1、摘 要雙級(jí)矩陣變換器(Two-stage Matrix Converters,TSMC)是一種三相AC-DC-AC兩級(jí)變換結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)變換器和常規(guī)矩陣變換器相比，雙級(jí)矩陣變換器因其具有輸入輸出性能更好、結(jié)構(gòu)緊湊、換流簡單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的研究。本文對雙級(jí)矩陣變換器的調(diào)制策略以及容錯(cuò)調(diào)制策略進(jìn)行了研究，主要內(nèi)容包括：(1)簡單地介紹了雙級(jí)矩陣變換器的研究背景和意義，對常規(guī)矩陣變換器的研究發(fā)展情況，并介紹了雙級(jí)矩陣變換器研究概況、容錯(cuò)調(diào)制策略研究的意義和容錯(cuò)策略的研究現(xiàn)狀。(2)詳細(xì)地介紹了雙級(jí)矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工作原理，給出本文所研究的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。(3)簡單地介紹了已有的矩陣變換器

2、的調(diào)制策略并將它們進(jìn)行了對比，通過比較各種調(diào)制策略的優(yōu)缺點(diǎn)，決定在本文中使用整流級(jí)無零矢量的雙空間矢量調(diào)制策略，對該調(diào)制策略進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并且進(jìn)行了仿真研究，并對仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。(4)介紹了已有的幾種已有的容錯(cuò)調(diào)制策略，提出了全雙向開關(guān)型雙級(jí)矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對全雙向開關(guān)型雙級(jí)矩陣變換器的工作原理和調(diào)制策略進(jìn)行了介紹。(5)在全雙向開關(guān)型雙級(jí)矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了容錯(cuò)調(diào)制策略的研究，分別對整流級(jí)一個(gè)雙向開關(guān)斷路、整流級(jí)兩不同側(cè)雙向開關(guān)斷路、逆變級(jí)雙向開關(guān)斷路、逆變級(jí)雙向開關(guān)短路、逆變級(jí)單管斷路和逆變級(jí)單管短路進(jìn)行了容錯(cuò)策略的研究，介紹了每種故障情況下的容錯(cuò)原理并給出了容

3、錯(cuò)狀態(tài)下各開關(guān)的控制信號(hào)。(6)對全雙向開關(guān)型雙級(jí)矩陣變換器容錯(cuò)策略進(jìn)行了仿真研究，并對仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：雙級(jí)矩陣變換器；空間矢量調(diào)制；全雙向開關(guān)型雙級(jí)矩陣變換器；容錯(cuò)調(diào)制策略I2 雙級(jí)矩陣變換器工作原理2 The operating principle of two-stage matrix converter2.1 雙級(jí)矩陣變換器的開關(guān)傳遞函數(shù)(Switching transfer function of two-stage matrix converter)將九個(gè)雙向開關(guān)按照圖2.1左圖的形式進(jìn)行排列就形成了常規(guī)矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖2.1 常規(guī)矩陣變換器和雙級(jí)矩陣變換器的拓

4、撲結(jié)構(gòu)Figure 2.1 Topology of conventional matrix converters and two-stage matrix converters常規(guī)矩陣變換器的輸入和輸出之間的關(guān)系可以寫作為： (0.1)式中，、為三相輸出電壓，、為三相輸出電壓，為常規(guī)矩陣變換器的開關(guān)變換矩陣，或者稱為常規(guī)矩陣變換器的開關(guān)函數(shù)。 (0.2)式2.2是雙級(jí)矩陣變換器的輸入輸出變換關(guān)系。是指常規(guī)矩陣變換器中輸入k相和輸出j相之間的雙向開關(guān)的通斷狀態(tài)，ka，b，c，jA,B,C，=0代表開關(guān)關(guān)斷，=1代表開關(guān)開通。假設(shè)變換器在輸入和輸出之間存在一個(gè)直流電壓，該電壓的正負(fù)極電壓分別為Up

5、、Un，那么其與三相輸入電壓和三相輸出電壓的關(guān)系如下式： (2.3) (2.4)式中，代表輸入k相與直流電壓正極或負(fù)極的雙向開關(guān)的狀態(tài)，代表直流電壓正極或負(fù)極與輸出j相的雙向開關(guān)的狀態(tài)，ka,b,c， wp,n， jA,B,C。從式(2.4)可以看出三相輸入與直流電壓之間存在一個(gè)整流級(jí)(交-直)結(jié)構(gòu)，從式(2.3)可以看出三相輸出與直流電壓之間存在一個(gè)逆變級(jí)(直-交)結(jié)構(gòu)。將它們組合在一起就形成了雙級(jí)矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)與交直交(AC-DC-AC)變換器結(jié)構(gòu)相似。因此雙級(jí)矩陣變換器輸入輸出電壓之間的關(guān)系式也可以根據(jù)上面兩式推導(dǎo)得到：(2.5)式中，T為雙級(jí)矩陣變換器的總開關(guān)變換矩陣，將

6、其與式2.2中的T對比我們可以得出結(jié)論：當(dāng)時(shí)，對應(yīng)于常規(guī)矩陣變換器的=1；當(dāng)時(shí)，對應(yīng)于常規(guī)矩陣變換器的=0。所以通過與常規(guī)矩陣變換器的對比，可以得到，該結(jié)論表明雙級(jí)矩陣變換器和常規(guī)矩陣變換器的變換功能是相同的，兩者的開關(guān)函數(shù)是對應(yīng)的，雙級(jí)矩陣變換器的任何開關(guān)狀態(tài)都有相應(yīng)的常規(guī)矩陣變換器開關(guān)狀態(tài)來對應(yīng)。雖然兩種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的矩陣變換器具有相同的變換功能和一致的開關(guān)函數(shù)，但是由于它們在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的不同，導(dǎo)致了兩種矩陣變換器的調(diào)制策略不能相同。2.2 雙級(jí)矩陣變換器的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(Typical topology of two-stage matrix converter)雙級(jí)矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是

7、直流環(huán)節(jié)無需儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的三相交直交兩級(jí)變換結(jié)構(gòu)。雙級(jí)矩陣變換器的開關(guān)采用雙向開關(guān)，這里雙向開關(guān)是使用兩個(gè)單向開關(guān)來構(gòu)成的，因此對于圖2.1(b)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，需要使用24個(gè)單相開關(guān)，但是如果可以保證整流級(jí)輸出直流電壓始終為正的話，那么雙級(jí)矩陣變換器的逆變級(jí)只需要采用單向開關(guān)，這樣就構(gòu)成了18開關(guān)雙級(jí)矩陣變換器拓?fù)潆娐罚鐖D2.2所示。圖2.2 18開關(guān)雙級(jí)矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Figure 2.2 18 switch two-stage matrix converter topology通過對圖2.2電路分析可以得到，在任意時(shí)刻，整流級(jí)每一相都有兩個(gè)開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)相同，所以可以將這兩個(gè)單向開關(guān)化簡

8、為一個(gè)單向開關(guān)36。因此就可以減少3個(gè)開關(guān)的使用，即只使用15個(gè)開關(guān)，如圖2.3為15開關(guān)雙級(jí)矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖2.3 15開關(guān)雙級(jí)矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Figure 2.3 15 switch two-stage matrix converter topology如果在雙級(jí)矩陣變換器工作期間，可以使整流級(jí)輸出的直流電流始終為正的話，15開關(guān)雙級(jí)矩陣變換器還可以進(jìn)一步簡化為12開關(guān)和9開關(guān)36。如圖2.4，圖2.5分別為12開關(guān)雙級(jí)矩陣變換器和9開關(guān)雙級(jí)矩陣變換器。圖2.4 12開關(guān)雙級(jí)矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Figure 2.4 12 switch two-stage matrix convert

9、er topology圖2.5 9開關(guān)雙級(jí)矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Figure 2.5 9 switch two-stage matrix converter topology在直流電流大于0的情況下，15開關(guān)拓?fù)潆娐泛?2開關(guān)拓?fù)潆娐返膫鲗?dǎo)損耗要比18開關(guān)拓?fù)潆娐犯撸欢鴮τ?開關(guān)拓?fù)潆娐穪碚f，由于其只能進(jìn)行能量的單方向傳輸?shù)娜秉c(diǎn)，它的應(yīng)用范圍受到了限制。本文采用的研究對象是18開關(guān)雙級(jí)矩陣變換器。2.3 本章小結(jié)(Summary)本章對雙級(jí)矩陣變換器工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，以矩陣變換器的開關(guān)函數(shù)為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出了雙級(jí)矩陣變換器的開關(guān)函數(shù)，對比了雙級(jí)矩陣變換器開關(guān)矩陣與矩陣變換器開關(guān)矩陣，得到了雙級(jí)

10、矩陣變換器開關(guān)與矩陣變換器開關(guān)的對應(yīng)關(guān)系；詳細(xì)地介紹了18開關(guān)雙級(jí)矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并由18開關(guān)雙級(jí)矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)推導(dǎo)出了15開關(guān)、12開關(guān)、9開關(guān)的雙級(jí)矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并分別介紹了每種變換器的優(yōu)缺點(diǎn)，最后決定采用18開關(guān)雙級(jí)矩陣變換器作為本文的研究對象。53.雙級(jí)矩陣變換器的控制策略研究3 雙級(jí)矩陣變換器的控制策略研究3 Research on Control Strategy of Two-stage Matrix Converter3.1 雙級(jí)矩陣變換器的控制策略綜述(A Summary of Control Strategies for Two-stage Matrix C

11、onverters)由于矩陣變換器包含了許多開關(guān)器件，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此如何對矩陣變換器進(jìn)行控制就成為了矩陣變換器研究的一大熱點(diǎn)。目前關(guān)于矩陣變換器的控制策略問題，國內(nèi)外的學(xué)者已經(jīng)提出了很多，比如Venturini法、雙電壓合成控制法、滯環(huán)電流跟蹤控制法、空間矢量調(diào)制策略等等。這些控制方法各有優(yōu)缺點(diǎn)：Venturini法11控制方法目標(biāo)明確，對于輸入電壓不平衡或畸變的情況也可以很好的改善輸出波形，但是計(jì)算量較大，最大電壓傳輸率低，換流損耗太大；雙電壓合成控制法37相比于Venturini控制法計(jì)算沒有那么復(fù)雜，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，然而這種方法輸入功率因數(shù)調(diào)節(jié)困難，無法方便的進(jìn)行仿真和控制，實(shí)

12、現(xiàn)難度仍較大；滯環(huán)電流跟蹤控制方法38輸出電流諧波分量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，求解方便，控制簡單，但是輸入電流滯環(huán)諧波豐富；空間矢量控制策略計(jì)算小，可以使電壓傳輸率達(dá)到最大值，并且可以調(diào)節(jié)輸入功率因數(shù)，因此空間矢量控制策略是目前應(yīng)用最廣泛的矩陣變換器控制策略，也是研究價(jià)值最大的矩陣變換器控制策略。由上可見，空間矢量調(diào)制策略相比于其他幾種常用的矩陣變換器調(diào)制策略具有明顯的優(yōu)勢，使用該調(diào)制方法可以達(dá)到電壓傳輸率大、計(jì)算量小、輸入電壓利用率高等目的。因此關(guān)于雙級(jí)矩陣變換器空間矢量調(diào)制方法的研究在國內(nèi)外都有很大的進(jìn)展，目前應(yīng)用得最廣泛、研究得最成熟的是整流級(jí)無零矢量的雙空間矢量調(diào)制策略，該調(diào)制策略是對整流級(jí)和

13、逆變級(jí)分別進(jìn)行空間矢量調(diào)制。3.2 整流級(jí)無零矢量的雙空間矢量調(diào)制策略(Zero-vector-based double space vector modulation strategy for rectification stage)根據(jù)3.1所講述的內(nèi)容，由于整流級(jí)無零矢量的雙空間矢量調(diào)制策略的成熟性和應(yīng)用的廣泛性36，本文也將采取這種調(diào)制策略進(jìn)行調(diào)制。在本節(jié)中，將對這種調(diào)制方法進(jìn)行介紹。3.2.1 雙級(jí)矩陣變換器輸入電壓與輸出電流設(shè)雙級(jí)矩陣變換器的三相輸入電壓為： (3.1)式中，為輸入角頻率，為輸入相電壓幅值。設(shè)雙級(jí)矩陣變換器的輸出三相電流為： (3.2)式中，為電流初始相位角，為輸出

14、電流幅值，為輸出角頻率。根據(jù)雙級(jí)矩陣變換器的交-直-交的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，下面將調(diào)制方法分為整流級(jí)空間矢量調(diào)制和逆變級(jí)空間矢量調(diào)制分別進(jìn)行介紹：3.2.2 整流級(jí)無零矢量的空間矢量調(diào)制整流級(jí)調(diào)制的目的有兩個(gè)，第一個(gè)是為了實(shí)現(xiàn)整流得到的電壓Upn極性為正，并使電壓利用率達(dá)到最大。如圖3.1所示，將輸入三相電壓進(jìn)行區(qū)間的劃分，每個(gè)區(qū)間都有一個(gè)共同的特點(diǎn)：在區(qū)間中會(huì)有兩相電壓極性相同，而與它們極性不同的另一相電壓具有最大的絕對值。圖3.1 輸入三相電壓 Figure 3.1 Input three-phase voltage在進(jìn)行整流級(jí)調(diào)制時(shí)，根據(jù)圖3.1中每個(gè)區(qū)間的特點(diǎn)，可以將每個(gè)區(qū)間分為兩部分，在兩部分

15、中都輸出極性為正且幅值最大的線電壓，這樣可以保證不會(huì)出現(xiàn)零矢量，在調(diào)制過程中只有有效矢量出現(xiàn)。以第1區(qū)間為例，由圖3.1可以看出，在第1區(qū)間內(nèi)，的絕對值最大且為正值，、為負(fù)值，在第一個(gè)PWM周期的第一個(gè)時(shí)間段中，令雙級(jí)矩陣變換器(如圖3.2)中的、導(dǎo)通，這時(shí)直流電壓；在第一個(gè)PWM周期的第二個(gè)時(shí)間段中，令雙級(jí)矩陣變換器的、導(dǎo)通，這時(shí)直流電壓。圖3.2 雙級(jí)矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及開關(guān)編號(hào)Figure 3.2 Two-stage matrix converter topology and switch number整流級(jí)調(diào)制的另一個(gè)目的是保持輸入功率因數(shù)為1，即讓輸入電流變化規(guī)律與輸入電壓相同。比如

16、，在第1區(qū)間內(nèi)，的絕對值最大且為正值，、為負(fù)值，該區(qū)間的開關(guān)狀態(tài)為：a相與p極之間的雙向開關(guān)Sap始終導(dǎo)通，而b相、c相與n極之間的雙向開關(guān)Sbn和Scn交替導(dǎo)通。在一個(gè)PWM周期內(nèi)，局部直流平均電流為一定值39，、分別為a、b、c三相輸入電流局部平均值，、分別為輸出直流電壓、對應(yīng)的占空比，且 (3.3)那么： (3.4)要實(shí)現(xiàn)輸入功率因數(shù)為1且輸入電流矢量為正弦量，應(yīng)使每相輸入電流幅值在任意時(shí)刻與其同一相電壓成正比，即， (3.5)在三相輸出電壓平衡(即)的條件下，可以得到： (3.6) (3.7)一個(gè)PWM周期內(nèi)的局部平均直流電壓為： (3.8)將(3.1)、(3.7)、(3.8)代入式(

17、3.8)，可以得到： (3.9)設(shè)為調(diào)制周期， 、分別為直流電壓、在一個(gè)PWM周期內(nèi)占用的時(shí)間，則： (3.10)其他五個(gè)區(qū)間的分析與第1區(qū)間相似，這樣就可以得到六個(gè)區(qū)間內(nèi)兩時(shí)間段的導(dǎo)通開關(guān)、輸出電壓以及相應(yīng)的占空比，如表3.1所示。表3.1 整流級(jí)六區(qū)間的導(dǎo)通開關(guān)、輸出電壓和占空比Table 3.1 Rectification stage six-section conduction switch, output voltage and duty cycle區(qū)間時(shí)間段1時(shí)間段2導(dǎo)通開關(guān)輸出電壓占空比導(dǎo)通開關(guān)輸出電壓占空比1、2、3、4、5、6、3.2.3 逆變級(jí)的空間矢量調(diào)制對于逆變級(jí)的空間

18、矢量調(diào)制方法，雙級(jí)矩陣變換器和常規(guī)矩陣變換器有所不同，因?yàn)殡p級(jí)矩陣變換器的整流側(cè)輸出是PWM電壓，并且在一個(gè)PWM周期內(nèi)輸出的兩級(jí)直流電壓不等。以第一區(qū)間為例，在兩時(shí)間段整流級(jí)輸出的電壓分別為、，由于矩陣變換器的開關(guān)時(shí)間極短，在短暫的時(shí)間內(nèi)兩個(gè)電壓值變化極小，可以認(rèn)為兩個(gè)電壓值并沒有發(fā)生變化，因此這兩個(gè)輸出電壓值可以認(rèn)為是定值。這樣就可以將逆變級(jí)的空間矢量調(diào)制看作是在和兩級(jí)電壓下進(jìn)行的，如圖3.3所示。圖3.3 一個(gè)PWM周期內(nèi)逆變級(jí)兩級(jí)直流電壓Figure 3.3 Inverter stage two-stage DC voltage in one PWM cycle根據(jù)雙級(jí)矩陣變換器逆變級(jí)

19、的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，我們可以控制逆變級(jí)開關(guān)的來得到六個(gè)有效矢量和兩個(gè)零矢量。把它們的起點(diǎn)放在一起，連接相鄰的矢量終點(diǎn)，我們就可以得到一個(gè)由有效矢量構(gòu)成的正六邊形，如圖3.4(a)所示，其中括號(hào)內(nèi)的數(shù)字代表了逆變級(jí)A、B、C三相橋臂上下開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)。數(shù)字“1”代表同p極相連的開關(guān)導(dǎo)通，數(shù)字“0”代表同n極相連的開關(guān)導(dǎo)通。如“110”代表A相同p極相連，B相同p極相連，C相同n極相連。根據(jù)前面理論，可以設(shè)直流電壓，那么線電壓有效空間矢量幅值為，如圖3.3(b)所示。圖3.4 逆變級(jí)空間矢量調(diào)制Figure 3.4 The SVM modulation for inverter設(shè)有一輸出線電壓空間矢量瞬時(shí)

20、值為，處在以和組成的六邊形的一個(gè)扇區(qū)內(nèi)，那么可以由矢量和進(jìn)行合成，其關(guān)系式為： (3.11)圖3.4(b)中，空間矢量與空間矢量的夾角為，那么、零矢量之間的占空比滿足下式： (3.12)我們?nèi)∧孀兗?jí)調(diào)制系數(shù)為： (3.13)式中，為輸出線電壓幅值。為一時(shí)變量，部分用來抵消直流平均電壓，來保證輸出電壓矢量幅值恒定。由式(3.9)和式3.13可以計(jì)算得到雙級(jí)矩陣變換器電壓傳輸比為： (3.14)式中，為輸出相電壓幅值。將代入式(3.4)中，我們可以得到此時(shí)電壓傳輸比為，達(dá)到了最大值。由于在一個(gè)PWM周期的兩個(gè)時(shí)間段中，整流級(jí)輸出的電壓不相等，因此逆變級(jí)的輸入直流電壓就不等，兩個(gè)時(shí)間段分別進(jìn)行逆變級(jí)

21、的調(diào)制，而調(diào)制時(shí)要使這兩時(shí)間段的占空比相同，從而可以保證輸出矢量相角不變，即：在時(shí)間內(nèi)，整流級(jí)輸出直流電壓為，是矢量分配的時(shí)間，是矢量分配的時(shí)間，是零矢量分配的時(shí)間；在時(shí)間內(nèi)，整流級(jí)輸出直流電壓為，是矢量分配的時(shí)間，是矢量分配的時(shí)間，是零矢量分配的時(shí)間。圖3.5表示了整流級(jí)和逆變級(jí)開關(guān)的協(xié)調(diào)控制，圖3.5(a)為整流級(jí)輸出的兩級(jí)電壓，矩陣高度代表電壓幅值，寬度代表電壓維持時(shí)間；圖3.5(b)為逆變級(jí)開關(guān)矢量分配，矩形部分代表開關(guān)矢量，高度代表輸出電流大小，寬度代表開關(guān)矢量持續(xù)時(shí)間。圖3.5 兩時(shí)間段直流電壓和開關(guān)矢量分配Figure 3.5 DC Voltage and Switch Vect

22、or Distribution for Two Time Periods當(dāng)雙級(jí)矩陣變換器采用整流級(jí)無零矢量的雙空間矢量調(diào)制策略時(shí)，三相輸入電流波形對稱正弦并且跟隨輸入相電壓變化規(guī)律40。3.2.4 雙級(jí)矩陣變換器的換流雙級(jí)矩陣變換器的換流方法簡單易行，無需常規(guī)矩陣變換器的四步換流法。下面為雙級(jí)矩陣變換器的換流方法：(1)整流級(jí)換流：如圖3.6所示為逆變級(jí)輸出零矢量時(shí)的電流路徑，由圖可見，逆變級(jí)輸出零矢量時(shí)，三相輸出全部連接在直流側(cè)的同一極上，沒有電流流經(jīng)直流側(cè)以及整流級(jí)。所以如果將逆變級(jí)零矢量安排在各時(shí)間段開始和結(jié)束，如圖3.5(c)所示，那么整流開關(guān)在相鄰時(shí)間段轉(zhuǎn)變時(shí)刻換流時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)零電

23、流換流；(2)逆變級(jí)換流：使用常規(guī)的交直逆變器換流法。圖3.6 逆變級(jí)輸出零矢量時(shí)電流路徑Figture 3.6 The current flowing path when inverter stage outputs zero vector3.3 整流級(jí)無零矢量雙空間矢量調(diào)制策略的仿真研究(Simulation Research on Zero-vector-based Double Space Vector Modulation Strategy for Rectifier Stage)3.3.1 仿真模型本文基于MATLAB/Simulink建立了雙級(jí)矩陣變換器仿真模型，如圖3.7所示。

24、輸入為三相對稱電源，相電壓為220V/50Hz；PWM周期為0.1ms；負(fù)載為三相對稱阻感負(fù)載，每相電阻為10，每相電感為1.56mH；輸出濾波電感為5.6mH，輸出濾波電容為20F。模型的主要組成部分有：輸入電壓與參數(shù)設(shè)置、雙級(jí)矩陣變換器整流級(jí)與逆變級(jí)、開關(guān)信號(hào)控制模塊、測量模塊、負(fù)載等。圖3.7 仿真模型圖Figure 3.7 Simulation model其中，控制電路為仿真模型的關(guān)鍵，控制電路的仿真圖如下圖所示。控制電路首先根據(jù)輸入電壓判斷當(dāng)前的扇區(qū)，通過查表3.1確定整流級(jí)導(dǎo)通開關(guān)和合成直流電壓的線電壓，并計(jì)算占空比；同時(shí)逆變級(jí)根據(jù)輸入?yún)⒖茧妷捍_定逆變級(jí)扇區(qū)，確定空間矢量與空間矢量

25、的夾角，確定逆變級(jí)開關(guān)狀態(tài)并進(jìn)行相應(yīng)的占空比計(jì)算；最后將整流級(jí)控制信號(hào)和逆變級(jí)控制信號(hào)輸出，送到整流級(jí)電路和逆變級(jí)電路。在控制電路中，整流級(jí)扇區(qū)和逆變級(jí)扇區(qū)的判斷、整流級(jí)和逆變級(jí)的占空比計(jì)算、整流級(jí)和逆變級(jí)開關(guān)控制信號(hào)輸出是使用MATLAB function進(jìn)行編寫的。圖3.8 控制電路Figure 3.8 Control circuit3.3.2 仿真結(jié)果雙級(jí)矩陣變換器輸出結(jié)果如圖3.9所示：(a)整流級(jí)輸出直流電壓波形(a) Rectifier output DC voltage waveform(b)變換器輸出電流波形 (c)變換器輸出相電壓波形(b) Inverter output c

26、urrent waveform (c) Inverter output phase voltage waveform(d)變換器輸出線電壓波形(d) Inverter output line voltage waveform (e)輸出相電壓FFT分析 (e) FFT analysis of Output phase voltage圖3.9 輸出波形結(jié)果Figure 3.9 Output waveform results圖3.9(a)為整流級(jí)連接純電阻時(shí)的直流電壓波形，圖3.9(b)為變換器輸出電流波形，圖3.9(c)為變換器輸出相電壓波形，圖3.9(d)為輸出線電壓波形。通過觀察輸出相電壓的

27、FFT頻譜分析可以得到，輸出相電壓THD為3.01%，仿真結(jié)果滿足要求。3.4 本章小結(jié)(Summary)本章首先對雙級(jí)矩陣變換器控制策略進(jìn)行了總結(jié)，介紹了每種控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)并進(jìn)行簡單地比較。隨后詳細(xì)介紹了整流級(jí)無零矢量的空間矢量調(diào)制策略的基本原理和具體的實(shí)現(xiàn)過程。最后給出了雙級(jí)矩陣變換器的MATLAB/Simulink的仿真模型圖，仿真結(jié)果表明，矩陣變換器輸出三相對稱正弦波形，輸出波形符合要求。214.雙級(jí)矩陣變換器容錯(cuò)調(diào)制方法研究4 雙級(jí)矩陣變換器容錯(cuò)調(diào)制方法研究4 Research on Fault Tolerant Modulation Method for Two-stage Ma

28、trix Converters4.1 引言(introduction)因?yàn)榫仃囎儞Q器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般都由多個(gè)功率開關(guān)組成，所以當(dāng)矩陣變換器進(jìn)行交交變換時(shí)，功率開關(guān)很可能會(huì)發(fā)生開路、短路等故障，導(dǎo)致系統(tǒng)的性能降低，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)，造成更大的事故，所以為了降低功率開關(guān)故障對系統(tǒng)造成的不良影響，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，確保系統(tǒng)容錯(cuò)后能夠繼續(xù)正常運(yùn)行，矩陣變換器的容錯(cuò)調(diào)制就成為了研究的重點(diǎn)。目前，所應(yīng)用的最多的容錯(cuò)調(diào)制方法是冗余器件法，這種方法一般是增加新的橋臂、冗余開關(guān)來改變原有雙級(jí)矩陣變換器的結(jié)構(gòu)，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，切除故障相并將冗余開關(guān)器件切入到電路中，利用這些功率開關(guān)來進(jìn)行工作，輸出正常工作時(shí)的電

29、壓電流，從而實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)的目的。比如，S.Khwan和L.De Lillo通過雙向晶閘管將電機(jī)的輸入和矩陣變換器新的橋臂相連，變換器發(fā)生開路故障時(shí)，開通雙向晶閘管，將新增加的冗余橋臂連接到電路當(dāng)中，使用冗余橋臂代替故障橋臂工作，輸出與正常運(yùn)行時(shí)相同的電壓電流，但是該方法在容錯(cuò)后，電機(jī)的三相繞組中僅有兩相流過電流，且幅值為以前的倍，電機(jī)與變換器電流應(yīng)力增加29。Sangshin Kwak、Tachyung等人提出了新的結(jié)構(gòu)，他通過連接元件和熔絲將三相輸入輸出與第四橋臂相連，這種方法不增加電機(jī)與變換器的電流應(yīng)力，而且還可以實(shí)現(xiàn)短路故障的容錯(cuò)，但是這種方法拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用的開關(guān)管數(shù)量多41。Sangs

30、hin Kwak還對三相三橋臂常規(guī)矩陣變換器進(jìn)行了容錯(cuò)42-43，但是該情況下的容錯(cuò)只輸出兩相電壓電流，最大電壓傳輸比下降，存在著很大的不足。除了上面所述的這些方法之外，研究學(xué)者還對矩陣變換器的調(diào)制策略進(jìn)行了研究，即在不增加新的開關(guān)器件的情況下，改變矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，充分利用非故障開關(guān)器件進(jìn)行調(diào)制，來使開關(guān)故障對輸出結(jié)果造成的影響減小34，從而輸出正常狀態(tài)下的電壓和電流，實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)。但是這種方法需要實(shí)時(shí)監(jiān)控輸出電流大小，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難度很高。上面所述的方法都是屬于矩陣變換器的容錯(cuò)方法，而本文研究的對象是雙級(jí)矩陣變換器，目前關(guān)于雙級(jí)矩陣變換器的容錯(cuò)調(diào)制策略的研究還比較少，目前已有的方法比如S.K

31、hwan和L.De Lillo采用的冗余器件法，在逆變級(jí)增加新的橋臂并且連接到電機(jī)的中點(diǎn)44。但冗余器件法如前面所述，這種方法在容錯(cuò)后僅有兩相電流，且幅值增大，電機(jī)與變換器電流應(yīng)力增加。針對于上述方法的缺點(diǎn)，以及雙級(jí)矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和調(diào)制方法，本文對雙級(jí)矩陣變換器容錯(cuò)調(diào)制策略進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)當(dāng)雙級(jí)矩陣變換器使用全雙向開關(guān)器件時(shí)，可以大大的提高容錯(cuò)能力。我們將這種全部使用全雙向開關(guān)的矩陣變換器稱為全雙向開關(guān)型雙級(jí)矩陣變換器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4.1所示。這種變換器的整流級(jí)和逆變級(jí)都是由全雙向開關(guān)器件構(gòu)成的，即在18開關(guān)變換器的基礎(chǔ)上，在逆變級(jí)增加了6個(gè)冗余開關(guān)，這6個(gè)逆變級(jí)冗余開關(guān)使得矩陣變換器

32、的結(jié)構(gòu)呈上下對稱狀，可以使整流級(jí)輸出的直流母線電壓反向，因此這種變換器的容錯(cuò)能力得到了大大的提高。圖4.1 全雙向開關(guān)型雙級(jí)矩陣變換器Figure 4.1 full bidirectional switch type two-stage matrix converter4.2 全雙向開關(guān)型雙級(jí)矩陣變換器的工作原理(The working principle of full bidirectional switch two-stage matrix converter)4.2.1 全雙向開關(guān)型雙級(jí)矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)全雙向開關(guān)型雙級(jí)矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是在雙級(jí)矩陣變化器逆變級(jí)上增加6個(gè)單向開關(guān)管4

33、7，形成圖4.1所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的整流級(jí)和逆變級(jí)都是由6個(gè)雙向開關(guān)組成的，總共使用了24個(gè)IGBT器件。逆變級(jí)雙向開關(guān)中新增的6個(gè)單向開關(guān)被稱為常通管，而另外6個(gè)單向開關(guān)被稱為斬波管。在增加了6個(gè)單向開關(guān)后，變換器在保持雙級(jí)矩陣變換器優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，還使其擁有了其他的特點(diǎn)，新增加的6個(gè)開關(guān)管可以作為冗余器件，而且這6個(gè)開關(guān)管使得整流級(jí)輸出的直流電壓可以反向成為負(fù)值，另外該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還具有高度對稱的特點(diǎn)。由于全雙向開關(guān)型雙級(jí)矩陣變換器具有上面所說的特點(diǎn)，因此其容錯(cuò)能力十分優(yōu)秀，可以進(jìn)行多種故障的容錯(cuò)研究，因此本文選擇這種拓?fù)溥M(jìn)行研究。4.2.2 全雙向開關(guān)型雙級(jí)矩陣變換器調(diào)制策略本文中，

34、針對全雙向開關(guān)型雙級(jí)矩陣變換器使用的調(diào)制策略是跟雙級(jí)矩陣變換器相同的整流級(jí)無零矢量的雙空間矢量調(diào)制策略。不過與在第3章描述的整流級(jí)無零矢量的雙空間矢量調(diào)制策略不同，對于全雙向開關(guān)型雙級(jí)矩陣變換器需要對24個(gè)IGBT開關(guān)管進(jìn)行調(diào)制。下面我們就對全雙向開關(guān)型雙級(jí)矩陣變換器的調(diào)制策略進(jìn)行介紹。首先，針對變換器的整流級(jí)，我們將整流級(jí)的開關(guān)按照圖4.1標(biāo)注1和2的位置分為兩類，分別記為和(X=A,B,C;m=p，n)。在正常調(diào)制時(shí)，保持和兩個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)一致。如當(dāng)整流級(jí)輸出直流電壓為時(shí)，整流級(jí)電流的流通路徑如圖4.2所示。當(dāng)整流級(jí)輸出直流時(shí)，按照第3章介紹的調(diào)制方法，應(yīng)該使雙向開關(guān)和保持開通。對于全

35、雙向開關(guān)型雙級(jí)矩陣變換器整流級(jí)來說，使，并使其余8個(gè)開關(guān)均關(guān)斷，這樣電流就會(huì)這樣流通：由三相電源的A相流出，經(jīng)過單向開關(guān)管的IGBT，然后通過的二極管到達(dá)p極，另外電流會(huì)從n極經(jīng)過單向開關(guān)管的IGBT，然后通過的二極管回到三相電源的B相，這樣整流級(jí)輸出電壓。圖4.2 整流級(jí)輸出時(shí)電流路徑Figure 4.2 Current path when rectifier stage outputs 而對于逆變級(jí)的12個(gè)開關(guān)的調(diào)制，我們同樣是將逆變級(jí)開關(guān)按照圖4.1標(biāo)注的1和2的位置分為兩類，分別記為和(X=A,B,C;m=p，n)。同時(shí)，如4.2.1所述，將稱為斬波管，稱為常通管。在正常調(diào)制時(shí)，保持常

36、通管開通狀態(tài)，以斬波管代表雙向開關(guān)進(jìn)行調(diào)制，即在正常調(diào)制時(shí)，常通管保持常通狀態(tài)，利用第三章所述方法對斬波管進(jìn)行控制。如當(dāng)需要逆變級(jí)開關(guān)處于(1 1 0)狀態(tài)時(shí)，逆變級(jí)電流流通路徑如圖4.3所示。首先按照第三章介紹的調(diào)制策略，應(yīng)該將雙向開關(guān)、導(dǎo)通。而對于全雙向開關(guān)型雙級(jí)矩陣變換器逆變級(jí)來說，使，并使其余9個(gè)開關(guān)均處于關(guān)斷狀態(tài)，這樣電流就會(huì)這樣流通：從p極出發(fā)經(jīng)過單向開關(guān)管的IGBT，然后通過的二極管到達(dá)輸出U相；同時(shí)從p極出發(fā)還會(huì)通過單向開關(guān)管的IGBT，然后通過的二極管到達(dá)輸出V相；同時(shí)從W相出發(fā)通過單向開關(guān)管的IGBT，然后通過的二極管到達(dá)n極。這樣輸出線電壓、分別為0、。圖4.3 逆變級(jí)開

37、關(guān)狀態(tài)為(1 1 0)時(shí)電流路徑Figure 4.3 Current path when inverter stage switch state is (1 1 0)總結(jié)來說，全雙向開關(guān)型雙級(jí)矩陣變換器的采用的整流級(jí)無零矢量的雙空間矢量調(diào)制策略與普通的18開關(guān)雙級(jí)矩陣變換器的原理是一樣的，不同點(diǎn)就在于全雙向開關(guān)型雙級(jí)矩陣變換器是需要對24個(gè)開關(guān)進(jìn)行調(diào)制，而普通的18開關(guān)變換器只需要對12個(gè)開關(guān)進(jìn)行調(diào)制。因而在正常工作時(shí)，需要對整流級(jí)之前未加控制信號(hào)的單向開關(guān)保持常斷，而對逆變級(jí)新增的單向開關(guān)保持常通。這樣在正常工作時(shí)，24開關(guān)的變換器就相當(dāng)于18開關(guān)的變換器一樣。4.3 全雙向開關(guān)型雙級(jí)矩陣變

38、換器整流級(jí)容錯(cuò)策略(Fault-tolerant Strategy for Rectification Stage of Bidirectional Switching Matrix Converters)4.3.1 一個(gè)雙向開關(guān)單元開路故障的容錯(cuò)策略對于變換器的整流級(jí)來說，整流級(jí)各橋臂雙向開關(guān)單元的通斷可以表示成一個(gè)23的矩陣，使用“0”來表示雙向開關(guān)斷開，使用“1”來表示雙向開關(guān)導(dǎo)通。這樣可以得到整流級(jí)9種開關(guān)狀態(tài)，對應(yīng)9個(gè)空間矢量，其中3種是零矢量，6種是有效矢量，6種有效矢量分別用(R=16)來表示，這6個(gè)有效矢量將空間劃分為6個(gè)扇區(qū)，這6個(gè)扇區(qū)與第三章圖3.1的六個(gè)扇區(qū)是對應(yīng)的，之間

39、的是第1扇區(qū)，之間是第2扇區(qū)，以此類推，我們可以將扇區(qū)標(biāo)注在用6個(gè)有效矢量分布圖中，如圖4.4所示。圖4.4 整流級(jí)輸入電流空間矢量分布圖Figure 4.4 Rectifier stage input current space vector distribution當(dāng)整流級(jí)某一個(gè)雙向開關(guān)(X=A,B,C;m=p,n)發(fā)生開路故障時(shí)，此時(shí)兩個(gè)單向開關(guān)和均發(fā)生開路故障，我們以為例進(jìn)行研究。當(dāng)整流級(jí)雙向開關(guān)發(fā)生開路故障，構(gòu)成的兩個(gè)單向開關(guān)和均發(fā)生開路故障，三相輸入A相無法與整流級(jí)輸出直流側(cè)p極相連。但由于逆變級(jí)開關(guān)的6個(gè)冗余開關(guān)的存在，使得整流級(jí)輸出直流電壓可以反向，在容錯(cuò)狀態(tài)下，我們可以把圖4

40、.4中的6個(gè)有效矢量劃分為三組：(1) ：這兩個(gè)有效矢量需要導(dǎo)通，且關(guān)斷。由于雙向開關(guān)開路，得不到有效矢量，但可以通過交換整流級(jí)每相橋臂上下雙向開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使A相與n極相連，p極與B相或者C相相連，這樣使整流級(jí)輸出直流電壓為負(fù)值。(2) ：這兩個(gè)有效矢量需要關(guān)斷，且導(dǎo)通。雖然雙向開關(guān)開路，但對有效矢量沒有任何影響，整流級(jí)仍按正常的調(diào)制策略對開關(guān)進(jìn)行控制，這種情況下整流級(jí)輸出的直流電壓為正值。(3) ：這兩個(gè)有效矢量需要和關(guān)斷。雖然雙向開關(guān)開路，但對有效矢量沒有任何影響，這種情況下整流級(jí)輸出的直流電壓可以為正值，也可以通過交換整流級(jí)每相橋臂上下雙向開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使整流級(jí)輸出直流電壓

41、為負(fù)值。結(jié)合上述三組有效矢量和輸入電流綜合矢量所處的扇區(qū)，可將一個(gè)周期分為兩個(gè)模態(tài)：模態(tài)1：輸入電流所處扇區(qū)的兩個(gè)有效矢量處于(2)、(3)中，即輸入電流處于扇區(qū)3、4、5中。模態(tài)2：輸入電流所處扇區(qū)的兩個(gè)有效矢量處于(1)、(3)中，即輸入電流處于扇區(qū)1、2、6中。同樣，如果整流級(jí)其他雙向開關(guān)發(fā)生開路故障，也可以得到工作于模態(tài)1和模態(tài)2的扇區(qū)，表4.1給出了整流級(jí)每個(gè)雙向開關(guān)開路時(shí)模態(tài)1和模態(tài)2對應(yīng)的扇區(qū)。表4.1 整流級(jí)雙向開關(guān)開路時(shí)模態(tài)1和模態(tài)2對應(yīng)的扇區(qū)Table 4.1 Sectors corresponding to modal 1 and modal 2 when the rec

42、tifier stage bidirectional switch is open故障開關(guān)模態(tài)1模態(tài)23、4、51、2、61、2、63、4、51、5、62、3、42、3、41、5、61、2、34、5、64、5、61、2、3下面來討論當(dāng)雙向開關(guān)開路故障，系統(tǒng)處于模態(tài)1和模態(tài)2時(shí)，變換器各開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)情況：當(dāng)處于模態(tài)1時(shí)，雙向開關(guān)開路對于變換器的工作沒有任何影響，因此容錯(cuò)狀態(tài)下，變換器仍然按照正常的調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)制，即 (4.1)其中，Q為正常調(diào)制時(shí)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，為容錯(cuò)后的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。當(dāng)處于模態(tài)2時(shí)，構(gòu)成扇區(qū)的兩個(gè)有效矢量至少有一個(gè)處于(1)中，由于處于(1)中的有效矢量無法得到，這時(shí)就要交換整流

43、級(jí)每相橋臂上下雙向開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使整流級(jí)輸出直流電壓為負(fù)值。而如果另一矢量位于(3)時(shí)，我們也交換整流級(jí)每相橋臂上下雙向開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使其輸出負(fù)的直流電壓。但由于逆變級(jí)與n極直接相連的單向開關(guān)處于常通狀態(tài)，所以如果整流級(jí)輸出負(fù)的直流電壓會(huì)使逆變級(jí)的橋臂直通，為避免這種情況的發(fā)生，我們需要將逆變級(jí)每相的單向開關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行交換，即、進(jìn)行驅(qū)動(dòng)信號(hào)的交換，這樣就可以實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)。這種情況下的開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以總結(jié)為： (4.2)以上為雙向開關(guān)管開路時(shí)的容錯(cuò)策略，同樣這種方法也可以推廣到整流級(jí)其他雙向開關(guān)開路的情況，這樣就可以實(shí)現(xiàn)整流級(jí)一個(gè)雙向開關(guān)單元開路故障的容錯(cuò)。4.3.2 兩個(gè)不同側(cè)

44、雙向開關(guān)單元開路故障的容錯(cuò)策略當(dāng)整流級(jí)兩個(gè)不同側(cè)雙向開關(guān)單元發(fā)生開路故障時(shí)，此時(shí)連接在不同直流母線上的不同橋臂的兩個(gè)雙向開關(guān)均發(fā)生開路故障。我們以和發(fā)生開路故障為例來進(jìn)行研究。當(dāng)整流級(jí)兩個(gè)不同側(cè)雙向開關(guān)單元和開路時(shí)，此時(shí)構(gòu)成和的四個(gè)單向開關(guān)、均發(fā)生開路故障，三相輸入A相無法與p極相連，三相輸入C相無法與n極相連。在這種情況下，我們可以把圖4.4中的6個(gè)有效矢量劃分為三組：(1) ：有效矢量需要雙向開關(guān)和至少一個(gè)開通，但由于雙向開關(guān)和開路，三個(gè)有效矢量無法實(shí)現(xiàn)，但可以通過交換整流級(jí)每相橋臂上下雙向開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使A相與n極相連，C相與p極相連，這樣使整流級(jí)輸出直流電壓為負(fù)值。(2) ：有效

45、矢量需要雙向開關(guān)單元和處于斷開狀態(tài)。雖然雙向開關(guān)單元和發(fā)生了開路故障，但是這對于三個(gè)有效矢量的實(shí)現(xiàn)沒有影響，整流級(jí)仍按正常的調(diào)制策略對開關(guān)進(jìn)行控制，這種情況下整流級(jí)輸出直流電壓為正。結(jié)合上述三組有效矢量和輸入電流綜合矢量所處的扇區(qū)，一個(gè)輸入周期將分成以下三種模態(tài)：模態(tài)1：輸入電流所處扇區(qū)的兩個(gè)有效矢量處于(1)中，即輸入電流處于扇區(qū)1、2中。模態(tài)2：輸入電流所處扇區(qū)的兩個(gè)有效矢量處于(2)中，即輸入電流處于扇區(qū)4、5中。模態(tài)3：輸入電流所處扇區(qū)的兩個(gè)有效矢量處于(1)和(2)中，即輸入電流處于扇區(qū)3、6中。同樣，如果整流級(jí)其他不同側(cè)雙向開關(guān)發(fā)生開路故障，也可以得到工作于模態(tài)1、模態(tài)2和模態(tài)3的

46、扇區(qū)，表4.1給出了整流級(jí)每個(gè)雙向開關(guān)開路時(shí)模態(tài)1、模態(tài)2和模態(tài)3對應(yīng)的扇區(qū)。表4.1 整流級(jí)兩不同側(cè)雙向開關(guān)開路時(shí)模態(tài)1、模態(tài)2和模態(tài)3對應(yīng)的扇區(qū)Table 4.1 The corresponding sectors of modal 1, modal 2 and modal 3 when the bidirectional switch of two different sides of the rectification stage are open故障開關(guān)模態(tài)1模態(tài)2模態(tài)3、1、63、42、5、1、24、53、6、3、41、62、5、2、35、61、4、4、51、23、6、2、35、6

47、1、4下面來討論當(dāng)雙向開關(guān)開路故障，系統(tǒng)處于模態(tài)1、模態(tài)2和模態(tài)3時(shí)，變換器各開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)情況：當(dāng)處于模態(tài)1時(shí)，構(gòu)成扇區(qū)的兩個(gè)有效矢量均處于(1)中，由于處于(1)中的有效矢量無法得到，這時(shí)就要交換整流級(jí)每相橋臂上下雙向開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使整流級(jí)輸出直流電壓為負(fù)值。但由于逆變級(jí)與n極直接相連的單向開關(guān)處于常通狀態(tài)，所以如果整流級(jí)輸出負(fù)的直流電壓會(huì)使逆變級(jí)的橋臂直通，為避免這種情況的發(fā)生，我們需要將逆變級(jí)每相的單向開關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行交換，即、進(jìn)行驅(qū)動(dòng)信號(hào)的交換，這樣就可以實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)。這種情況下的開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以總結(jié)為： (4.3)當(dāng)處于模態(tài)2時(shí)，兩不同側(cè)雙向開關(guān)和開路對于變換器的工作沒有

48、任何影響，因此容錯(cuò)狀態(tài)下，變換器仍然按照正常的調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)制，即 (4.4)當(dāng)處于模態(tài)3時(shí)，構(gòu)成扇區(qū)的兩個(gè)有效矢量分別處于(1)、(2)中。當(dāng)處于(1)的有效矢量作用時(shí)，交換整流級(jí)每相橋臂上下雙向開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使整流級(jí)輸出直流電壓為負(fù)值，并將逆變級(jí)每相的單向開關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行交換，即、進(jìn)行驅(qū)動(dòng)信號(hào)的交換，開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)如(4.3)所示；當(dāng)處于(2)的有效矢量作用時(shí)，變換器仍然按照正常的調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)制，整流級(jí)輸出直流電壓為正值，開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)如(4.4)所示。當(dāng)工作在模態(tài)3時(shí)，一個(gè)調(diào)制周期使輸出直流電壓極性變換兩次。4.3.3 單管開路故障的容錯(cuò)策略由于整流級(jí)雙向開關(guān)中的兩個(gè)單向開關(guān)的

49、驅(qū)動(dòng)信號(hào)一致，其中一個(gè)開關(guān)管發(fā)生開路故障可以視為雙向開關(guān)單元開路故障的特例，具體的情況需根據(jù)開關(guān)管位置以及輸入電壓瞬時(shí)值來確定。為了簡化容錯(cuò)調(diào)制策略，我們將一個(gè)開關(guān)管發(fā)生開路故障看作是該雙向開關(guān)管發(fā)生開路故障，使用雙向開關(guān)開路故障的容錯(cuò)調(diào)制策略對開關(guān)管進(jìn)行控制。4.4 全雙向開關(guān)型雙級(jí)矩陣變換器逆變級(jí)容錯(cuò)策略(Inverter-level fault-tolerant strategy of bidirectional matrix converters with full bidirectional switching)4.4.1 一個(gè)雙向開關(guān)單元開路故障的容錯(cuò)策略當(dāng)逆變級(jí)某一個(gè)雙向開關(guān)單元

50、(X=U、V、W；m=p,n)發(fā)生開路故障時(shí)，此時(shí)兩個(gè)單向開關(guān)和均發(fā)生開路故障，我們以發(fā)生故障為例進(jìn)行研究。當(dāng)逆變級(jí)雙向開關(guān)發(fā)生開路故障時(shí)，構(gòu)成的兩個(gè)單向開關(guān)和均發(fā)生開路故障，直流側(cè)p極無法與逆變級(jí)輸出U相連接。但由于逆變級(jí)開關(guān)的6個(gè)冗余開關(guān)的存在，使得雙級(jí)矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有高度對稱的特點(diǎn)，因此可以通過交換整流級(jí)輸出直流電壓極性并使逆變級(jí)雙向開關(guān)開通來實(shí)現(xiàn)逆變級(jí)輸出U相與直流側(cè)正端相連。因此我們可以根據(jù)正常調(diào)制時(shí)的狀態(tài)，來對變換器的容錯(cuò)進(jìn)行研究：(1)當(dāng)正常調(diào)制時(shí)，開關(guān)關(guān)斷。這種情況下，逆變級(jí)雙向開關(guān)的開路故障對于變換器工作沒有任何影響，因此容錯(cuò)狀態(tài)下，開通和兩個(gè)開關(guān)管，并使變換器其他開

51、關(guān)管按照正常的調(diào)制方法進(jìn)行控制，即 (4.5)(2)當(dāng)正常調(diào)制時(shí)，開關(guān)導(dǎo)通。這種情況下，逆變級(jí)雙向開關(guān)的開路故障導(dǎo)致其無法導(dǎo)通，這時(shí)可以讓未故障的開關(guān)單元導(dǎo)通，并交換整流級(jí)各相上下橋臂雙向開關(guān)單元驅(qū)動(dòng)信號(hào)使直流側(cè)電壓極性反轉(zhuǎn)，來使逆變級(jí)輸出U相與直流側(cè)正端相連。但由于逆變級(jí)與n極直接相連的單向開關(guān)處于常通狀態(tài)，所以如果整流級(jí)輸出負(fù)的直流電壓會(huì)使逆變級(jí)的橋臂直通，為避免這種情況的發(fā)生，我們需要將逆變級(jí)每相的單向開關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行交換，即、進(jìn)行驅(qū)動(dòng)信號(hào)的交換，這種情況下，變換器各開關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)如下： (4.6)當(dāng)逆變級(jí)其他雙向開關(guān)發(fā)生開路故障時(shí)，同樣使用上面的方法進(jìn)行容錯(cuò)。4.4.2 單管開路故障

52、的容錯(cuò)策略逆變級(jí)單管發(fā)生開路故障有4種情況：開路、開路、開路和開路。當(dāng)逆變級(jí)單管開路時(shí)，逆變級(jí)輸出X相與直流側(cè)p極無法連接，這種情況下可以將其等效為逆變級(jí)雙向開關(guān)發(fā)生開路故障。當(dāng)逆變級(jí)單管開路時(shí)，逆變級(jí)輸出X相與直流側(cè)p極也無法連接，這種情況與逆變級(jí)雙向開關(guān)發(fā)生開路故障同樣等效，因此這種情況也是根據(jù)在正常調(diào)制下的開通和關(guān)斷情況，來進(jìn)行容錯(cuò)調(diào)制的討論。與之相似的，逆變級(jí)單管開路和開路也可以等效為逆變級(jí)雙向開關(guān)發(fā)生開路故障，并根據(jù)在正常調(diào)制中的開通和關(guān)斷情況進(jìn)行容錯(cuò)調(diào)制的討論。因此，根據(jù)上述的分析，逆變級(jí)單管開路故障就可以等效為逆變級(jí)雙向開關(guān)開路故障，所以對于這種故障就可以利用4.4.1講述的雙向

53、開關(guān)開路故障的容錯(cuò)策略進(jìn)行容錯(cuò)。以逆變級(jí)單管開路為例，對容錯(cuò)策略進(jìn)行簡單的介紹：逆變級(jí)單管開路時(shí)，可以等效成逆變級(jí)雙向開關(guān)開路。(1)當(dāng)正常調(diào)制時(shí)，開關(guān)關(guān)斷。這種情況下，根據(jù)4.4.1的介紹，變換器的各開關(guān)仍然按照正常的調(diào)制策略進(jìn)行調(diào)制，即 (4.7)(2)當(dāng)正常調(diào)制時(shí)，開關(guān)導(dǎo)通。這種情況下，根據(jù)4.4.1的介紹，需要交換整流級(jí)各相上下橋臂雙向開關(guān)單元驅(qū)動(dòng)信號(hào)使直流電壓反向，并且開通，再將逆變級(jí)每相的單向開關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行交換，即 (4.8)當(dāng)逆變級(jí)其他單管發(fā)生開路故障時(shí)，同樣使用上面的方法進(jìn)行容錯(cuò)。4.4.3 雙向開關(guān)單元短路故障的容錯(cuò)策略當(dāng)逆變級(jí)某一個(gè)雙向開關(guān)(X=U、V、W；m=p,n)

54、發(fā)生短路故障時(shí)，此時(shí)兩個(gè)單向開關(guān)和均發(fā)生短路故障，我們以發(fā)生故障為例進(jìn)行研究。當(dāng)逆變級(jí)雙向開關(guān)發(fā)生短路故障時(shí)，構(gòu)成的兩個(gè)單向開關(guān)和均發(fā)生短路故障，直流側(cè)p極始終與逆變級(jí)輸出U相連接，導(dǎo)致直流側(cè)n極始終無法與逆變級(jí)輸出U相相連。但由于全雙向開關(guān)型雙級(jí)矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高度對稱性，所以我們可以通過交換直流電壓極性來使U相與直流側(cè)負(fù)端相連。因此我們可以根據(jù)正常調(diào)制時(shí)的狀態(tài)，來對變換器的容錯(cuò)進(jìn)行研究：(1)當(dāng)正常調(diào)制時(shí)，開關(guān)導(dǎo)通。在這種情況下，逆變級(jí)雙向開關(guān)短路對于變換器的工作沒有任何影響，因此非故障相各開關(guān)器件仍然按照正常調(diào)制策略進(jìn)行調(diào)制，即 (4.7)(2)當(dāng)正常調(diào)制時(shí)，開關(guān)關(guān)斷。在這種情況下，

55、逆變級(jí)雙向開關(guān)短路導(dǎo)致始終導(dǎo)通，逆變級(jí)輸出U相與直流側(cè)p極始終相連。這時(shí)可以通過交換整流級(jí)各相上下橋臂雙向開關(guān)單元驅(qū)動(dòng)信號(hào)來改變整流級(jí)輸出直流電壓的極性，從而實(shí)現(xiàn)逆變級(jí)輸出U相與直流側(cè)負(fù)端相連。但由于逆變級(jí)未故障相與n極直接相連的單向開關(guān)處于常通狀態(tài)，所以如果整流級(jí)輸出負(fù)的直流電壓會(huì)使逆變級(jí)的橋臂直通，為避免這種情況的發(fā)生，我們需要將逆變級(jí)每相的單向開關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行交換，即、進(jìn)行驅(qū)動(dòng)信號(hào)的交換，這種情況下，變換器各開關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)如下： (4.8)當(dāng)逆變級(jí)其他雙向開關(guān)發(fā)生短路故障時(shí)，同樣使用上面的方法進(jìn)行容錯(cuò)。將雙向開關(guān)發(fā)生短路故障和發(fā)生開路故障的容錯(cuò)策略對比可知，兩故障的各開關(guān)管等效驅(qū)動(dòng)信號(hào)是一致的，所以逆變級(jí)雙向開關(guān)單元短路也可以視為雙向開關(guān)開路的倒置，可以使用發(fā)生開路故障的容錯(cuò)策略。4.4.4 單管短路故障的容錯(cuò)策略逆變級(jí)單管發(fā)生短路故障有兩種情況：短路、短路。1.當(dāng)單管發(fā)生短路故障，此時(shí)、中有一個(gè)或幾個(gè)開關(guān)管出現(xiàn)短路故障，期望的輸出電壓無法通過開關(guān)的動(dòng)作來合成。但由于全