摘要：風力發電是一種重要的新能源技術。介紹了應用于新型風力發電系統的矩陣變換器，詳細分析了具有9個雙向開關的傳統矩陣變換器與改進的雙橋結構矩陣變換器，以及各自的優缺點。通過分析比較得出，雙橋結構矩陣變換器控制策略簡單，對于不同負載，開關數目可以減少。其中，具有15個開關的雙橋矩陣變換器以其經濟性和控制的成熟性，適用于新型的風力發電系統。最后，詳細介紹了該雙橋式矩陣變換器箝位電路的工作原理和參數設計。

關鍵詞：矩陣變換器；雙向開關；雙橋結構拓撲；箝位電路

1 引言

隨著電力電子裝置的日益普及，諧波和無功電流造成的電力公害越來越受到重視。風力發電作為一種真正的“綠色”能源，在國民經濟中占有極為重要的地位，它可以從根本上消除無功電流和諧波污染。圖1是一種新型的風力發電系統基本結構框圖。

圖 1 風 力 發 電 系 統 基 本 結 構 框 圖

Fig.1 Basic block diagram of WETS

該系統主要由1臺無刷雙饋異步電機，1臺交－交變頻器和一套控制裝置組成。其中無刷雙饋電機的定子接電網，轉子接變頻器，通過控制轉子電流的頻率、幅值、相位和相序，使系統實現兩個功能：一是發電機在不同的轉速下，都能發出恒頻電能，通過變頻器傳輸至電網，即實現變速恒頻運行；二是發電機定子端有功功率和無功功率可以獨立調節。那么，作為連接電網和發電機的交－交變頻器設備，其設計成為一個關鍵，要求它具有優良控制性能，結構緊湊，而且具有高功率因數。

然而目前流行的交－直－交變頻器和交－交周波變換器，均有其負面影響——無功功率和諧波污染，需要添加有源濾波和無功補償裝置。因此，開發“綠色”電力電子變換器，提高功率因數，各次諧波分量小于國際和國家標準允許的限度，顯然這才是一種治本的辦法^[1]。

矩陣變換器具有以下優點^[2]：

1)可以實現四象限操作，能量雙向流動；

2)輸入功率因數可接近1；

3)無直流中間環節，不需儲能電容，結構簡單；

4)可獲得正弦波形的輸入電流和輸出電壓，無低次諧波；

5)輸出頻率不受輸入電源頻率的限制；

6)可實現變速恒頻應用。

基于上述優點，本新型風力發電系統的交-交變頻器采用矩陣變換器。通過合理設計，使風力機組直接投入電網運行，這為風力發電的廣泛應用提供了堅實的基礎。

矩陣變換器的設計關鍵在于主電路拓撲結構的選擇，波形生成及控制電路，箝位保護電路和其它功能輔助電路的實現。本文主要對矩陣變換器的拓撲結構和基本的箝位保護電路作了若干類比分析；對波形生成及控制電路和其它功能輔助電路的具體分析將在另文中作進一步的研究。

2 傳統矩陣變換器及其改進型的類比分析

2.1 傳統矩陣變換器分析

傳統的矩陣變換器由9個雙向開關組成，其拓撲結構如圖2所示^[5]。虛框內為箝位保護電路，將在后續部分進行分析。矩陣變換器所用的雙向開關有三種結構形式，如圖3所示。

圖 2 傳 統 矩 陣 變 換 器 主 電 路

Fig.2 Topology of conventional matrix converter

(a) 開 關 內 嵌 式 (b) 開 關 共 射 極 式 (c) 開 關 共 集 電 極 式

圖 3 雙 向 開 關 的 三 種 形 式

Fig.3 Three different bi- directional switch implementations for matrix converter

傳統矩陣變換器結構簡單，可控性強，可以直接進行三相功率變換。它的輸入可以是N相頻率為fi的交流電，輸出可以是M相頻率為f0的交流電，目前一般以三相輸入輸出為主。下面先簡單分析它的工作原理。根據圖2所示，9個雙向開關在每個開關周期內的占空比組成3行3列矩陣，稱為開關調制矩陣。矩陣變換器的控制即是找到并實現一個滿足開關限制條件的開關調制矩陣S。基于上述條件，需先建立開關的開關函數。

對于任意雙向開關，其開關函數S_jk定義為：當開關斷開時S_jk=0，閉合時S_jk=1；其中j={a，b，c}，k={u，v， w}。則圖2的三相輸出線電壓與開關函數的關系可表述為

==S·（1）

對于三相對稱的情況，三相輸入線電壓滿足方程：

V_sa＋V_sb＋V_sc=0（2）

從式(1)可見，選取不同的開關調制矩陣S，對它進行實時計算，控制開關的占空比輸出，便得到不同的控制方法，實現所需的電源電壓和頻率的變換^[8]。在進行具體的理論分析時，可以將該交-交直接矩陣變換器等效為成交-直-交的形式，如圖4所示。

圖 4 等 效 的 矩 陣 變 換 器 拓 撲

Fig.4 Equivalent matrix converter topology

實際應用中，由于輸入端是電壓源供電，不能短路；感性負載時，輸出端不能開路，即是在變換器工作過程中，同一輸出線上的三個開關中，必須且只能有一個開關閉合，所以開關函數還必須滿足式（3）

S_ak＋S_bk＋S_ck=1，（k∈P，N）（3）

根據圖4，利用附加的中間量VP， VN(以O點為參考點),可將式(1)轉化為如下方程：

=（4）

=（5）

式(4)和式(5)是進行雙橋矩陣變換器拓撲改進的理論基礎。因為，在稍后的應用研究中，將會發現傳統拓撲存在下述缺陷：

1）最大電壓增益為0.866，并且與控制算法無關；

2）主電路采用9個雙向開關，在應用中存在著雙向開關的控制和保護問題；要實現雙向開關的控制和保護，要求兩個開關換流時，既不能有死區又不能有交疊，任何一種情況都將導致開關管的損壞；目前，為了實現安全換流，BuranyN.提出了一種四步半軟換流策略^[3]，臺灣學者潘晴財教授提出了一種基于電流滯環調制的諧振式軟開關換流策略；

3）必須采用復雜的PWM控制和保護策略，同時要求采用復雜的箝位保護電路。

為了克服上述問題，出現了一種新的雙橋式矩陣變換器拓撲^[4]。

2.2 雙橋式矩陣變換器分析

雙橋式矩陣變換器具有雙橋結構。它克服了傳統矩陣變換器的缺點，此外還具有以下的優點：

1)控制容易，電網側的單橋可實現零電流開關，負載端開關控制類似于傳統的DC/AC逆變器；

2)不同負載，開關數目可以減少；

3)箝位電路大大簡化。

雙橋矩陣變換器的基本原理是將交－交矩陣變換器等效為“整流器”和“逆變器”兩部分，且工作過程是在同一級變換器上進行的。在風力發電系統中，通過對“整流器”理想開關函數的控制以獲得最大的直流電壓，而調節“逆變器”的理想開關函數可得到所需頻率和幅值的輸出電壓。因此，可以方便地實現目前控制性能最好的矢量控制，簡化了原有的傳統矩陣變換器的控制方案。在采用矢量控制的電機調速應用場合，可將電機調速系統的矢量控制和變換器的矢量控制合為一體。目前已有專用的SVPWM集成芯片供選用，控制簡單^[2]。

2.2.1 18個開關的矩陣變換器

基于一定的假設，可實現圖4所示的矩陣變換器。當V_P恒大于V_N時，在負載側單橋可用單向開關代替雙向開關，得到圖5所示的18個開關的雙橋矩陣變換器拓撲^[4]。該拓撲適用于負載側單橋的電壓極性不可改變的場合，通過對電流流向的控制，同樣可以實現功率的雙向傳輸。那么，在風電系統中，既可以實現從電網供電，也可以實現從負載端(無刷雙饋發電機)向電網反饋能量，獲得風機的大范圍變速恒頻應用。

圖 5 18個 單 向 開 關 的 矩 陣 變 換 器

Fig.5 Topology with 18 single directional switches