1　引言

　　众所周知，变速恒频发电方式可使原动机（风力机、水轮机）在一定的可变速度范围内运行，从而提高能量的获取和转换利用率，是一种适合水力或风力等可再生能源发电利用的运行方式。实现变速恒频发电的优化方案是交流励磁技术，采用这种技术可使发电系统根据原动机的转速变化来调节励磁电流的频率，从而实现变速恒频发电；通过改变励磁电流的幅值和相位来调节发电机的有功、无功功率。要实现交流励磁发电，关键在于开发出一种输入、输出特性好，无电力谐波，功率可双向流动的变频器，矩阵式变换器可以满足这种要求^［1］。另一方面，随着各类电力电子装置的日益广泛应用，电网中的谐波污染也越来越严重，防治“电力公害”，提高供电质量是当前电工技术最为关注的热点问题。除了被动的谐波抑制外，可改变变频装置的输入、输出特性的谐波削减主动措施具有事半功倍的效果，更为人们所关注^［2］。矩阵式变换器是一种能够适合这种要求且具有先进拓扑结构的“全硅”功率变换器，它允许频率单级变换，无需大容量的贮能元件，在输入正弦波电流时，其输入功率因数可达到0．99以上并可自由调节，且与负载的功率因数无关；它能输出正弦波电压，而且能量可双向流动。但是矩阵式变换器也有一些固有的缺陷，如电压传输比较低，控制策略和保护方案较复杂，以及目前尚缺乏真正意义上的双向开关器件等。本文建立了矩阵式变换器的仿真模型，对其控制方式、输入输出特性和功率双向流动等关键技术及性能进行了评估，仿真中获得的控制策略直表得出，符合实际工作过程，因而可供实际系统设计和实现优化控制参考，并具有工程实用价值。

2　矩阵式变换器的交—交直接变换控制

　　矩阵式变换器的交—交直接变换关系可以从等效的交—直—交变换中推得^［3］。对于一组频率为ω_i的三相输入电压，通过按一定规则控制变换器中功率开关，可以合成所需频率为ω_o的三相输出电压，即

式中　变换矩阵T反映了矩阵式变换器的控制方式。
　　常用的间接变换法是由一个虚拟的整流器和一个虚拟的逆变器来构成等效的交－直－交结构以代替实际的交－交变换器，中间存在一个虚拟的直流环节P－N，如图1所示。采用这样的等效结构可以充分利用已有成熟的PWM控制技术，并可通过对比得出如图2所示实际结构矩阵式变换器的开关控制规律。

　　对于图1和图2，应先定义开关函数S_jk：导通时，取S_jk＝1；断开时，取S_jk＝0。
　　这样，图1的等效交—直—交结构应有j∈｛a，b，c，A，B，C｝，k∈｛P，N｝。按照输入电压不能被短路、输出电路不能突然开路的原则，与虚拟整流器位于同一直流母线上的开关必须有一个且只能有一个处于导通状态，即

S_ak＋S_bk＋S_ck＝1，k∈｛P，N｝（2）

　　而虚拟逆变器同一输出相上必须有一个而且只能有一个开关导通，即

　　对于图2矩阵式变换器的实际结构，则有j∈｛A，B，C｝，k∈｛a，b，c｝。按照输入电压不能被短路，输出电路不能突然开路的原则，每一输出相只能连至且必须连至一个输入相，开关函数须满足：

　　根据上述限定条件可分别推导出实际矩阵式变换器和等效交－直－交结构的输入、输出电压变换矩阵T，由此进而得到两种结构开关函数之间的对
应关系，即

　　按照等效交－直－交的间接变换原则，这个限定条件意味着矩阵式变换器的三条输出线只能连到一条或两条输入线上，不能分别连到三条不同的输入线上。这是因为采用了等效交—直—交方法后，中间虚拟直流环节电压只能是两个输入相电压之差，故而三个输出相不可能分别连至三个输入相。
　　由于矩阵式变换器可以等效成虚拟交－直－交变换结构，因此可以采用众多的交—直—交变换中的PWM调制方式^［4］，其中空间矢量调制是最为优越的一种。
　　经过对等效交—直—交变换的逆变部分采用输出线电压空间矢量调制、对整流部分采用输入相电流空间矢量调制后，根据开关函数的对应关系可以综合出矩阵式变换器的交—交直接变换控制策略，即双空间矢量PWM调制。实际的矩阵式变换器中，同一开关既是虚拟整流器中的开关，又是虚拟逆变器中的开关；每个调制周期内既要进行输出线电压的矢量调制，又要进行输入相电流的矢量调制，两种调制是相互包含、同时进行的。在双空间矢量PWM调制实施中，逆变器部分的理想输出线电压基准矢量圆和整流器部分的理想输入相电流基准矢量圆都被划分为6个扇区，从而有36种可能的组合。以虚拟整流器、逆变器均工作在第I扇区为例，可以用于矢量合成的空间电流和电压矢量分别是I₆，I₁和U₆，U₁。两个空间矢量的调制采用相互嵌套的办法来实现。当虚拟整流器的作用矢量为I₆时，虚拟整流器输出电压为U_ab，虚拟逆变器应采用U₆与U₁进行矢量合成；当虚拟整流器的作用矢量为I₁时，虚拟整流器输出电压为U_ac，虚拟逆变器再次采用U₆与U₁进行矢量合成；故整个输入相电流和输出线电压矢量合成过程共有I₆－U₆，I₆—U₁，I₁－U₆，I₁－U₁和零矢量I₀－U₀五种组合。由于虚拟逆变器和虚拟整流器是级联的，因此用占空比表示每一矢量组合的作用时间应是该组合内各矢量占空比的乘积。即：

式中　θ_i为输入相电流的相角；θ_ν为输出线电压的相角。
　　由于采用了相互嵌套的双空间矢量PWM调制策略，既可保证输出线电压的良好正弦性，又能保证输入相电流的良好正弦性，这样的建模方式真正达到了矩阵式变换器的交—交直接变换目标。

3　仿真研究

　　为了验证所导出的交—交直接变换在矩阵式变换器控制方法的正确性和有效性，应用Matlab／Simulink软件包和交—交直接变换控制开关表对三相矩阵式变换器进行了仿真。当负载为电阻性负载时其典型的输入电流和输出电压波形如图3所示。当输入采用了高频滤波器以使输入相电流连续并拖动三相异步电机时，电机起动过程电流和电磁转矩波形如图4所示，稳态运行时其典型的输入、输出电压、电流波形如图5所示。

　　可以看出，矩阵式交—交变换器输入电压、电流为正弦波且基本同相，输出线电压为经脉宽调制的正弦波、线电流呈正弦变化，输入电流和输出电压频谱中基波占绝对主要成分，这就验证了本文模型和控制策略的正确性。也表明其优良的输入输出正弦特性非常适合于用作交流励磁电机励磁变频器，特别是用于变速恒频发电系统之中。

4　结论

　　由于矩阵式变换器优良的输入、输出特性和功率的可双向流动能力，使这类新型拓扑结构的变流器得到了广泛的研究。本文针对矩阵式变换器交—交一次性功率变换的本质，利用当前对它采用的等效交—直—交变换成果和成熟的PWM调制技术，得出了交－交直接变换控制的方法。通过对此方法的建模与仿真，验证了这类直接变换控制方法的可行性和有效性。更重要的是通过仿真获得的开关控制模式可以直接移植到实际矩阵式变换器的开关触发控制中，具有实用价值，并可供今后矩阵式变换器的应用研究参考。

参考文献：

［1］　L Zhang，C Watthanasarn and W．Shepherd．Application of ma－trix converter for a variable－speed wind－turbine driving a doublefed induction generator［J］．IECON Proceedings，V2．1997：906－911．
［2］　王兆安，杨君，刘进军．谐波抑制和无功功率补偿［M］．北京：机械工业出版社．
［3］　陈伯时，陆海慧．矩阵式交—交变换器及其控制［J］．电力电子技术，1999，（1）：8－11．
［4］　吴守箴，臧英杰．电气传动的脉宽调制控制技术［M］．北京：机械工业出版社．

（上接第27页）

比。该系统的软件部分除了针对湖北电网EMS（ABBSPIDER系统），对其某些应用软件进行了修改和数据格式转换外，其它功能模块均为通用型标准化设计，适用于其它各种类型的EMS。因此该EMS考核监视管理系统有较高的推广应用价值。

参考文献：

［1］　国调中心［1999］207号文《关于印发“EMS应用软件基本功能　　实用化要求及验收细则”的通知》［Z］．
［2］　SPIDER operator＇s nanual（ABBEMS操作手册）［Z］．