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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1/3~1/2；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(MatrixConverter，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[3][4]，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[5][6]。

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[8][9]，并通过实验样机得到验证，这些研究基本克服了Venturini控制方