作為一種“綠色”變換器，相比于傳統的交－直－交變換器，矩陣式變換器（MC）[1-3]具有許多優點：無中間直流儲能環節，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載電壓；輸入功率因數等于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年最先發表關于容錯控制的文章。“容錯”一詞源至于計算機專業，是容忍故障的簡稱[6]。由于矩陣式變換器（MC）沒有續流回路，易發生短路故障和斷路故障；由于其沒有直流環節不管是哪種故障均是非常危險的，嚴重影響供電質量。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，分別構成續流回路，當出現故障時，通過控制變換器雙向開關的導通狀態為負載提供一個可控安全的續流回路，使負載能夠在短時間內釋放儲能，減少對變換器系統電路的損壞[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，由于沒有自由續流回路，當其發生故障時，不能像交—直—交電力變換器那樣直接關斷變換器的所有開關來實現保護和故障的切除。傳統上采用二極管續流電路來保護MC，其原理與交-直-交變換器在二極管續流回路上的作用相同，優點是系統能夠安全可靠運行。而缺點是又因為引入了大電容進入系統，隨著系統容量的增加，電容的容量也相應地變大，從而增大了系統的體積，另一方面也就減弱了MC許多優良特性[6]。MC-PMSM系統故障分為轉矩負載過載、變換器開關管短路與斷路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。由于其沒有直流環節，不管是哪種故障均是非常危險的，會嚴重影響電網的電能質量[6]。通過Matlab軟件搭建系統仿真模型，分別針對其短路故障和斷路故障進行仿真，并分析這些故障的影響。圖3、圖4為MC上開關SAa發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現開關SAa出現斷路現象時，如圖3應該立即控制雙向開關TRa導通，使斷相的電流通過TRa回路流出，同時關斷與電機U相連接的MC所有開關管的驅動信號。其次根據圖5迅速判斷此時電壓輸入、輸出所處的區間和相應的最大相、中間相以及最小相。此時，若輸入電機兩端的電網電壓在第一扇區內，那么UR則為正的最大值，UC為負的最大值，同時利用主控制器控制開關保證電機的V相仍與電源的S相聯接，電機的W相仍與電源的T相聯接，而電機的U相則通過雙向開關TRa回路連接至電網側[8]。采用這種策略后，即可以保證MC繼續安全運行，也可使電機中存儲的能量回饋電網節約能源，而不像傳統電路采用電阻消耗儲能。由于當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不再是理想的正弦波,此時判斷輸入和輸出電壓所處區間也就不一定準確。如果當MC的故障輸入和輸出電壓一直延續到下一個區間時,電機儲能仍未釋放完,則應該保持主控制器控制開關連接不變,直到電機負載側儲能釋放完畢,再完全關斷所有開關，那么電機兩端將不會出現強的電動勢，最后維修MC。整個過程中對于MC完好的雙向開關仍采用四步的換流策略直到電機的轉速降為接近零時，使電機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系統在出現故障后其轉速不斷作不規則震蕩后迅速下降導致系統失控。同時電機的三相電流和系統閉環的反饋電壓均出現明顯的畸變，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的系統結構原理圖進行FTC的仿真研究，其仿真波形如圖8、圖9所示。

    仿真參數設計如下輸入側電容C=26.5 μF，電感L=0.9 mH，電阻R=33 Ω，頻率f=1 kHz；電機參數：LS=4.45 mH，φF=0.342 9 Wb，ωN=2 000 rpm，J=16.83e-3kgm2，PN=10.6 kW。
    基于矩陣變換器驅動的PMSM容錯補救措施，通過控制變換器開關的驅動信號和重新調整電路結構，為負載提供一個可以控制的續流回路，使負載釋放完儲存的能量并能迅速停車或繼續安全運行，而不會在兩端出現任何嚴重過電壓。同時通過對二極管箝位電路的改進，緩解了MC系統電路中引入大電容時導致的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達到節能的目的。通過對MC的開關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MC系統運行的穩定性。
參考文獻
[1] VENTURINI M.A new sine wave in, sine wave out，conversion technique which eliminates reactive elements[C].Proc  Powercon7，San Diego，CA.1980.
[2] HUBER L，BOROJEVIC D.Space vector modulated three-phase to three-phase matrix converter with input power  factor correction[J].IEEE Trans.on IA，1995，31(6)：1234-1246.
[3] KWAK S，TOLIYAT H.An approach to fault-tolerant threephase matrix converter drives[J].IEEE Transactions on Energy  Conversion,2007，22(4)：855-863.
[4] 孫凱，周大寧，梅楊.矩陣式變換器技術及其應用[M].北京：機械工業出版社，2007.
[5] 楊喜軍，龔幼民，葉芃生.矩陣變換器的理論與應用[M]. 北京：機械工業出版社，2011.
[6] 王德軍，李元春.故障診斷與容錯控制方法研究[D].吉林：吉林大學，2004.
[7] 王莉娜，黃立培.矩陣式變換器—異步電機系統的故障保護及容錯運行方式[J].電工技術學報，2006，21(12)：66-70.
[8] KHWAN-ON S，LILLO L D，EMPRINGHAM L，et al.Faulttolerant，matrix converter，permanent magnet synchronous motor drive for open-circuit failures[C].Power Electronics Machines and Control Group，Department of Electrical and Electronic Engineering，2010.
[9] 張建華.矩陣變換器電壓傳輸特性研究及其諧波分析[D].湘潭：湘潭大學，2006.