矩阵变换器换流方式的研究(3)

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近年来，微电子器件，电力电子技术迅速发展，并且向电气传动领域的渗透，当代电气传动中实现自动化和节能的重要手段便是交流调速，因此，变频调速装置得到了广泛的应用。随着社会的发展各类变频装置的需求还将增加。在实际应用中对交流电力变换设备的要求十分复杂，但是理想的电能变换器应具有以下特点：

(1)具有良好的输出特性，可实现无谐波的电能变换；

(2)具有简单、紧凑的结构以及较高的功率密度[2]；

(3)有较高的电能变换效率；

(4)能够多象限运行，并实现能量双向流动；

(5)具有良好的输入特性，可在单位功率因数状态（功率因数为1）下运行。

1.2 传统交流变换技术存在的问题

交流传动一般采用广泛使用的“交 - 直 - 交”的形式，它的主要优点是实现了高效率的变频调速系统。然而，这种传统逆变器有需要大容量的中间支撑，实现能量回馈需要使用额外的措施等问题。更重要的是，较高的输入电流谐波含量，低功率输入功率因数，造成电网的污染影响其它电网负载的正常运行。另一种变频器装置则采用“AC-AC”的形式，亦存在两个缺点：

(1) 输出频率低，并且当输出频率升高时，谐波分量增加。

(2) 由于采用相控方式，输入功率因数较低，对电能品质产生很大影响。所以，交－交变频器主要应用于低速、大功率的调速装置中。

因此，目前一般的交－直－交变频器和交－交变频器都存在无功功率和谐波污染，导致了电压波形的畸变，对电力设备造成严重危害。近年来，由于各种电力电子器件的广泛使用，导致各种故障和事故层出不穷，使得公共电网的谐波污染不断加剧。谐波危害已成为人类所面临的世纪性难题，防治电力公害任重道远[3,4]。

1.3 矩阵式变换器

总之，消除谐波和提高功率因数己成为电力电子领域中的前沿课题。因此，新型变频器的研制已成当前主流发展趋势。新型变换器应具有一些特点：良好的输出特性；高输入功率因数，能够消除对电网的谐波污染；双向开关，双向能量可以流动；满足四象限操作；没有中间直流环节，结构紧凑，体积小，效率高[5,6]。

矩阵变换器作为一种新型的变换器，具有高压大功率、高频化、高功率因数等特点。并且随着电力电子器件的不断进步，矩阵式变换器将会交流变频调速领域中占有重要地位。因此，对它做进一步的深入研究具有很大的实际意义[7]。本文以矩阵式电力变换器为研究背景，研究交流-交流变换器中，双向开关的控制策略问题。

1.4 矩阵式变换器存在的问题

(1) 安全换流问题

矩阵式变换器研究中一个非常重要的问题就是矩阵变换器中各相双向开关之间能否实现安全换流。若没有协调好各相双向开关之间换流时间以及开关次序，则矩阵变换器各相之间极容易发生短路以及同时断路。目前矩阵变换器普遍使用半软化四步换流方案[9]，在国内外研究矩阵变换器的研究基本上都是使用四步换流方案。

（2）矩阵变换器固有缺陷

矩阵式变换器的输出、输入电压传输比低，因此如何提高电压传输比是矩阵变换器在通用调速系统中急需解决的难点。

（3）控制方法

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交直接变换法(双电压空间矢量PWM法)。但由于其抗干扰性能差，对矩阵变换器双向开关四步换流策略的研究造成极大困难[8]。本文采用坐标变换法控制策略，各个开关占空比具有统一的计算公式，有利于四步换流的研究。但其输出、输入电压增益最大值为0.5，而使这种控制方式实用化并优化输入输出电压波形，其关键在于如何优化坐标变换法电压增益较低。