作为一种“绿色”变换器，相比于传统的交－直－交变换器，矩阵式变换器（MC）[1-3]具有许多优点：无中间直流储能环节，体积缩小，功率电路简单、紧凑；能量的双向流通，正弦的输入输出电流；可输出频率、幅值及相位可控的正弦负载电压；输入功率因数等于1或可控[4-5]。
1971年，NIDERLINSKI首先提出容错控制FTC(Fault Tolerant Control)这一概念，SILJAK在1980年最先发表关于容错控制的文章。“容错”一词源至于计算机专业，是容忍故障的简称[6]。由于矩阵式变换器（MC）没有续流回路，易发生短路故障和断路故障；由于其没有直流环节不管是哪种故障均是非常危险的，严重影响供电质量。本文将容错运行引入到矩阵式变换器（MC）故障模式下，如图1采用二极管，图2采用双向开关，分别构成续流回路，当出现故障时，通过控制变换器双向开关的导通状态为负载提供一个可控安全的续流回路，使负载能够在短时间内释放储能，减少对变换器系统电路的损坏[7]。

1 矩阵变换器故障种类
MC作为一种高性能的电力变换器，由于没有自由续流回路，当其发生故障时，不能像交—直—交电力变换器那样直接关断变换器的所有开关来实现保护和故障的切除。传统上采用二极管续流电路来保护MC，其原理与交-直-交变换器在二极管续流回路上的作用相同，优点是系统能够安全可靠运行。而缺点是又因为引入了大电容进入系统，随着系统容量的增加，电容的容量也相应地变大，从而增大了系统的体积，另一方面也就减弱了MC许多优良特性[6]。MC-PMSM系统故障分为转矩负载过载、变换器开关管短路与断路3种情况。
1.1 矩阵变换器的故障波形
常见的MC故障可以分为两种类别：短路故障和断路故障。由于其没有直流环节，不管是哪种故障均是非常危险的，会严重影响电网的电能质量[6]。通过Matlab软件搭建系统仿真模型，分别针对其短路故障和断路故障进行仿真，并分析这些故障的影响。图3、图4为MC上开关SAa发生断路与短路的仿真波形。

这时通过上面所提到的检测电路发现开关SAa出现断路现象时，如图3应该立即控制双向开关TRa导通，使断相的电流通过TRa回路流出，同时关断与电机U相连接的MC所有开关管的驱动信号。其次根据图5迅速判断此时电压输入、输出所处的区间和相应的最大相、中间相以及最小相。此时，若输入电机两端的电网电压在第一扇区内，那么UR则为正的最大值，UC为负的最大值，同时利用主控制器控制开关保证电机的V相仍与电源的S相联接，电机的W相仍与电源的T相联接，而电机的U相则通过双向开关TRa回路连接至电网侧[8]。采用这种策略后，即可以保证MC继续安全运行，也可使电机中存储的能量回馈电网节约能源，而不像传统电路采用电阻消耗储能。由于当MC检测到故障时才开始实施容错安全运行策略,对于MC的输出波形而言已经不再是理想的正弦波,此时判断输入和输出电压所处区间也就不一定准确。如果当MC的故障输入和输出电压一直延续到下一个区间时,电机储能仍未释放完,则应该保持主控制器控制开关连接不变,直到电机负载侧储能释放完毕,再完全关断所有开关，那么电机两端将不会出现强的电动势，最后维修MC。整个过程中对于MC完好的双向开关仍采用四步的换流策略直到电机的转速降为接近零时，使电机释放完定子绕组中储存的能量。同理如果断开的是V、W两项，则过程同上。
图7为MC双向开关短路时的仿真波形。通过人为在0.056 s处加入故障，可以得到MC-PMSM系统在出现故障后其转速不断作不规则震荡后迅速下降导致系统失控。同时电机的三相电流和系统闭环的反馈电压均出现明显的畸变，且输入相电流和输出线电压波形中含有大量的高次谐波[9]。此时分别针对图2和图3的系统结构原理图进行FTC的仿真研究，其仿真波形如图8、图9所示。

仿真参数设计如下输入侧电容C=26.5 μF，电感L=0.9 mH，电阻R=33 Ω，频率f=1 kHz；电机参数：LS=4.45 mH，φF=0.342 9 Wb，ωN=2 000 rpm，J=16.83e-3kgm2，PN=10.6 kW。
基于矩阵变换器驱动的PMSM容错补救措施，通过控制变换器开关的驱动信号和重新调整电路结构，为负载提供一个可以控制的续流回路，使负载释放完储存的能量并能迅速停车或继续安全运行，而不会在两端出现任何严重过电压。同时通过对二极管箝位电路的改进，缓解了MC系统电路中引入大电容时导致的MC体积变大及箝位电容使用寿命短的不足，并能使能量回馈电网达到节能的目的。通过对MC的开关在断路和短路两种情况下采用容错控制策略的仿真验证了所提出的容错运行策略可以提高MC系统运行的稳定性。
参考文献
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[4] 孙凯，周大宁，梅杨.矩阵式变换器技术及其应用[M].北京：机械工业出版社，2007.
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[9] 张建华.矩阵变换器电压传输特性研究及其谐波分析[D].湘潭：湘潭大学，2006.