矩阵变换器在风力发电系统中的应用研究

　　从式（1）可见，选取不同的开关调制矩阵S，对它进行实时计算，控制开关的占空比输出，便得到不同的控制方法，实现所需的电源电压和频率的变换[8]。在进行具体的理论分析时，可以将该交-交直接矩阵变换器等效为成交-直-交的形式，如图4所示。

　　实际应用中，由于输入端是电压源供电，不能短路；感性负载时，输出端不能开路，即是在变换器工作过程中，同一输出线上的三个开关中，必须且只能有一个开关闭合，所以开关函数还必须满足式（3）
　　Sak＋Sbk＋Sck=1，（k∈P，N）（3）
　　根据图4，利用附加的中间量VP， VN（以O点为参考点）,可将式（1）转化为如下方程：

　　式（4）和式（5）是进行双桥矩阵变换器拓扑改进的理论基础。因为，在稍后的应用研究中，将会发现传统拓扑存在下述缺陷：
　　1）最大电压增益为0.866，并且与控制算法无关；
　　2）主电路采用9个双向开关，在应用中存在着双向开关的控制和保护问题；要实现双向开关的控制和保护，要求两个开关换流时，既不能有死区又不能有交叠，任何一种情况都将导致开关管的损坏；目前，为了实现安全换流，BuranyN.提出了一种四步半软换流策略[3]，台湾学者潘晴财教授提出了一种基于电流滞环调制的谐振式软开关换流策略；
　　3）必须采用复杂的PWM控制和保护策略，同时要求采用复杂的箝位保护电路。
　　为了克服上述问题，出现了一种新的双桥式矩阵变换器拓扑[4]。
　　2.2  双桥式矩阵变换器分析
　　双桥式矩阵变换器具有双桥结构。它克服了传统矩阵变换器的缺点，此外还具有以下的优点：
　　1）控制容易，电网侧的单桥可实现零电流开关，负载端开关控制类似于传统的DC/AC逆变器；
　　2）不同负载，开关数目可以减少；
　　3）箝位电路大大简化。
　　双桥矩阵变换器的基本原理是将交－交矩阵变换器等效为“整流器”和“逆变器”两部分，且工作过程是在同一级变换器上进行的。在风力发电系统中，通过对“整流器”理想开关函数的控制以获得最大的直流电压，而调节“逆变器”的理想开关函数可得到所需频率和幅值的输出电压。因此，可以方便地实现目前控制性能最好的矢量控制，简化了原有的传统矩阵变换器的控制方案。在采用矢量控制的电机调速应用场合，可将电机调速系统的矢量控制和变换器的矢量控制合为一体。目前已有专用的SVPWM集成芯片供选用，控制简单[2]。
　　2.2.1  18个开关的矩阵变换器
　　基于一定的假设，可实现图4所示的矩阵变换器。当VP恒大于VN时，在负载侧单桥可用单向开关代替双向开关，得到图5所示的18个开关的双桥矩阵变换器拓扑[4]。该拓扑适用于负载侧单桥的电压极性不可改变的场合，通过对电流流向的控制，同样可以实现功率的双向传输。那么，在风电系统中，既可以实现从电网供电，也可以实现从负载端（无刷双馈发电机）向电网反馈能量，获得风机的大范围变速恒频应用。