CN101151790B

CN101151790B - 矩阵转换器及其操作方法

Info

Publication number: CN101151790B
Application number: CN2006800108147A
Authority: CN
Inventors: A·拉卡兹
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2006-03-10
Publication date: 2010-05-19
Anticipated expiration: 2026-03-10
Also published as: DE502006005105D1; EP1864371B1; EP1864371A1; US7460377B2; JP2008535451A; WO2006103155A1; US20080055953A1; JP4773508B2; CN101151790A

Abstract

本发明涉及一种矩阵转换器(3)，用于将多相交流电(6)转换成希望的交流输出电流(7)，其中利用多个可控双向开关(4)将m相的多相交流电(6)转换为具有n(n＜m)个负载相(L1、……、L3)的交流输出电流。通过提供至少两个级(8、9)，可以实质性地降低并简化结构，其中至少在转换器的一个级(8)中利用可控双向开关(4)来控制多相交流电(6)的每个相(6)。如果m是n的整数倍并且如果至少在转换器(3)的一个级(9)中提供了m/m组(12)可控双向开关(4)，其中每个组(12)包括分别连接到交流输出电流(7)的每个相的n个并联双向开关(4)，则可以进一步简化。

Description

矩阵转换器及其操作方法

技术领域

本发明涉及具有电力电子器件的高相阶发电机设备。本发明尤其涉及用于电源转换的矩阵转换器，其典型地连接到发电机，该发电机将所产生的来自发电机的多相交流电转换成适合于电网的多相交流电。

背景技术

在发电中，对于指定的输出，随着涡轮的转速增加，其大小和费用将会减少。还可以提高效率。到目前为止，经由传动装置，将高达70MW的发电涡轮连接到发电机，以便允许以更高的涡轮转速进行操作。随着输出增加，由于可靠性的原因，传动装置的使用变得越来越困难。在这种情况下，以同步速度操作涡轮。

使用静态频率转换器(电力电子器件)可替换地提供了多个好处，例如，对于体积和旋转速度的乘积不变的发电机来说降低了费用、标准化的50和60Hz的发电机、可以对允许恢复涡轮的部分负载效率的速度进行调整、实质性地降低了噪声、洁净(无油)冷却等等。

在发电的情况下和在驱动的情况下，静态频率转换器的损耗的降低将导致实质性的费用节省。损耗降低将首先对投资费用有意义，因为冷却占了转换器的总费用的很大一部分。

静态频率转换器有间接AC/DC/AC转换和直接AC/AC转换两种形式。

通过从三相源(在发动机的情况下是电源；在发电的情况下是发电机)产生直流电流或者定向直流电压来引起间接转换(AC/DC/AC)。接下来，通过使用换流器，将直流电流或者直流电压转换回交流电。将电感(电流源转换器)或者电容组(电压源转换器)切换到中间电路，以降低电流或者尖峰信号的波动成分。

如今的大型直接或者间接电流转换器使用闸流管。如果闸流管能够自然换相，则转换器的损耗则会降低。电压源转换器使用具有固有的高切换损耗的GTO，以及IGBT或者IGCT。单独的组件的功率容量小于闸流管，从而，对于指定的电压和指定的电流需要更大量的组件。电压源转换器可以从脉宽调制技术的使用中获益，该技术改进了电流曲线的形状并且降低了谐波。考虑到损耗和电介质疲乏，希望切换频率越高越好。通常可以把电流产生为正弦形状，从而避免电机功率降级。

例如，可以通过所谓的环形转换器来进行直接转换(AC/AC)。从电机的角度来说，直接转换提供了重要的好处，因为电流或多或少的是正弦形的，而不是削顶的直流电流。这降低了电机中额外发生的损耗，并且还防止了脉动转矩。

然而，3相环形转换器的使用将可实现的频率范围限制到了输入频率的0-1/3之间。3相环形转换器由3个单相环形转换器构成，每个单相环形转换器以平衡操作处理功率的1/3。超过频率比例的1/3限制将导致强烈的不平衡操作。则应将每个单相环形转换器设计为用于大于全功率的1/3。过度设计可能会高达额定功率的3倍。

直接转换的另一种可能是由所谓的矩阵转换器提供的，在该矩阵转换器中多相源(发射器或者电源)的每个相通过双向开关连接到或者可连接到多相负载(电源、无源负载、发动机等等)的每个相。该开关包括足够数量的闸流管，用于承受相间的差动电压以及相电流，并且允许电流反向。可以将这些开关视为精确的双向组件，其可选择地可以与附加的线路，例如缓冲器或者用于反平行组件的驱动脉冲的门单元电源一起使用。

将该开关排列成(m×n)矩阵，其中m个源相，n个负载相。这提供了在输入相和输出相之间建立任何想要的连接的可能。然而同时，其缺点在于该矩阵的某些切换状态是不允许的，因为否则例如可能会导致短路。此外，希望实现从一个相到另一个相之间的换相，从而导致最低的可能的切换损耗。

US A 5594636描述了矩阵转换器及其操作处理，其中相之间的换相部分地实现为自然换相，在自然换相不可行时具有强迫换相。尽管通过这种选择，由于自然换相而降低了切换损耗，但是源于强迫换相的切换损耗仍然还在。此外，在矩阵中的所有位置，可能的强迫换相使得必须使用能够被关闭的组件。这极大地增加了切换花费。

然而，可以以仅使用自然换相的方式来操作矩阵转换器。这可以通过只在满足某些条件时，仅允许从所选择的连接的发电机相切换到选择的未连接的发电机相来实现。在DE-A-10051222以及对应的欧洲申请EP-A-1199794中描述了这种矩阵转换器及其操作模式。虽然具有高效率和通用性，但是矩阵转换器的概念及其操作模式对于特定的应用在谐波失真方面和可能的频率比方面通常具有多个一些缺点。

发明内容

因此本发明的目的是提供一种改进的矩阵转换器，用于将例如由发电机提供的多相交流电流/电压转换到希望的交流输出电流/电压。本发明涉及用于将多相交流电转换成希望的交流输出电流的矩阵转换器领域，其中利用多个可控的双向开关，将该多相交流电的m个相转换成具有n(n＜m)个负载相的交流输出电流。

本发明通过提供一种至少包括两个级的矩阵转换器解决了上述问题，其中优选地在该转换器的一个级中通过可控的双向开关来控制多相交流电的每个相。

典型地，这个级是转换器的第一级，并且其直接连接到发电机。借助于转换器的这个第一级，可以显著降低必要的双向开关的数量。

本发明提供了一种矩阵转换器，用于将多相交流电转换成希望的输出交流电，利用多个可控双向开关，将m相多相交流电转换成具有n个负载相(L1、……、L3)的输出交流电，其中m＞2，n＞1，m是n的整数倍，所述转换器至少包括两个级，并且至少在所述转换器的一个第一级中利用可控双向开关来控制所述多相交流电的每个相，并且所述转换器的所述第一级直接连接到发电机；在所述转换器的至少一个第二级中布置m/n组可控双向开关，并且每个组具有n个并联的可控双向开关，所述n个并联的可控双向开关分别连接到所述输出交流电的n个相中的每一个；如果在每个可控双向开关中将k个开关元件串联成堆以便能够承受电压，其中每个可控双向开关的每个支路含有k/2个开关元件，则将所述串联元件拆分成两个具有k1和k2个开关元件的堆，其中k1+k2＝k，所述转换器的第一级由p个各自含有q个相的组组成，其中p×q＝m，并且对于p个组中的每一组，第一级中的每个堆的每个支路由k1/2个开关元件组成，所述k1个开关元件将q个相连接到所述第二级的m/n组可控双向开关中的一组，以及所述转换器的第二级由p个含有n个开关堆的组组成，每个堆具有k2个串联的开关元件，第二级中的每个堆的每个支路具有k2/2个开关元件，并且每个堆将所述第一级的p个组中的一个连接到所述n个负载相中的一个。

在根据例如EP-A-1199794中所概述的现有技术的矩阵转换器中，双向开关的数量是m×n。由于事实上这种矩阵转换器通常必须能够承受高电源(典型地网络处于5-15kV的范围内)，所以每个双向开关额外地包括若干个串联的开关元件。这与高相阶发电机的具体组合使得需要过多的必要开关元件，从而增加了该矩阵转换器的相关费用。

所建议的多级矩阵转换器由于将开关元件(例如闸流管，但是还可以是相应排列的IGBT、IGCT或者GTO)的堆进行了拆分并且将所述开关元件的一部分组合到转换器的第一级中，从而简化了设计，并且降低了必要开关元件的数量。此第一级随后不必在输入和输出之间的m×n个路径的每一个中提供全套的串联开关元件，但是其足以在每个用作此第一级的输入的多相交流电路径中提供部分开关元件。

例如，如下给出了元件数量降低的一种可能：如果当与根据现有技术的体系结构相比，把串联开关元件的数量拆分成二部分，并且如果在每个双向开关中串联地提供了k个开关元件来承受电压，则在第二级中将仅剩k/2×m×n个开关元件，而第一级中包括k/2×m个开关元件。从而导致总数为k/2×m×(n+1)，而根据现有技术需要k×m×n个开关元件。从而实质性地节省了费用以及诸如缓冲器等必要控制设备的以及冗余，并且该简化还额外导致了用于对矩阵转换器进行切换的简化的控制方案。

对于开关元件的额定值，必须记住，必须利用第二级中的一个双向开关来承受线间电压。

但是不仅是在矩阵转换器的输入侧有可能进行简化，而且在第二级内元件的减少也是有可能的，从而产生以上所给出的类似优点。根据优选实施例，例如，可以以与输出相的数量相匹配的方式将多组开关元件组合到第二级中。例如如果m是n的整数倍，则有可能在至少一个级中，典型地在转换器的第二级中，提供m/n组可控的双向开关，其中每组可控的双向开关包括n个分别连接到交流输出电流的每个相的并联双向开关。该第二级最好是转换器的最后一级，并且直接连接到变压器或者负载。

必须指出，此第二级的设计无需依赖上述第一级的设计。当然，此第二级也是独立于上述第一级的发明点。

从而根据本发明的一个实施例，该矩阵转换器的特征在于m是n的整数倍，以及在于该转换器包括两个级。该转换器的第一级直接连接到发电机，并且在该第一级中通过可控的双向开关来控制多相交流电的每个相。该转换器的第二级包括m/n组可控的双向开关，每个组包括n个分别连接到交流输出电流的每个相的并联双向开关。所述第二级直接连接到变压器或者负载。优选地，在发电机侧，用m个相形成第一级的输入，并且用m/n个相来形成第一级的输出。优选地将这两个级连接成：第一级的n个输出相(当考虑到发电机的扇区槽的相对圆周排列时最好为相邻的相)的组是相连的或者结合的。另一方面，将所形成的m/n个电感的每一个与该转换器的第二级的对应组的双向开关的每一个相连。在这种设置中，第二级仅包括k/2×m/n×n＝k/2×m个双向开关，而不是上述情况中的k/2×m×n个。因此在这种体系结构中，开关元件数量减少得更多。

双向开关的总数量则是k×m个，而不是(最初的)k×m×n个或者(当仅对第一级进行修改时的)k×m×(n+1)/2个。

更一般地，可以将含有k个开关元件的堆拆分成分别具有k₁和k₂个元件的两堆(k₁+k₂＝k)。转换器的第一级由p个各自含有q个相的组组成(p×q＝m)。p个组中的每一组由k₁个开关元件的堆组成，用于将q个相连接到第二级的多个开关组中的一个。第一级的开关元件的数量是k₁×p×q(而不是k₁×p×q×n)。

然后转换器的第二级由q个各自含有n个开关堆的组组成，其中每个堆包含k₂个串联开关元件。每个堆将第一级的p个组中的一个连接到n个负载相中的一个。

第二级的开关元件的数量是k₂×p×n(而不是k₂×p×q×n)。

因此，开关元件的总数量是p×(q×k₁+n×k₂)而不是p×q×(k₁+k₂)×n。减少量是第一级上的因子n(负载相的数量)和第二级上的因子q。

此实质性的节省可能会由于占空比考虑而受到限制。

通常，在任何情况下m＞2并且n＞1，优选地m＞3并且n＞2。在后一种情况下，为了能够有效地操作矩阵转换器，第二级中的组的数量必须至少为n+1(等价于90°)。优选地第二级中的组的数量至少为6(等价于60°的相对相差)。

根据本发明的另一个实施例，将此体系结构应用到高相阶发电机领域中。因此，多相交流电具有七个或者更多相将更有利。

使用所谓的高相阶发电机以及对应的多个相的多相交流电将会减少谐波失真。为了优化多相交流电的相数，所要考虑的主要参数是：

·相数最好是3的倍数，否则电流和电压将永远不会平衡。

·多相交流电的相数大则导致换相频率高

·高的换相频率减少了谐波失真

·换相频率由于换相的持续时间而受限。

·开关的总数量正比于相数。转换器的费用直接取决于此。

·相数大意味着在m相源中占空比低。则发电机利用不足并且其费用高。

此外，已经证明，使用其定子绕组三角形连接的发电机是非常有利的，其中所述发电机的定子绕组产生多相交流电的相。例如，可以使用如通过对外部绕组连接进行连接以及通过将矩阵转换器的输入连接到螺旋管的末端所获得的多边形定子。在这些多边形定子绕组中，将各个绕组恰当地串联，连接点形成了m个顶点，每个顶点定义了一个相，该相随后与矩阵转换器的第一级的输出相连。因此，可以对标准发电机进行修改，以便进行操作。这是可以实现的，因为，假设绕组节距是可调节的，则能够通过例如对外部绕组连接进行连接以及通过将矩阵转换器的第一级的输入连接到螺旋管的末端来获得多边形定子。从而去除了用于将线圈连接到终端的圆环，并且把连接到该圆环的线棒端部(bars ends)焊接在一起。从而定子绕组变成完全对称的并且形成了一个单独的短路线圈。

如果特别地将转换器的第一级集成到发电机的定子中，则可以形成非常紧凑高效的结构。为了额外地改进发电机内的热环境，可以向矩阵转换器提供部件，其包含在冷却液流的定子中并且用于冷却发电机。

本发明不局限于特定数量的希望的交流输出电流。然而，典型地，希望具有3到6个相的交流输出电流。此外，本发明并不特别局限于高相阶发电机。然而，典型地，多相交流电具有多于8个相，并且优选地该多相交流电的相数是3的倍数。该多相交流电最好具有9、12、15、18、21或24或者更多个相。出于实际的原因，多相交流电的相等于定子槽的数量会非常有利。

为了很好地控制矩阵转换器，通常通过控制单元来控制双向开关，以可选择地将m个输入和n个输出相连，其中提供了用于确定输入中的电流符号的第一模块以及用于确定输入之间的电压符号的第二模块，并且其中所述第一和第二模块与控制系统有源连接。从而将双向开关经由信号线连接到控制系统，从而可以将关于开关的开关状态的信息发送到控制系统。

任何操作矩阵转换器的方法固有地产生请求以将所选择的输入相连接到所选择的输出相。

本发明的转换器的第二级可以按照对于单级矩阵转换器定义和已知的换相顺序来进行操作。唯一的不同点是确定换相是在第一级组的内部请求的，还是从一个组到另一个组请求的。在第一种情况下，不必在第二级请求换相，而在第二种情况下需要应用换相请求。

第一级仅接收关于应该连接的发电机相以及传导方向的信息。

在从属权利要求中概述了本发明的进一步的实施例。

附图说明

在附图中示出了本发明的优选实施例，其中：

图1是根据现有技术的有源发电机矩阵转换器的示意性显示；

图2a是高相阶有源发电机矩阵转换器的示意性显示；图2b是一组三个双向开关的示意性显示；

图3是具有两个级的高相阶有源发电机矩阵转换器的示意性显示；以及

图4是另一个具有两个级的高相阶有源发电机矩阵转换器的示意性显示。

具体实施方式

参考附图，其中附图用于说明本发明的优选实施例而非用于限制本发明，图1示出了发电机的结构，其中将具有6个星形连接(参考标号2)的发电机相G1到G6的发电机1连接到矩阵转换器3。多相交流电6包括六个相(m＝6)，从而给出矩阵转换器3的输入。这些相中的每一个分别经由双向开关4连接到三个交流输出电流相7中的任意一个。双向开关4的这种排列产生了6×3开关矩阵，或者更通常地，对于m相的多相交流电6和n相的交流输出电流7，该矩阵转换器包括双向开关4的m×n矩阵。通过相应的控制，从而可以在任何时间，根据交流输出电流7希望哪种输出形式，来将任意输入相与任意输出相连接。通常将交流输出电流7通过变压器5连接到电网(相L1、……、L3)。

在DE-A-10051222以及对应的欧洲申请EP-A-1199794中描述了根据图1的矩阵转换器以及这种矩阵转换器的优选操作模式。

出于多种考虑，例如谐波失真和频率比，最好使用比图1中所示的6个多得多的多个相。然而，相数大将导致定子绕组和电源开关利用不足。此外，根据图2的设计意味着使用大量开关元件，从而导致投资费用高，这一方面涉及到开关元件，但是还涉及到用于控制这些开关元件的大量的必要装置。

避开使用发电机定子的方法是考虑多边形定子。通过对外部绕组连接进行连接来方便地获得多边形绕组。然后可以简单地将开关连接到螺旋管的末端。理论上相的数量可以和定子槽的数量一样多(即数十个)。

输出可以是3或6相的。如果使用3相连接，则不能照常降低绕组节距，这可能在无负载电压上形成一些失真，并且降低了有效电压(降低了绕组系数)。具体输出功率稍微降低，并且发电机将会过大(大约15％)。如果使用6相输出，则输出功率与初始绕组完全相同。现在损失则在母线和升压变压器上。母线的特殊设计可以基本降低该额外费用。用于双绕组的启动变压器上的额外费用是微量的。当线电流很大并且超过了闸流管额定值时，6相输出非常吸引人。

图2a对应地示出了具有15个相的高相阶发电机1的可能的配置。这里所述的结构的目的在于提供一种当相数变大，例如24、36或更大时，有吸引力的技术方案。当然，该技术方案可以应用于任意相数。以矩阵转换器将m相发电机连接到3相网络的情况为例来解释该结构。当然，还构想了不同的配置，例如3相网络馈送给m相电动机或者双绕组(6相)变压器馈送给m相电动机。

所给出的用于15相的多相交流电6和3相的希望的交流输出电流7的发电机配置与现有技术的标准同步AC发电机非常类似。其差别在于定子线棒端部绕组的连接，应对其进行修改。

首先，将用于将线圈连接到终端的圆环移除。现在与形成线圈的线棒一样，将连接到该圆环的线棒端部焊接在一起。通过这么做，定子绕组就完全对称了，并且形成了一个单独的短路线圈，其次，将部分或者有可能全部焊接头连接到双向开关4。结果所得的多相交流电的表观相数m可能是3、4、5、6……直到线棒数量，即，如果驱动和非驱动端都装配有开关则是槽数量的两倍。通常AC发电机是星形连接的，在这种情况下，该发电机是三角形连接的。定子配置与DC电动机的定子绕组有些相似。

这种配置的基本操作原理仍然相同，与大量相一起使用。

由于相数大，所以表观换相频率将会很高。所生成的谐波电压的频率将会更高而振幅将会更小。由于发电机的相感抗，对应的谐波电流将会进一步降低。

然而，如果需要将这种高相阶发电机连接到负载，则使用矩阵转换器将导致过多的必要开关元件。如果相数增加，费用以及大小将会急剧增加。事实上，如图2b)所示，每个双向开关元件通常由独立的半导体闸流管的堆组成。例如对于11kV网络，在每个双向开关4的每个支路11中需要8个闸流管10串联。在15相输入和三相输出的情况下，这需要720(8×2×m×n)个闸流管(或者等价的可控开关元件)，这是实现这种矩阵转换器所必需的。

根据本发明，如图3所示，现在可以将这些闸流管堆拆分成两部分。从而产生了矩阵转换器的第一级，其中每个输入相6具有单独的双向开关元件4。这种设计的好处是闸流管的数量比把相从6变化到15通常所需要的少30％，即，仅增加70％而不是150％。如果将这些闸流管堆拆分成两堆，并且一半仍然在m×n矩阵中用参考标号3来表示，将另一半(即，对于每个双向开关的每个支路的四个串联闸流管)放入转换器的第二级9，上述情况仍然不变。对于六相输出，节省显然会更大。

然而，这并不是这种配置唯一可能的降低。此外，还可以共享输出开关，产生图4所示的结构。将属于矩阵转换器的第二级9的输出开关分成m/n组12(在图4所给出的具体实例中这产生5组12)，其中每个组12包括的双向开关的数量等于输出相7的数量(在如图4所给出的具体实例中这意味着每个组12有3个双向开关)，其中这些双向开关4分别连接到对应的输出相7。

通过将发电机的定子的m个沿圆周相邻的输入相结合到它们的非发电机侧以形成单独导线13，第一级8就与第二级9相连。从而在此配置中，输入相6的数量必须是输出相7的数量的整数倍。在有15个输入相和3个输出相的情况下，这产生5个导线13，然后可以将该导线连接到上述矩阵转换器的第二级中的组12的输入。

令人吃惊的是，如图4所给出的结构产生具有15个相的矩阵转换器以及相应地更低的高阶谐波，但是闸流管比图1所给出的原始的六相设置少16％。

所提出的先进概念的引人注目的结果是，通过大量相，可以使用有限数量，例如10％，的关断元件例如GTO。其益处是，首先可以摆脱关断时间的问题，其次可以抵消剩余的谐波失真。

“阀”，即双向开关(闸流管、IGBT、IGCT、GTO……)仍然数量巨大。该新概念使得能够灵活地优化单独的“阀”的额定值和费用。要点是，可以将“阀”永久地用于脉冲操作。

脉冲操作允许具有相当大的电流但是低的占空比，这正好适合预知的应用。

如上所述，任何用于操作矩阵转换器的方法内在地产生请求，以将所选择的输入相连接到所选择的输出相。本发明的转换器的第二级可以按照针对单级矩阵转换器所定义和已知的换相顺序来进行操作。例如可以是如DE 10051222.4所述的方法。

唯一的要点是要检查：

·如果换相是第一级组内部请求的，那么不需要在第二级上请求换相，

·或者如果换相是从一组向另一组请求的，那么需要使用换相请求。

第一级仅接收关于应该相连的发电机相以及传导方向的信息。

大型配置的概念性估计

此处的目的是为了概述对于大型配置的发电机/转换器配置和性能。

对于发电机考虑以下“规格”就足以得到数量级并且识别关键因子。

·P＝45MW，S＝55MVA

·Un＝11kV，In＝3kA

在下一部分中，解释了单级转换器的推理。一些数字可用于单级和2级转换器。

开关上的反向电压

当一个开关熔通并且所有其它都断开时发生最糟糕的反向电压的情况。在此情况下通过一个开关的最大电压Vth是：

Vth＝sqrt(2)(Un+2*Vg)≈3.5Un

在此方程式，Vg是每个相的发电机电动势，并且Un是电网电压。

对于11kV，每个开关需要串联Ns＝8个闸流管。对于二级转换器，在发电机侧(第一级8)需要4个闸流管并且在网络侧(第二级9)需要4个闸流管。

传导损耗功率估计

转换器中的功率损耗是由于3个原因：

·传导损耗

·换相损耗

·缓冲器损耗

传导是总的损失功率中的很大一部分，并且对于1V的门限电压和0.16mΩ的斜率电阻可以粗略地对其进行估计。

通常，本发明允许受益于使用发电机侧的大量相所得的好处，这通常产生更低振幅和更高频率的不想要的谐波。这是由于可以避免需要大量开关元件这种通常的缺陷。

参考标号列表

1：发电机

2：星点、星形连接

3：矩阵转换器、转换器

4：双向开关

5：变压器

6：多相交流电

7：交流输出电流

8：共享的输入开关组、转换器的第一级

9：共享的输出开关组、转换器的第二级

10：开关元件、闸流管

11：双向开关的支路

12：双向开关组

13：导线

G1-G6：发电机相

L1-L3：负载(电网)相

m：多相交流电的相数

n：交流输出电流的相数

k：双向开关中串联的开关元件的数量

Claims

1.一种矩阵转换器，用于将多相交流电转换成希望的输出交流电，

利用多个可控双向开关，将m相多相交流电转换成具有n个负载相的输出交流电，其中m＞2，n＞1，m是n的整数倍，

所述转换器至少包括两个级，并且至少在所述转换器的一个第一级中利用可控双向开关来控制所述多相交流电的每个相，并且所述转换器的所述第一级直接连接到发电机；

在所述转换器的至少一个第二级中布置m/n组可控双向开关，并且每个组具有n个并联的可控双向开关，所述n个并联的可控双向开关分别连接到所述输出交流电的n个相中的每一个；

如果在每个可控双向开关中将k个开关元件串联成堆以便能够承受电压，其中每个可控双向开关的每个支路含有k/2个开关元件，则将所述串联元件拆分成两个具有k1和k2个开关元件的堆，其中k1+k2＝k，

所述转换器的第一级由p个各自含有q个相的组组成，其中p×q＝m，并且对于p个组中的每一组，第一级中的每个堆的每个支路由k1/2个开关元件组成，所述k1个开关元件将q个相连接到所述第二级的m/n组可控双向开关中的一组，以及

所述转换器的第二级由p个含有n个开关堆的组组成，每个堆具有k2个串联的开关元件，第二级中的每个堆的每个支路具有k2/2个开关元件，并且每个堆将所述第一级的p个组中的一个连接到所述n个负载相中的一个。

2.如权利要求1所述的矩阵转换器，所述转换器的第二级是所述转换器的最后一级，并且直接连接到变压器或者负载。

3.如权利要求1或2所述的矩阵转换器，所述发电机的m个相形成所述第一级的输入，m/n个相形成所述第一级的输出，其中所述第一级的每个组由相邻的n个输出相相连组成，并且将这样所形成的m/n个导线中的每一个连接到所述转换器的第二级的对应组的每个可控双向开关。

4.如权利要求1或2所述的矩阵转换器，每个可控双向开关包括两个具有反平行单向开关元件的支路，并且在每个支路中至少有两个开关元件串联。

5.如权利要求1或2所述的矩阵转换器，通过从机械能产生电能的发电机来提供所述多相交流电，并且所述多相交流电具有多于三个相。

6.如权利要求5所述的矩阵转换器，所述发电机包括转子和定子，并且产生所述多相交流电的相的所述定子的绕组是三角形连接的。

7.如权利要求5所述的矩阵转换器，将所述转换器的第一级集成到所述发电机的定子，并且将所述矩阵转换器的包含在所述定子中的部件配置在用于冷却所述发电机的冷却液流中。

8.如权利要求1或2所述的矩阵转换器，所述希望的输出交流电具有3个或者6个相，并且所述多相交流电具有多于8个相，并且所述多相交流电的相数是3的倍数。

9.如权利要求8所述的矩阵转换器，所述多相交流电具有9、12、15、18、21或24个相。

10.如权利要求1或2所述的矩阵转换器，利用控制单元来控制所述可控双向开关，所述控制单元选择性地将m个输入连接到n个输出，提供了用于确定输入电流的信号的第一模块以及用于确定所述输入的电压的第二模块，并且所述第一和第二模块与控制单元有源连接。

11.如权利要求10所述的矩阵转换器，利用信号线将所述可控双向开关连接到所述控制单元，经由所述信号线将关于所述可控双向开关的开关状态的信息发送到所述控制单元。

12.如权利要求1或2所述的矩阵转换器，所述可控双向开关包括反平行地连接的闸流管或者IGBT、IGCT或者GTO。

13.如权利要求1或2所述的矩阵转换器，其中，所述多相交流电的相数对应于定子槽的数量。

14.一种用于操作根据以上任一权利要求所述的矩阵转换器的方法，其中，如果换相是在所述第一级的组的内部请求的，则在所述第二级中不产生换相，如果请求从一个组向另一个组换相，则在所述第二级中执行换相。