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。
图 5 18个 单 向 开 关 的 矩 阵 变 换 器
Fig.5 Topology with 18 single directional switches
2.2.2 15个开关的矩阵变换器
通过对电网侧各输入相任意桥臂工作原理的分析可知，因为，图5中开关Sapp和Sanp可以采用同一个驱动信号，所以，可将上述两者用一个单向开关及两个箝位二极管代替。简化步骤如图6所示。
图 6 简 化 开 关 数 目 的 步 骤
Fig.6 Steps to reduce the switch number
这样，便可以得到简化的具有15个单向开关的矩阵变换器拓扑，如图7所示。该结构与图5所示的拓扑相比较，应用场合类似，也具有相同的功能。比如，可以进行四象限操作，实现双向流动，谐波容量低，功率因数接近1等等。其主要的区别在于，当中间直流环节的电流idc大于0时，对于图7所示的拓扑，其电网侧开关Sa，Sb，Sc的导通损耗会增加。
图 7 具 有 15个 开 关 的 矩 阵 变 换 器 拓 扑
Fig.7 Reduction of switch number from 18 to 15
在实际应用中，考虑到减少开关数目和简化控制的需要，推荐采用图7所示的具有15个开关的矩阵变换器，成本可以大大降低。
3 矩阵变换器中箝位电路的设计分析
在矩阵变换器的实际应用中，为了使矩阵变换器能够稳定安全工作，必须给开关外加过压保护装置。过压保护装置通常采用箝位电路，利用开关电容网络来吸收存储在L中的谐振能量，以实现箝位功能[5]。箝位保护电路是在变换器发生故障的时候工作的，是矩阵变换器的一个重要组成部分。
本文采用最基本的电容箝位网络，对于矩阵变换器的有源箝位技术将在另文中作进一步阐述。
3.1 矩阵变换器中箝位电路的工作原理
图2虚框部分所示的是传统三相矩阵变换器的箝位电路，是用12个快速恢复二极管组成的2个整流桥将输入/输出端连接在一起，还包括一个箝位电容Cc和一个泄放电阻R1构成[6]。箝位电容参与能量的转换，泄放电阻则给箝位电容提供一个放电通路。故障发生时，控制电路检测到故障信号，并通过关闭驱动信号使变换器的全部开关立刻关断，于是箝位电路开始工作，切断负载，并提供一个能量释放回路，使功率器件得到保护。另外，根据保护原理，充分利用主电路拓扑中的功率器件，可以大大减少箝位二极管的数目，使箝位电路的设计得到简化，降低成本[6]。
改进的双桥拓扑与传统拓扑比较而言，其箝位电路更为简单，只需一个二极管Dc和一个电容Cc[4]。下面对在风电系统中推荐使用的具有15个开关的矩阵变换器拓扑进行分析，其电路拓扑如图8所示。
图 8 15开 关 的 矩 阵 变 换 器 的 箝 位 电 路
Fig.8 15-switch topology with clamp circuit
当变换器启动后，电网侧开关导通，箝位电容Cc被充电，直至其两端的电压达到线电压峰值为止。在正常情况下，箝位电容电压比Vdc大，因此箝位二极管Dc反向截止，箝位电路不工作。当发生故障时，如前所述变换器的全部开关立刻断开，存储在负载电感中的能量转移到箝位电容。所以只要箝位电容值合适选取，装置的过压就可以避免。
3.2 矩阵变换器中箝位电路的参数选择
如果负载为双馈电机，发生故障时，箝位二极管导通，箝位电容和电机的输入端相连，但是电压极性相反，因此切断电机。箝位电容通过箝位二极管充电，此时它与负载连接的等效电路如图9(a)所示。图中的Lδs是定子漏感，Lδr是转子漏感，而Lm是电机的励磁电感；is，ir，im则分别是定子电流，转子电流和励磁电流；Cc即是箝位电容。
初始箝位电压Vc0等于输入网压的峰值。在电感放电过程中，假设励磁电流保持不变。转子电流从初始值ir减小到励磁电流im，箝位二极管则一直保持导通，直到定子电流is减小到0，也就是ir=im的时刻，如图9(b)所示。因此传输到箝位电路的总能量ΔQmotor可以按下式计算。
(a) 变 换 器 与 电 机 连 接 的 等 效 模 型 (b) 双 馈 电 机 的 电 流
图 9 故 障 状 态 下 ， 双 馈 电 机 等 效 电 感 向 箝 位 电 容 放 电
Fig.9 Discharging of the inductances to the clamp capacitor during a fault situation
ΔQmotor=
(6)
对于最坏的情况，比如im=0，且ir=is式(6)变为
ΔQmotor,max=
(7)
传输的能量ΔQmotor,max是选取电容值的重要参数。电机断开后，箝位电容两端的电压上升值Vcl为
Vcl=
(8)
可求得所需要的电容值Cc为
Cc=
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