基于模塊化設計的矩陣式變流器控制策略研究

摘要：在目前各領域對于電能轉換特別是高效變頻裝置存在迫切需求的背景下，在詳細分析模塊化的矩陣式變流器的拓撲結構、開關狀態和工作原理的基礎上，設計了一套矩陣式變流器的控制策略。采用編程實現了數字化控制，并利用PSIM仿真軟件對所設計的控制策略進行了驗證，仿真結果證實，所設計的控制策略具有變頻特性良好、諧波含量少、波形正弦性好等優勢。該矩陣式變流器控制策略對高性能電力電子裝置設計具有實際意義。

關鍵詞：矩陣式變流器；模塊化設計；直接交交變流；變頻器

中圖分類號：TM46" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）08-0060-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.08.015

0" " 引言

隨著近年來科技的迅速發展，各領域對電能的需求也在不斷提高，對電能的高效變換和精確控制提出了更高要求，特別是對于高性能變頻裝置的需求[1]。對于交流電的變頻，目前通常采用的是交-直-交的電能變換方案，即先將電網的交流電能用整流器變為直流電，經過直流支撐電容后再利用后端逆變器變為所需的交流電。此類交-直-交變換器有許多缺點，比如采用大電容濾波導致功率因數低下、容易造成輸入交流電流嚴重畸變、可靠性低下、不利于實現設備小型化設計等。

矩陣式變換器是一種高效的直接交交變頻裝置，其不含有直流環節。矩陣式變流器具有結構小、布局緊湊、能量能雙向流動、輸出交流電頻率、幅值和相位均可自由調節等優點，非常適合當前各領域對于變頻裝置的需求，具有較高的研究價值和廣泛的應用場景[2]。

目前，國內外學者對于矩陣式變流器的控制方式有了一些研究，主要有直接控制法、空間矢量控制、電流滯環控制等。直接控制法的優點是能自由控制輸入或輸出波形，但存在計算量大、計算步驟繁雜等缺點，因此直接控制法難以在微處理器上實現[3-4]；空間矢量控制的優點是易于實現且穩定性好，例如采用虛擬逆變無扇區的控制方式實現矩陣變流器控制，可將傳統算法的36種狀態簡化到18種從而簡化計算[5]；也有學者研究將滯環控制等方式引入矩陣式變換器中，結合零矢量補償的方式來優化對電流的控制，但是滯環控制本身存在開關頻率不確定、難以數字化實現等問題[6]。

本文首先分析了矩陣式變換器的拓撲結構和工作原理，在此基礎上設計了一種穩定可靠的矩陣式變流器控制策略，使其輸出電壓可以根據需要進行調節，并采用仿真驗證了所設計控制策略的可行性。

1" " 矩陣式變流器基本原理

1.1" " 矩陣式變流器拓撲

矩陣式變流器的結構非常適合模塊化設計，可以實現任意相輸入和任意相輸出。以常見的三相輸入、三相輸出為例，其拓撲結構如圖1所示。

圖1中，共有3×3=9個開關結構，每個開關處由一個交流電子開關構成。一個交流電子開關一般采用反向串聯的2個全控器件模塊組成，如圖2所示。

每個交流電子開關可以使輸出端和任意輸入端相連接，從而使得矩陣變流器的控制十分自由，可以實現良好的控制特性。同時，矩陣式變流器的每一個交流電子開關都是相同的模塊，當調整輸入或輸出相數時只需要添加相同的模塊，而不用重新設計變流器拓撲，符合模塊化的發展趨勢。

1.2" " 矩陣式變換器開關狀態

矩陣式變流器的所有開關狀態可以寫成：

式中：Sij表示矩陣變流器中輸出為i、輸入為j的開關狀態，輸出i∈{A，B，C}，輸入j∈{a，b，c}，Sij∈{1，0}。例如SAb表示輸出為A相、輸入為b相的開關。

當某個開關Sij為0時，兩個IGBT均為關斷狀態；當為1時，根據當時電流的流向，V1或V2有一個為1，另一個為0。公式（1）中共有29種開關狀態，但是由于矩陣變流器結構特點，有如下約束：

（1）從輸入端看，兩個輸入端不可以同時接到同一個輸出端，否則輸入端會短路；

（2）每一個輸出端都需要始終和一個輸入端連接，避免輸出端上的感性負載開路。

所以開關回路有以下約束方程：

2" " 矩陣式變流器控制策略

2.1" " 控制策略分析

根據1.2的分析，矩陣式變換器的開關狀態如表1所示。

能夠滿足約束條件的開關狀態共有21種，如表1所示。其中“1”表示對應位置開關導通，“0”表示對應位置開關截止。對于表中每一種狀態，矩陣式變流器有唯一一種開關狀態與之對應，該開關狀態的效果如表最后一列所示。如第一行的開關狀態“100 100 010”，即將輸入的a相同時接到輸出的A相和B相；將輸入的b相接到輸出的C相；輸入的c相不接，因此也可以用“aab”來表示該開關狀態。

2.2" " 矩陣式變流器控制策略實現

矩陣式變流器在實際控制中可進一步看成一個三相橋式整流電路和一個三相橋式逆變電路的組合，但在直流回路中不存在直流支撐電容，因此直流母線電壓是實時變化的。矩陣式變流器等效電路圖如圖3所示。

矩陣式變流器的控制策略如圖4所示，三相輸入電壓經過電壓調節器后，計算出虛擬的母線電壓值，然后和經過電流調節器的輸出電流結合，得到矩陣式變流器的開關狀態。由于每一種開關狀態和唯一一種變流器狀態對應，因此可以直接從開關狀態得到變流器18個開關器件的具體通斷情況。

3" " 仿真與分析

3.1" " PSIM仿真軟件

PSIM（Power Simulation）軟件是一款電力電子及電機控制領域專門的仿真軟件，可以實現對電力電子電路的主電路進行快速搭建，對控制系統進行設計與驗證。采用PSIM自帶的C block或DLL鏈接庫模塊，可以利用C語言實現基于數字化控制系統的電力電子電路的仿真。

本次矩陣式變流器的仿真電路如圖5所示。

本次仿真中，各個器件的主要參數如表2所示。

3.2" " 仿真結果與結果分析

利用3.1的仿真模型對矩陣式變流器進行仿真，輸出電流的輸出有效值為23.1 A，頻率為20 Hz，實現了對交流輸入的變頻控制。各相電流之間相位相差120°。三相電流的仿真波形如圖6所示。

利用PSIM的FFT分析工具對輸出A相電流iA的諧波分布情形進行分析，FFT結果表明相電流中諧波含量較少，主要集中在100/140/220/260 Hz附近，即5次和7次諧波、11次和13次諧波處，隨諧波次數增加，諧波含量明顯減少。FFT分析結果如圖7所示。

4" " 結語

本文對模塊化的矩陣式變流器的工作原理進行了詳細分析，在此基礎上，基于數字控制器設計了矩陣式變流器的控制策略。利用PSIM仿真工具驗證了所設計控制策略的有效性，所設計的控制策略能夠輸出指定頻率和幅值的三相電流，輸出電流相位準確、電流畸變小，仿真結果證明了所設計的方法的有效性。

[參考文獻]

[1] 康鳴.單相電流型高頻鏈矩陣式電力電子變壓器及其解結耦調制[D].秦皇島：燕山大學，2020.

[2] 劉釗，葉曙光，張倩，等.矩陣式雙向變流器改進型換流策略[J].電力自動化設備，2015，35（3）：108-113.

[3] 范博然，王奎，李永東，等.基于模塊化多電平矩陣變流器的可調速抽水蓄能系統[J].電工技術學報，2018，33（S2）：511-518.

[4] 黃科元.矩陣式變換器的空間矢量調制及其應用研究[D].杭州：浙江大學，2004.

[5] 唐釀，肖湘寧，陳征，等.矩陣變流器虛擬逆變側無扇區調制算法[J].中國電機工程學報，2012，32（9）：79-85.

[6] 蔡灝.基于電流滯環控制的矩陣變換器的研究[D].武漢：華中科技大學，2007.

收稿日期：2023-01-06

作者簡介：學江煜（1993—），男，福建泉州人，助教，研究方向：電力電子與電力傳動。