矩陣變換器-永磁同步電機系統

夏長亮閻彥

（1.天津市電工電能新技術重點實驗室天津工業大學天津300387 2.天津大學電氣與自動化工程學院天津300072）

矩陣變換器-永磁同步電機系統

夏長亮1，2閻彥2

（1.天津市電工電能新技術重點實驗室天津工業大學天津300387 2.天津大學電氣與自動化工程學院天津300072）

矩陣變換器-永磁同步電機系統具有結構緊湊、能量雙向流動以及網側功率因數調整靈活等特點，是實現高端裝備動力部件高控制精度、高功率密度以及高運行效率的有效方案。從功率拓撲結構和控制方式入手，綜合其在變流技術和控制技術上的突破性成果，探討了電機系統運行控制過程中面臨的關鍵問題及其解決方案。展望未來發展，矩陣變換器拓撲結構的創新、變流與控制技術的整合與新型電力電子器件的應用將有力支撐矩陣變換器-永磁同步電機系統在推動裝備高端化上取得突破。

矩陣變換器永磁同步電機變流技術控制技術

0　引言

電機系統是支撐國民經濟發展和國防建設的重要能源動力裝備。隨著我國建設步伐的不斷加快，裝備制造業面臨的技術需求日益提高，給電機系統的發展注入了新的動力，同時也對電機系統及其控制技術提出了更高要求。目前，研究開發高控制精度、高功率密度以及高運行效率的永磁同步電機系統是推進裝備高端化發展的關鍵。

永磁同步電機系統由永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）、變流器和控制器組成，其中變流器多采用二極管整流與電壓源逆變器相連的功率變換結構（Diode Rectifier-Voltage SourceInverter，DR-VSI）。這類系統相關技術已十分成熟，但在以下方面存在不足：①受制動電阻發熱及電容放電速率制約，難以具備更快速的動態運行能力；②電機回饋的電能以熱能形式消耗，不利于節能；③系統輸入側功率因數偏低，對電網供電質量造成影響；④體積和重量較大，同時電容器電解液的揮發性導致電機系統應用環境受到嚴格限制。針對上述問題，基于矩陣變換器（Matrix Converter，MC）技術的永磁同步電機系統成為實現高控制精度、高功率密度以及高運行效率目標的一種有效方案。

1　MC-PMSM系統特點與結構

MC-PMSM系統由永磁同步電機、矩陣變換器和控制器三部分組成。矩陣變換器是一種在強迫換流周波變換器基礎上發展起來的交-交單級功率變換器。與DR-VSI結構變換器相比，矩陣變換器具有無需中間直流側電容、能量雙向流動、輸入與輸出波形正弦且諧波畸變小、輸入電流相位調整靈活等優點［1，2］。秉承上述優勢，由矩陣變換器構成的永磁同步電機系統具有如下特點：①功率密度大，結構緊湊，環境適應性強；②電機再生能量饋送電網，具有快速地制動和頻繁正反轉能力；③系統輸入電流正弦，功率因數調整靈活，與電網兼容性好。

按電機控制策略劃分，MC-PMSM系統目前主要有矢量控制和直接轉矩控制兩種形式。

圖1為MC-PMSM系統矢量控制結構簡圖。圖中，矢量控制利用旋轉坐標變換將電機各被控物理量從三相靜止坐標系下的交流量形式轉換為同步旋轉坐標系下的直流量形式，使電機電磁轉矩僅受控于定子電流交軸及直軸分量大小，通過對電流的控制，獲得施加于電機的電壓參考量。在此基礎上，矩陣變換器作為功率變換電源，在調制策略和換流控制作用下，通過對功率開關的通斷控制，將電壓參考量轉換為電機運行所需的實際電壓信號。

圖1　MC-PMSM系統矢量控制結構簡圖（id=0控制）Fig.1 Diagram of MC-PMSM under vector control（id=0 control）

圖2為MC-PMSM系統直接轉矩控制結構簡圖。與DR-VSI結構電機系統的直接轉矩控制相比，該系統通過對空間矢量的兩次篩選來確定開關狀態。首先，根據轉矩、磁鏈滯環比較器的輸出和定子磁鏈所在扇區從逆變器開關表中選擇一個虛擬空間矢量，完成第一次篩選；然后，根據功率因數角的滯環比較器輸出量和輸入電壓矢量所在扇區號，從矩陣變換器開關表中選擇與虛擬空間矢量同方向的矩陣變換器空間矢量，完成第二次篩選。

圖2　MC-PMSM系統直接轉矩控制結構簡圖Fig.2 Diagram of MC-PMSM under direct torque control

在MC-PMSM系統中，矩陣變換器的拓撲結構形式多樣，其中有良好應用前景的結構包括：

1）直接矩陣變換器

直接矩陣變換器具有全橋式和半橋式兩種形式。半橋式結構如圖3所示，由9個雙向開關組成，常被稱為傳統矩陣變換器（Conventional Matrix Converter，CMC），由于所需功率開關數量僅是全橋式結構的一半，因而受到研究人員廣泛關注，積累了大量研究成果和成功應用實例。

圖3　傳統矩陣變換器Fig.3 Conventionalmatrix converter

2）間接矩陣變換器

區別于直接矩陣變換器的交-交單級變換，間接矩陣變換器由整流和逆變兩級變換構成［3］，如圖4所示。逆變級采用普通三相半橋式逆變電路，整流級采用6個雙向開關構成的橋式整流電路。與CMC相比，該類變換器在換流方式上更具優勢，通過整流級與逆變級開關狀態的配合，可實現零電流換流。

圖4　間接矩陣變換器Fig.4 Indirectmatrix converter

3）稀疏矩陣變換器

稀疏矩陣變換器是在間接矩陣變換器基礎上發展而來［4］，如圖5所示。通過進一步限定整流級輸出電壓極性和輸出功率因數范圍，稀疏矩陣變換器還可進一步簡化為非常稀疏矩陣變換器和超稀疏矩陣變換器［5］，最大程度減少功率拓撲結構所需的開關器件數量。

圖5　稀疏矩陣變換器Fig.5 Sparsematrix converter

2　MC-PMSM系統關鍵技術

MC-PMSM系統性能取決于矩陣變換器變流技術和永磁同步電機系統的控制技術。其中，變流技術以向PMSM提供高質量供電電源為出發點，涉及矩陣變換器的調制和換流策略以及電壓傳輸比提升等措施。控制技術以高控制精度為主導，涵蓋系統穩定運行、轉矩波動抑制以及不平衡電網輸入工況下的控制方法等。

2.1變流技術

1）調制技術

調制策略是功率開關器件的動作規則，在該規則下，MC-PMSM系統中的矩陣變換器將電網提供的三相正弦電壓調制為電機運行控制所需的PWM形式電壓，同時保證電網側輸入電流正弦且相位一定范圍內可調，波形如圖6所示。針對CMC結構矩陣變換器，常用調制方法為空間矢量調制和瞬時雙電壓調制。

圖6　矩陣變換器輸入與輸出波形Fig.6 Input and ouputwaveforms ofmatrix converter

空間矢量調制策略，根據是否將CMC的交-交單級變換等效為具有虛擬直流環節的交-直-交兩級變換，被分為間接空間矢量調制和直接空間矢量調制。其中，間接空間矢量調制策略將矩陣變換器等效為整流器-逆變器級聯結構［6］，利用空間矢量調制技術，在整流器和逆變器中分別利用靜止的有效矢量對目標矢量進行合成，然后通過整流器-逆變器與矩陣變換器結構之間的等效關系，實現矩陣變換器期望輸出電壓與期望輸入電流同時調制。與上述利用等效整流器空間矢量和逆變器空間矢量合成期望矢量不同，直接空間矢量調制是一種直接利用矩陣變換器開關狀態對應的空間矢量合成期望矢量的方法［7］。具體來說，該方法將矩陣變換器27種開關狀態對應的輸出電壓和輸入電流表示為空間矢量形式，再根據目標輸出電壓矢量和輸入電流矢量的空間位置，從18個方向固定、幅值時變的有效矢量中選取出4個同時滿足電壓與電流調制要求的有效矢量，實現目標矢量合成。

區別于上述基于空間矢量概念的脈寬調制方法，瞬時雙電壓調制策略屬于標量調制［8］，即根據輸入電壓和期望輸出電壓瞬時值直接計算開關時間，實現輸入線電壓到期望輸出線電壓的合成。該方法在滿足輸出電壓調制要求的同時，也兼顧了輸入電流控制要求，根據期望的輸入電流確定電流分布系數，并據此調整開關作用時間，達到控制矩陣變換器輸入側功率因數的目的。

2）安全換流技術

受功率開關器件導通與關斷延時的影響，矩陣變換器各相輸出電流在不同輸入相間切換時極易出現瞬時輸入電源短路或瞬時輸出電路開路引起的電流沖擊和電壓尖峰問題。目前，實現MC-PMSM系統安全換流的最常用方法是基于輸入電源電壓檢測的四步換流策略和基于輸出電流檢測的四步換流策略［9，10］。上述策略根據輸入線電壓或輸出電流的極性來控制換流支路上雙向開關的導通和關斷狀態，換流控制時序如圖7所示。圖中假設輸出電流從輸入側流向輸出側，三相輸入電壓瞬時值從大到小依次為a相、b相和c相。

圖7　換流控制時序圖Fig.7 Timing diagram of the commutation strategies

關于換流技術，有兩方面性能亟待改善：第一，類似于電壓源逆變器中的死區效應，多步換流策略由于增加功率器件觸發時刻的不確定性及去除窄脈沖觸發信號等原因，導致變換器輸出電壓的非線性偏差增加，引起電機低速運行時的電流畸變、輸出轉矩降低、波動加劇以及電機發熱等問題。目前，將縮減換流時間［11］與窄脈沖消除技術［12］相結合成為改善這一問題的主要方法。第二，換流策略以輸入電壓極性檢測或輸出電流方向檢測為基礎，然而，傳感器及信號調理電路帶來的延時和偏移會在電壓、電流波形過零點附近的門限區域內造成換流失敗，解決這一問題的主要方案有：①提高檢測精度，即利用開關器件的集-射電壓檢測結果計算更精確地輸入電壓極性或輸出電流方向［13，14］；②采用混合換流策略，即當輸出電流過零點附近采用基于電壓檢測的換流策略，而其他情況下采用基于電流檢測的換流策略［15］；③利用非換向相開關續流，完成關斷相與導通相開關狀態的過渡［16］。

3）電壓傳輸比提升技術

矩陣變換器輸出電壓的最大幅值僅為輸入電源電壓幅值的86.6%［17］。這一限值使得一定靜差率要求下的MC-PMSM系統調速范圍有較大縮減。針對這一問題，重新設計與矩陣變換器輸出電壓相匹配的永磁同步電機，可達到治本效果。但考慮到電機設計、加工以及拖動裝置改造成本，該方案可操作性有待商榷。目前，主要解決方案集中于拓撲結構和調制策略研究上。在拓撲結構研究方面，提升電壓傳輸比的方法有兩種思路：第一，在矩陣變換器拓撲結構中引入升壓或升降壓電路［18，19］。這種方法主要是針對間接矩陣變換器而言，較之CMC結構，間接矩陣變換器含有整流、直流鏈和逆變環節。在直流鏈環節中，可結合成熟的升壓斬波電路，通過提高直流鏈電壓，達到提升電壓傳輸比的目的；在逆變環節中，采用升降壓斬波電路構成的逆變結構，可實現輸出電壓的任意調節。第二，在電路結構中增加電感、電容等儲能元件，典型代表是增加Z源網絡［20，21］。在調制策略研究方面，提升電壓傳輸比的主要方法是采用過調制技術。目前，借鑒增益補償技術［22］，可基本實現電壓傳輸比在1范圍內的基波電壓幅值線性輸出控制。

4）不平衡電網輸入下諧波抑制技術

MC-PMSM采用電網作為交流輸入電源，而電網由于連接非線性負載或負載不均衡，導致三相電網電壓波形存在一定程度的不平衡或畸變。MC采用雙向開關實現輸入電源與負載的直接連接，中間無儲能元件，這一結構導致了其輸出電壓的波形質量易受電網供電質量的影響。研究表明，波形質量惡化的原因在于輸出電壓中含有2 fi±fo（fi為電網電壓頻率，fo為輸出電壓頻率）的低次諧波［23］。針對這一問題，保持輸出功率恒定成為解決思路，主要實現方法有：①利用實時輸入端電壓測量值對矩陣變換器進行調制［24］；②令輸入電流參考值包含正序分量和負序分量兩部分，其中電流的負序分量與正序分量的幅值比等于電網電壓負序分量與正序分量的幅值比，電流的正序、負序分量的初相位分別等于電網電壓正序、負序分量的初相位［25］。采用上述方法，矩陣變換器輸出波形的基波分量理論上與參考輸出相一致，但作為代價，輸入側電流波形會出現嚴重畸變。目前，根據電網實時工況對輸入電流進行動態調制的方法可緩解這一問題［26，27］。圖8為輸入電流常規單位功率因數調制和動態調制下的矩陣變換器輸入-輸出電流特性。

圖8　不平衡電網輸入下MC諧波抑制策略實驗波形Fig.8 Experimental results of harmonics reduction strategy with unbalanced input voltages

5）共模電壓抑制技術

當脈寬調制信號作用于MC-PMSM的功率開關時，會在電機中性點與參考地之間產生共模電壓。共模電壓通過電機的定子、氣隙、轉子、機殼及大地之間的分布電容，形成轉軸到軸承座的軸電壓。當軸電壓克服了電機軸承上的阻抗時，將形成軸電流，進而引起軸承損壞。此外，共模電壓還會引起電機保護措施的誤操作及產生電磁干擾等負面影響。目前，解決方案主要包括硬件補償和軟件抑制兩種形式。其中，硬件補償有兩種結構：①在矩陣變換器輸入側連接由共模變壓器和H橋電路組成的共模電壓補償器，并在輸出側連接LC濾波器［28］；②在矩陣變換器輸入端連接三相-單相矩陣變換器、變壓器和低通濾波器，同時通過脈沖密度調制技術產生兩個相位差為180°的正弦電壓以達到共模電壓抑制效果［29］。對于軟件抑制方法，則利用“零矢量開關狀態產生的共模電壓幅值最高”這一結論，通過優化零矢量調制位置［30］或利用有效矢量代替零矢量調制的方式［31］，將共模電壓最大值降低為MC輸入電壓峰值的57.7%。

2.2控制技術

1）穩定運行技術

為了抑制網側輸入電流中的諧波，MC-PMSM系統輸入側需加裝LC形式的輸入濾波器，如圖1和圖2所示。但當系統輸出功率大于一定限值時，輸入濾波器會導致矩陣變換器的輸入端電壓和輸入線電流出現大幅高頻振蕩現象，頻譜分析表明，此時電壓、電流波形包含基頻和一對差拍頻率分量，如圖9所示。這一現象從非線性動力學角度來看，是矩陣變換器運行在輸出功率臨界點附近所呈現的Hopf分岔現象，而該狀態隨輸出功率的增加還會轉換為混沌現象［32］。目前，改善系統運行穩定性的方法主要有：①采用R-L-C結構濾波器［33］；②基于輸入端電壓濾波方法的改進變換器調制策略［34］；③修正網側輸入電流相位改變系統輸入阻抗特性［35］。

圖9　矩陣變換器不穩定運行時的輸入特性Fig.9 Input characteristics of MC in unstable state

2）矢量控制

MC-PMSM系統的矢量控制，基本上延續了DR-VSI變流器-永磁同步電機系統的控制結構，因而轉矩波動抑制以及死區效應補償等問題是MC-PMSM系統運行所要解決的首要問題。除此之外，MC-PMSM系統的控制還具有特殊性，即系統穩定性改善方法與不平衡電網輸入下諧波抑制策略交互影響，導致矩陣變換器的實際輸出電壓在參考輸出電壓附近上下周期性波動，給電機系統帶來難以濾除的電流低次諧波、轉速和轉矩波動等不良影響。針對上述問題，目前采用內模原理對矢量控制下的電流調節器、轉速調節器重新進行結構和參數設計，可在保證電機系統運行穩定性的前提下，有效提高不平衡電網輸入下的電機系統動、靜態響應性能［36］，如圖10所示。

圖10　采用內模控制MC-PMSM系統實驗結果Fig.10 Experimental results of MC-PMSM with internal model control strategy

3）直接轉矩控制

MC-PMSM系統的直接轉矩控制，在單位控制周期內使用一個開關狀態實現對電機轉矩、磁鏈及電網功率因數的同時控制，方法簡單，但存在輸入電流質量差、轉矩磁鏈波動大和開關頻率不固定的問題。主要原因在于：①移植電壓源逆變器-永磁同步電機直接轉矩控制下的滯環比較器和開關表結構，使得開關頻率不固定和轉矩磁鏈波動大兩個固有問題延續至矩陣變換器-永磁同步電機系統；②矩陣變換器有27個空間矢量，其中包含了6個獨特的旋轉空間矢量以及18個幅值時變、指向固定的有效矢量，但現有矢量的兩級篩選方式無法使矩陣變換器空間矢量對轉矩、磁鏈的細化調節作用完全發揮出來。針對上述問題，MC-PMSM系統的主從矢量直接轉矩控制［37］、占空比優化直接轉矩控制［38］和最優矢量直接轉矩控制策略［39］被陸續提出。通過上述研究，矩陣變換器旋轉矢量與有效矢量互補的轉矩、磁鏈和網側無功功率調控作用被揭示出來，矩陣變換器全部開關狀態對MC-PMSM系統關鍵被控量的作用機制得到建立，直接轉矩控制下的電機系統高精度控制獲得實現。圖11為主從矢量直接轉矩控制與圖2所示傳統控制方法在負載突變工況下的性能對比。

圖11　MC-PMSM系統直接轉矩控制策略實驗結果Fig.11 Experimental results of MC-PMSM with different direct torque control strategy

3　MC-PMSM系統發展趨勢

經過近20年的不斷研究，MC-PMSM系統相關技術取得了長足的發展。就各項關鍵技術的現狀來看，MC-PMSM系統在技術層面呈現以下發展趨勢：

1）采用混合拓撲結構，突破電壓傳輸比極限。電壓傳輸比是矩陣變換器技術的瓶頸問題。在間接矩陣變換器拓撲結構基礎上，結合升壓斬波電路及Z源變換器等，形成混合型矩陣變換器，可為破解這一難題提供很好地思路。因此圍繞這一點開展MC-PMSM系統的基礎理論探索和關鍵技術研究，可助力MC-PMSM系統突破電壓傳輸比極限，實現工業化發展。

2）整合變流與控制技術，實現全面性能提升。矩陣變換器輸出側與輸入側直接通過功率開關相連，較之DR-VSI變流結構的電機系統，由于沒有直流電容緩沖作用，導致MC-PMSM系統性能受變流技術影響很大，且變流技術往往會和控制技術相互交織，增加控制難度。舉例來說，為了增強系統運行穩定性，在變流技術上的改進措施會給不平衡電網輸入工況下的控制策略帶來新的要求。為此，考慮變流技術與控制技術間的交互作用，圍繞MC-PMSM系統的控制需求，探索變流與控制的優化整合與匹配方法，對實現MC-PMSM系統全面性能提升有積極作用。

3）結合新型電力電子器件技術，挑戰功率密度新高。近年來寬能帶間隙材料的半導體器件（如碳化硅和氮化鎵器件）取得了較快發展。這類器件與傳統的硅基電力電子器件相比，在擊穿電場強度、能帶間隙以及熱導率等方面具有突出優勢。將MC-PMSM系統與其相結合，功率密度指標可大幅攀升。最新研究數據表明，在18～25 mm的尺寸范圍內，采用氮化鎵雙向開關以及射頻驅動技術可實現傳統矩陣變換器整體功率電路及驅動電路的設計，滿足4 kW電機的供電需求［40］。按這一態勢發展，矩陣變換器可集成于永磁同步電機內部，由此形成的一體化永磁同步電機系統將推進電機系統及其控制技術進入新的發展階段。

4　結論

隨著對裝備加工精度、工作可靠性和生產效率等指標要求的日益提高，一般的永磁同步電機通用伺服系統無法滿足非常規應用環境下的多重指標要求，使得研究開發高控制精度、高功率密度以及高運行效率的永磁同步電機系統成為推進高端裝備國產化及自主化的關鍵。采用矩陣變換器技術的永磁同步電機系統具有結構緊湊、能量雙向流動以及網側功率因數調整靈活等特點，能較好地契合上述需求。目前，MCPMSM系統在變流技術和控制技術方面積累了大量卓有成效的研究成果，為實現工業化應用打下了良好基礎。隨著后續拓撲結構的發展、變流技術與控制技術的優化整合、新型電力電子器件的應用，MC-PMSM系統技術水平將大幅提高，可望在推動航空航天、機械加工等領域裝備高端化上取得重大突破。

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Matrix Converter-permanent Magnet Synchronous Motor Drives

Xia Changliang1，2Yan Yan2
（1.Tianjin Key Laboratory of Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy Tianjin Polytechnic University Tianjin 300387 China 2.School of Electrical Engineering and Automation Tianjin University Tianjin 300072 China）

Matrix converter-permanent magnet synchronous motor drive（MC-PMSM）has a lot of merits such as compact structure，bidirectional energy transmission，adjustable input power factor，etc.，which can be regarded as an effectual solution for realizing high control precision，high power density as well as high efficiency.In this paper，starting with surveying converter topologies and control strategies of MC-PMSM drive，some key problems on the operation control of the system and related solutions are discussed with breakthroughs in converting and control of the system.At last，as a prediction for the trend of development，MC-PMSM drive is expected to be a breakthrough for high-end equipment developmentwith the innovation of topology ofmatrix converter，the integration of converting and control technology，and the applications of new power electronic devices in the future.

Matrix converter，permanent magnet synchronous motor，commutation technology，control technology

TM921.2

夏長亮男，1968年生，教授，博士生導師，長江學者特聘教授，國家杰出青年基金獲得者，973計劃首席科學家，研究方向為電機系統及其控制、電力電子與電氣傳動。（通信作者）

閻彥女，1981年生，博士，講師，研究方向為電機系統及其控制、電力電子與電氣傳動。

國家重點基礎研究發展（973）計劃（2013CB035600）、國家自然科學基金（51307114）和教育部高等學校博士學科點專項科研基金（20130032120038）資助項目。

2015-10-07改稿日期2015-10-25