的直流母线电压反向，因此这种变换器的容错能力得到了大大的提高。图4.1 全双向开关型双级矩阵变换器Figure 4.1 full bidirectional switch type two-stage matrix converter4.2 全双向开关型双级矩阵变换器的工作原理(The working principle of full bidirectional switch two-stage matrix converter)4.2.1 全双向开关型双级矩阵变换器拓扑结构全双向开关型双级矩阵变换器的拓扑结构是在双级矩阵变化器逆变级上增加6个单向开关管4

33、7，形成图4.1所示的拓扑结构。这种拓扑结构的整流级和逆变级都是由6个双向开关组成的，总共使用了24个IGBT器件。逆变级双向开关中新增的6个单向开关被称为常通管，而另外6个单向开关被称为斩波管。在增加了6个单向开关后，变换器在保持双级矩阵变换器优点的基础上，还使其拥有了其他的特点，新增加的6个开关管可以作为冗余器件，而且这6个开关管使得整流级输出的直流电压可以反向成为负值，另外该拓扑结构还具有高度对称的特点。由于全双向开关型双级矩阵变换器具有上面所说的特点，因此其容错能力十分优秀，可以进行多种故障的容错研究，因此本文选择这种拓扑进行研究。4.2.2 全双向开关型双级矩阵变换器调制策略本文中，

34、针对全双向开关型双级矩阵变换器使用的调制策略是跟双级矩阵变换器相同的整流级无零矢量的双空间矢量调制策略。不过与在第3章描述的整流级无零矢量的双空间矢量调制策略不同，对于全双向开关型双级矩阵变换器需要对24个IGBT开关管进行调制。下面我们就对全双向开关型双级矩阵变换器的调制策略进行介绍。首先，针对变换器的整流级，我们将整流级的开关按照图4.1标注1和2的位置分为两类，分别记为和(X=A,B,C;m=p，n)。在正常调制时，保持和两个开关管的驱动信号一致。如当整流级输出直流电压为时，整流级电流的流通路径如图4.2所示。当整流级输出直流时，按照第3章介绍的调制方法，应该使双向开关和保持开通。对于全

35、双向开关型双级矩阵变换器整流级来说，使，并使其余8个开关均关断，这样电流就会这样流通：由三相电源的A相流出，经过单向开关管的IGBT，然后通过的二极管到达p极，另外电流会从n极经过单向开关管的IGBT，然后通过的二极管回到三相电源的B相，这样整流级输出电压。图4.2 整流级输出时电流路径Figure 4.2 Current path when rectifier stage outputs 而对于逆变级的12个开关的调制，我们同样是将逆变级开关按照图4.1标注的1和2的位置分为两类，分别记为和(X=A,B,C;m=p，n)。同时，如4.2.1所述，将称为斩波管，称为常通管。在正常调制时，保持常

36、通管开通状态，以斩波管代表双向开关进行调制，即在正常调制时，常通管保持常通状态，利用第三章所述方法对斩波管进行控制。如当需要逆变级开关处于(1 1 0)状态时，逆变级电流流通路径如图4.3所示。首先按照第三章介绍的调制策略，应该将双向开关、导通。而对于全双向开关型双级矩阵变换器逆变级来说，使，并使其余9个开关均处于关断状态，这样电流就会这样流通：从p极出发经过单向开关管的IGBT，然后通过的二极管到达输出U相；同时从p极出发还会通过单向开关管的IGBT，然后通过的二极管到达输出V相；同时从W相出发通过单向开关管的IGBT，然后通过的二极管到达n极。这样输出线电压、分别为0、。图4.3 逆变级开

37、关状态为(1 1 0)时电流路径Figure 4.3 Current path when inverter stage switch state is (1 1 0)总结来说，全双向开关型双级矩阵变换器的采用的整流级无零矢量的双空间矢量调制策略与普通的18开关双级矩阵变换器的原理是一样的，不同点就在于全双向开关型双级矩阵变换器是需要对24个开关进行调制，而普通的18开关变换器只需要对12个开关进行调制。因而在正常工作时，需要对整流级之前未加控制信号的单向开关保持常断，而对逆变级新增的单向开关保持常通。这样在正常工作时，24开关的变换器就相当于18开关的变换器一样。4.3 全双向开关型双级矩阵变

38、换器整流级容错策略(Fault-tolerant Strategy for Rectification Stage of Bidirectional Switching Matrix Converters)4.3.1 一个双向开关单元开路故障的容错策略对于变换器的整流级来说，整流级各桥臂双向开关单元的通断可以表示成一个2×3的矩阵，使用“0”来表示双向开关断开，使用“1”来表示双向开关导通。这样可以得到整流级9种开关状态，对应9个空间矢量，其中3种是零矢量，6种是有效矢量，6种有效矢量分别用(R=16)来表示，这6个有效矢量将空间划分为6个扇区，这6个扇区与第三章图3.1的六个扇区是

39、对应的，之间的是第1扇区，之间是第2扇区，以此类推，我们可以将扇区标注在用6个有效矢量分布图中，如图4.4所示。图4.4 整流级输入电流空间矢量分布图Figure 4.4 Rectifier stage input current space vector distribution当整流级某一个双向开关(X=A,B,C;m=p,n)发生开路故障时，此时两个单向开关和均发生开路故障，我们以为例进行研究。当整流级双向开关发生开路故障，构成的两个单向开关和均发生开路故障，三相输入A相无法与整流级输出直流侧p极相连。但由于逆变级开关的6个冗余开关的存在，使得整流级输出直流电压可以反向，在容错状态下，我

40、们可以把图4.4中的6个有效矢量划分为三组：(1) ：这两个有效矢量需要导通，且关断。由于双向开关开路，得不到有效矢量，但可以通过交换整流级每相桥臂上下双向开关器件的驱动信号，使A相与n极相连，p极与B相或者C相相连，这样使整流级输出直流电压为负值。(2) ：这两个有效矢量需要关断，且导通。虽然双向开关开路，但对有效矢量没有任何影响，整流级仍按正常的调制策略对开关进行控制，这种情况下整流级输出的直流电压为正值。(3) ：这两个有效矢量需要和关断。虽然双向开关开路，但对有效矢量没有任何影响，这种情况下整流级输出的直流电压可以为正值，也可以通过交换整流级每相桥臂上下双向开关器件的驱动信号，使整流级

41、输出直流电压为负值。结合上述三组有效矢量和输入电流综合矢量所处的扇区，可将一个周期分为两个模态：模态1：输入电流所处扇区的两个有效矢量处于(2)、(3)中，即输入电流处于扇区3、4、5中。模态2：输入电流所处扇区的两个有效矢量处于(1)、(3)中，即输入电流处于扇区1、2、6中。同样，如果整流级其他双向开关发生开路故障，也可以得到工作于模态1和模态2的扇区，表4.1给出了整流级每个双向开关开路时模态1和模态2对应的扇区。表4.1 整流级双向开关开路时模态1和模态2对应的扇区Table 4.1 Sectors corresponding to modal 1 and modal 2 when t

42、he rectifier stage bidirectional switch is open故障开关模态1模态23、4、51、2、61、2、63、4、51、5、62、3、42、3、41、5、61、2、34、5、64、5、61、2、3下面来讨论当双向开关开路故障，系统处于模态1和模态2时，变换器各开关管的驱动信号情况：当处于模态1时，双向开关开路对于变换器的工作没有任何影响，因此容错状态下，变换器仍然按照正常的调制方式进行调制，即 (4.1)其中，Q为正常调制时的驱动信号，为容错后的驱动信号。当处于模态2时，构成扇区的两个有效矢量至少有一个处于(1)中，由于处于(1)中的有效矢量无法得到，这时

43、就要交换整流级每相桥臂上下双向开关器件的驱动信号，使整流级输出直流电压为负值。而如果另一矢量位于(3)时，我们也交换整流级每相桥臂上下双向开关器件的驱动信号，使其输出负的直流电压。但由于逆变级与n极直接相连的单向开关处于常通状态，所以如果整流级输出负的直流电压会使逆变级的桥臂直通，为避免这种情况的发生，我们需要将逆变级每相的单向开关的驱动信号进行交换，即、进行驱动信号的交换，这样就可以实现容错。这种情况下的开关管的驱动信号可以总结为： (4.2)以上为双向开关管开路时的容错策略，同样这种方法也可以推广到整流级其他双向开关开路的情况，这样就可以实现整流级一个双向开关单元开路故障的容错。4.3.2

44、 两个不同侧双向开关单元开路故障的容错策略当整流级两个不同侧双向开关单元发生开路故障时，此时连接在不同直流母线上的不同桥臂的两个双向开关均发生开路故障。我们以和发生开路故障为例来进行研究。当整流级两个不同侧双向开关单元和开路时，此时构成和的四个单向开关、均发生开路故障，三相输入A相无法与p极相连，三相输入C相无法与n极相连。在这种情况下，我们可以把图4.4中的6个有效矢量划分为三组：(1) ：有效矢量需要双向开关和至少一个开通，但由于双向开关和开路，三个有效矢量无法实现，但可以通过交换整流级每相桥臂上下双向开关器件的驱动信号，使A相与n极相连，C相与p极相连，这样使整流级输出直流电压为负值。(

45、2) ：有效矢量需要双向开关单元和处于断开状态。虽然双向开关单元和发生了开路故障，但是这对于三个有效矢量的实现没有影响，整流级仍按正常的调制策略对开关进行控制，这种情况下整流级输出直流电压为正。结合上述三组有效矢量和输入电流综合矢量所处的扇区，一个输入周期将分成以下三种模态：模态1：输入电流所处扇区的两个有效矢量处于(1)中，即输入电流处于扇区1、2中。模态2：输入电流所处扇区的两个有效矢量处于(2)中，即输入电流处于扇区4、5中。模态3：输入电流所处扇区的两个有效矢量处于(1)和(2)中，即输入电流处于扇区3、6中。同样，如果整流级其他不同侧双向开关发生开路故障，也可以得到工作于模态1、模态

46、2和模态3的扇区，表4.1给出了整流级每个双向开关开路时模态1、模态2和模态3对应的扇区。表4.1 整流级两不同侧双向开关开路时模态1、模态2和模态3对应的扇区Table 4.1 The corresponding sectors of modal 1, modal 2 and modal 3 when the bidirectional switch of two different sides of the rectification stage are open故障开关模态1模态2模态3、1、63、42、5、1、24、53、6、3、41、62、5、2、35、61、4、4、51、23、6、

47、2、35、61、4下面来讨论当双向开关开路故障，系统处于模态1、模态2和模态3时，变换器各开关管的驱动信号情况：当处于模态1时，构成扇区的两个有效矢量均处于(1)中，由于处于(1)中的有效矢量无法得到，这时就要交换整流级每相桥臂上下双向开关器件的驱动信号，使整流级输出直流电压为负值。但由于逆变级与n极直接相连的单向开关处于常通状态，所以如果整流级输出负的直流电压会使逆变级的桥臂直通，为避免这种情况的发生，我们需要将逆变级每相的单向开关的驱动信号进行交换，即、进行驱动信号的交换，这样就可以实现容错。这种情况下的开关管的驱动信号可以总结为： (4.3)当处于模态2时，两不同侧双向开关和开路对于变换

48、器的工作没有任何影响，因此容错状态下，变换器仍然按照正常的调制方式进行调制，即 (4.4)当处于模态3时，构成扇区的两个有效矢量分别处于(1)、(2)中。当处于(1)的有效矢量作用时，交换整流级每相桥臂上下双向开关器件的驱动信号，使整流级输出直流电压为负值，并将逆变级每相的单向开关的驱动信号进行交换，即、进行驱动信号的交换，开关管驱动信号如(4.3)所示；当处于(2)的有效矢量作用时，变换器仍然按照正常的调制方式进行调制，整流级输出直流电压为正值，开关管驱动信号如(4.4)所示。当工作在模态3时，一个调制周期使输出直流电压极性变换两次。4.3.3 单管开路故障的容错策略由于整流级双向开关中的两

49、个单向开关的驱动信号一致，其中一个开关管发生开路故障可以视为双向开关单元开路故障的特例，具体的情况需根据开关管位置以及输入电压瞬时值来确定。为了简化容错调制策略，我们将一个开关管发生开路故障看作是该双向开关管发生开路故障，使用双向开关开路故障的容错调制策略对开关管进行控制。4.4 全双向开关型双级矩阵变换器逆变级容错策略(Inverter-level fault-tolerant strategy of bidirectional matrix converters with full bidirectional switching)4.4.1 一个双向开关单元开路故障的容错策略当逆变级某一个

50、双向开关单元(X=U、V、W；m=p,n)发生开路故障时，此时两个单向开关和均发生开路故障，我们以发生故障为例进行研究。当逆变级双向开关发生开路故障时，构成的两个单向开关和均发生开路故障，直流侧p极无法与逆变级输出U相连接。但由于逆变级开关的6个冗余开关的存在，使得双级矩阵变换器的拓扑结构具有高度对称的特点，因此可以通过交换整流级输出直流电压极性并使逆变级双向开关开通来实现逆变级输出U相与直流侧正端相连。因此我们可以根据正常调制时的状态，来对变换器的容错进行研究：(1)当正常调制时，开关关断。这种情况下，逆变级双向开关的开路故障对于变换器工作没有任何影响，因此容错状态下，开通和两个开关管，并使

51、变换器其他开关管按照正常的调制方法进行控制，即 (4.5)(2)当正常调制时，开关导通。这种情况下，逆变级双向开关的开路故障导致其无法导通，这时可以让未故障的开关单元导通，并交换整流级各相上下桥臂双向开关单元驱动信号使直流侧电压极性反转，来使逆变级输出U相与直流侧正端相连。但由于逆变级与n极直接相连的单向开关处于常通状态，所以如果整流级输出负的直流电压会使逆变级的桥臂直通，为避免这种情况的发生，我们需要将逆变级每相的单向开关的驱动信号进行交换，即、进行驱动信号的交换，这种情况下，变换器各开关的驱动信号如下： (4.6)当逆变级其他双向开关发生开路故障时，同样使用上面的方法进行容错。4.4.2

52、单管开路故障的容错策略逆变级单管发生开路故障有4种情况：开路、开路、开路和开路。当逆变级单管开路时，逆变级输出X相与直流侧p极无法连接，这种情况下可以将其等效为逆变级双向开关发生开路故障。当逆变级单管开路时，逆变级输出X相与直流侧p极也无法连接，这种情况与逆变级双向开关发生开路故障同样等效，因此这种情况也是根据在正常调制下的开通和关断情况，来进行容错调制的讨论。与之相似的，逆变级单管开路和开路也可以等效为逆变级双向开关发生开路故障，并根据在正常调制中的开通和关断情况进行容错调制的讨论。因此，根据上述的分析，逆变级单管开路故障就可以等效为逆变级双向开关开路故障，所以对于这种故障就可以利用4.4.

53、1讲述的双向开关开路故障的容错策略进行容错。以逆变级单管开路为例，对容错策略进行简单的介绍：逆变级单管开路时，可以等效成逆变级双向开关开路。(1)当正常调制时，开关关断。这种情况下，根据4.4.1的介绍，变换器的各开关仍然按照正常的调制策略进行调制，即 (4.7)(2)当正常调制时，开关导通。这种情况下，根据4.4.1的介绍，需要交换整流级各相上下桥臂双向开关单元驱动信号使直流电压反向，并且开通，再将逆变级每相的单向开关的驱动信号进行交换，即 (4.8)当逆变级其他单管发生开路故障时，同样使用上面的方法进行容错。4.4.3 双向开关单元短路故障的容错策略当逆变级某一个双向开关(X=U、V、W；

54、m=p,n)发生短路故障时，此时两个单向开关和均发生短路故障，我们以发生故障为例进行研究。当逆变级双向开关发生短路故障时，构成的两个单向开关和均发生短路故障，直流侧p极始终与逆变级输出U相连接，导致直流侧n极始终无法与逆变级输出U相相连。但由于全双向开关型双级矩阵变换器拓扑结构的高度对称性，所以我们可以通过交换直流电压极性来使U相与直流侧负端相连。因此我们可以根据正常调制时的状态，来对变换器的容错进行研究：(1)当正常调制时，开关导通。在这种情况下，逆变级双向开关短路对于变换器的工作没有任何影响，因此非故障相各开关器件仍然按照正常调制策略进行调制，即 (4.7)(2)当正常调制时，开关关断。在

55、这种情况下，逆变级双向开关短路导致始终导通，逆变级输出U相与直流侧p极始终相连。这时可以通过交换整流级各相上下桥臂双向开关单元驱动信号来改变整流级输出直流电压的极性，从而实现逆变级输出U相与直流侧负端相连。但由于逆变级未故障相与n极直接相连的单向开关处于常通状态，所以如果整流级输出负的直流电压会使逆变级的桥臂直通，为避免这种情况的发生，我们需要将逆变级每相的单向开关的驱动信号进行交换，即、进行驱动信号的交换，这种情况下，变换器各开关的驱动信号如下： (4.8)当逆变级其他双向开关发生短路故障时，同样使用上面的方法进行容错。将双向开关发生短路故障和发生开路故障的容错策略对比可知，两故障的各开关管等效驱动信号是一致的，所以逆变级双向开关单元短路也可以视为双向开关开路的倒置，可以使用发生开路故障的容错策略。4.4.4 单管短路故障的容错策略逆变级单管发生短路故障有两种情况：短路、短路。1.当单管发生短路故障，此时、中有一个或几个开关管出现短路故障，期望的输出电压无法通过开关的动作来合成。但由于