作為一種“綠色”變換器，相比于傳統(tǒng)的交－直－交變換器，矩陣式變換器（MC）[1-3]具有許多優(yōu)點：無中間直流儲能環(huán)節(jié)，體積縮小，功率電路簡單、緊湊；能量的雙向流通，正弦的輸入輸出電流；可輸出頻率、幅值及相位可控的正弦負(fù)載電壓；輸入功率因數(shù)等于1或可控[4-5]。
    1971年，NIDERLINSKI首先提出容錯控制FTC(Fault Tolerant Control)這一概念，SILJAK在1980年最先發(fā)表關(guān)于容錯控制的文章。“容錯”一詞源至于計算機(jī)專業(yè)，是容忍故障的簡稱[6]。由于矩陣式變換器（MC）沒有續(xù)流回路，易發(fā)生短路故障和斷路故障；由于其沒有直流環(huán)節(jié)不管是哪種故障均是非常危險的，嚴(yán)重影響供電質(zhì)量。本文將容錯運行引入到矩陣式變換器（MC）故障模式下，如圖1采用二極管，圖2采用雙向開關(guān)，分別構(gòu)成續(xù)流回路，當(dāng)出現(xiàn)故障時，通過控制變換器雙向開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)為負(fù)載提供一個可控安全的續(xù)流回路，使負(fù)載能夠在短時間內(nèi)釋放儲能，減少對變換器系統(tǒng)電路的損壞[7]。

1 矩陣變換器故障種類
    MC作為一種高性能的電力變換器，由于沒有自由續(xù)流回路，當(dāng)其發(fā)生故障時，不能像交—直—交電力變換器那樣直接關(guān)斷變換器的所有開關(guān)來實現(xiàn)保護(hù)和故障的切除。傳統(tǒng)上采用二極管續(xù)流電路來保護(hù)MC，其原理與交-直-交變換器在二極管續(xù)流回路上的作用相同，優(yōu)點是系統(tǒng)能夠安全可靠運行。而缺點是又因為引入了大電容進(jìn)入系統(tǒng)，隨著系統(tǒng)容量的增加，電容的容量也相應(yīng)地變大，從而增大了系統(tǒng)的體積，另一方面也就減弱了MC許多優(yōu)良特性[6]。MC-PMSM系統(tǒng)故障分為轉(zhuǎn)矩負(fù)載過載、變換器開關(guān)管短路與斷路3種情況。
1.1 矩陣變換器的故障波形
    常見的MC故障可以分為兩種類別：短路故障和斷路故障。由于其沒有直流環(huán)節(jié)，不管是哪種故障均是非常危險的，會嚴(yán)重影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量[6]。通過Matlab軟件搭建系統(tǒng)仿真模型，分別針對其短路故障和斷路故障進(jìn)行仿真，并分析這些故障的影響。圖3、圖4為MC上開關(guān)SAa發(fā)生斷路與短路的仿真波形。

    這時通過上面所提到的檢測電路發(fā)現(xiàn)開關(guān)SAa出現(xiàn)斷路現(xiàn)象時，如圖3應(yīng)該立即控制雙向開關(guān)TRa導(dǎo)通，使斷相的電流通過TRa回路流出，同時關(guān)斷與電機(jī)U相連接的MC所有開關(guān)管的驅(qū)動信號。其次根據(jù)圖5迅速判斷此時電壓輸入、輸出所處的區(qū)間和相應(yīng)的最大相、中間相以及最小相。此時，若輸入電機(jī)兩端的電網(wǎng)電壓在第一扇區(qū)內(nèi)，那么UR則為正的最大值，UC為負(fù)的最大值，同時利用主控制器控制開關(guān)保證電機(jī)的V相仍與電源的S相聯(lián)接，電機(jī)的W相仍與電源的T相聯(lián)接，而電機(jī)的U相則通過雙向開關(guān)TRa回路連接至電網(wǎng)側(cè)[8]。采用這種策略后，即可以保證MC繼續(xù)安全運行，也可使電機(jī)中存儲的能量回饋電網(wǎng)節(jié)約能源，而不像傳統(tǒng)電路采用電阻消耗儲能。由于當(dāng)MC檢測到故障時才開始實施容錯安全運行策略,對于MC的輸出波形而言已經(jīng)不再是理想的正弦波,此時判斷輸入和輸出電壓所處區(qū)間也就不一定準(zhǔn)確。如果當(dāng)MC的故障輸入和輸出電壓一直延續(xù)到下一個區(qū)間時,電機(jī)儲能仍未釋放完,則應(yīng)該保持主控制器控制開關(guān)連接不變,直到電機(jī)負(fù)載側(cè)儲能釋放完畢,再完全關(guān)斷所有開關(guān)，那么電機(jī)兩端將不會出現(xiàn)強(qiáng)的電動勢，最后維修MC。整個過程中對于MC完好的雙向開關(guān)仍采用四步的換流策略直到電機(jī)的轉(zhuǎn)速降為接近零時，使電機(jī)釋放完定子繞組中儲存的能量。同理如果斷開的是V、W兩項，則過程同上。
    圖7為MC雙向開關(guān)短路時的仿真波形。通過人為在0.056 s處加入故障，可以得到MC-PMSM系統(tǒng)在出現(xiàn)故障后其轉(zhuǎn)速不斷作不規(guī)則震蕩后迅速下降導(dǎo)致系統(tǒng)失控。同時電機(jī)的三相電流和系統(tǒng)閉環(huán)的反饋電壓均出現(xiàn)明顯的畸變，且輸入相電流和輸出線電壓波形中含有大量的高次諧波[9]。此時分別針對圖2和圖3的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖進(jìn)行FTC的仿真研究，其仿真波形如圖8、圖9所示。

    仿真參數(shù)設(shè)計如下輸入側(cè)電容C=26.5 μF，電感L=0.9 mH，電阻R=33 Ω，頻率f=1 kHz；電機(jī)參數(shù)：LS=4.45 mH，φF=0.342 9 Wb，ωN=2 000 rpm，J=16.83e-3kgm2，PN=10.6 kW。
    基于矩陣變換器驅(qū)動的PMSM容錯補(bǔ)救措施，通過控制變換器開關(guān)的驅(qū)動信號和重新調(diào)整電路結(jié)構(gòu)，為負(fù)載提供一個可以控制的續(xù)流回路，使負(fù)載釋放完儲存的能量并能迅速停車或繼續(xù)安全運行，而不會在兩端出現(xiàn)任何嚴(yán)重過電壓。同時通過對二極管箝位電路的改進(jìn)，緩解了MC系統(tǒng)電路中引入大電容時導(dǎo)致的MC體積變大及箝位電容使用壽命短的不足，并能使能量回饋電網(wǎng)達(dá)到節(jié)能的目的。通過對MC的開關(guān)在斷路和短路兩種情況下采用容錯控制策略的仿真驗證了所提出的容錯運行策略可以提高M(jìn)C系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。
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