图1 三相三线制Vienna整流器拓扑原理
Fig.1 Topology of three-phase three-wire Vienna rectifier
摘要 Vienna整流器因其高效率、高功率密度等优点得到广泛的关注，为满足航空应用中高可靠性的要求，研究Vienna整流器故障诊断和容错控制非常有必要。该文通过分析Vienna整流器在单个开关管开路故障情况下输入电流的特点，首先提出一种基于固定相位电流变化率的故障诊断方案；然后对等效空间矢量脉宽调制（SVPWM）方式下故障情况的矢量特性进行分析，提出一种通过矢量替代与合成，实现在大部分区域维持三电平运行，小部分区域转化为不控整流运行的容错控制策略；最后通过仿真和实验验证了所提策略的可行性。
关键词：Vienna整流器 故障诊断 容错控制 空间矢量脉宽调制（SVPWM）
作为三相PWM整流器，Vienna整流器具有功率因数高、功率密度高、效率高等优点[1]，适用于对整流器性能要求较高的航空领域[2]。在航空应用中，整流器需要面对高温、低温的恶劣工作环境，整流器的故障概率会大大增加。而航空应用对系统的可靠性要求很高，因此应用故障诊断和容错控制技术是十分必要的。
对于功率变换器，大多数故障是功率开关失效引起的。功率开关故障包括短路故障和开路故障，其中短路故障会造成瞬间的过电流，危害较大，可在输入侧加入熔体丝等快速熔断设备，将故障进行隔离[3]；而开路故障虽然不会产生瞬间的过电流或欠电压等情况，但会造成网侧电流畸变、器件应力增大等，引起二次故障[4]。针对开路故障，通常可采用故障诊断和容错控制策略，通过检测开关器件，将故障隔离，并适当地重构拓扑或算法，使系统不中断运行且尽可能保证性能，实现容错控制[5]。这样可以保证系统连续、稳定地运行，提高系统可靠性。
目前，在电力电子变换装置中，故障诊断策略大多应用在逆变器中，可以分为硬件诊断和软件诊断两种形式。硬件诊断通过在电路中增加传感器等设备实现，例如，文献[6]采用额外的电压传感器来检测发生故障时的故障电压，但是硬件诊断会增加变换器的体积和成本。软件诊断通过控制算法来实现，针对六开关逆变器，文献[7]通过Park变换，采样计算一个周期内的电流平均值判断是否发生故障，并对比已有的故障位置对电流平均值产生的影响来确定故障位置。该方法较为简单，但容易受到采样精度和故障阈值的设计影响。文献[8]对相位的导数进行计算，接着对电流的归一化平均值的误差进行计算，从而确定故障的位置，该方法在负载突变时能有效地避免误诊断，然而诊断过程较为繁琐。
类似地，容错控制技术也可以分为硬件容错和软件容错两种方案。硬件容错主要通过增加开关器件来实现，当电路发生故障时，通过拓扑重构实现容错运行。文献[9]针对六开关逆变器，提出了当某个桥臂发生故障时，用直流电容侧的桥臂来代替故障桥臂实现容错控制的方案。这种方法需要额外的双向晶闸管且仅适用于特定拓扑。软件容错不需添加额外的器件，在现有拓扑基础上通过改变控制策略，实现容错运行[10]。文献[11]针对双向T型逆变器不同位置的故障，在空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM）中采用矢量替换和降低调制比的方法进行容错控制。这种方法仅适用于逆变器，且会造成输出电压跳变等问题。文献[12]针对Vienna整流器采用关断驱动信号实现不控整流完成容错控制，该方法较为简单，然而会导致输出电压波动较大，造成后级变换器器件应力增加。
综上所述，现有针对Vienna整流器故障诊断与容错方案的研究较少，且存在算法复杂度较高、定位不准等问题。本文针对上述问题：首先，对Vienna整流器在单个开关管开路故障情况下输入电流的变化特性进行分析，提出了一种基于固定相位电流变化率的故障诊断方案；然后，根据故障情况下SVPWM的矢量失效情况，通过矢量替代与合成，实现在大部分区域维持三电平运行，小部分区域转化为不控整流运行的容错控制；最后，搭建Vienna整流器的仿真模型和实验平台，对所提出的故障诊断和容错控制策略的可行性进行验证。
本文所研究的三相三线制Vienna整流器拓扑原理如图1所示。主要由交流侧输入电感La、Lb、Lc，直流侧输出电容C1和C2，三相整流桥VD1～VD6和三对反向串联MOSFET（Sap～Scn）管组成的双向开关构成。三相之间相互耦合，工作模态由输入电流ia、ib、ic极性和开关状态共同决定[13]。
图1 三相三线制Vienna整流器拓扑原理
Fig.1 Topology of three-phase three-wire Vienna rectifier
Vienna整流器常用的调制方式有正弦脉宽调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM）和SVPWM。由于SVPWM方式电压利用率高，能够实现中点电压平衡且将三相电流进行耦合控制，通常选用SVPWM方式。
当采用SVPWM时，Vienna整流器空间电压矢量分布如图2所示，根据矢量长度可以分为4种：模长为0的零矢量V0；模长为Vdc/3的6个冗余小矢量V1～V6；模长为
Vdc/3的6个中矢量V7～V12；模长为2Vdc/3的6个大矢量V13～V18。
图2 Vienna整流器空间电压矢量分布
Fig.2 Distribution of space vectors in Vienna rectifiers
SVPWM采用3个邻近的基本矢量合成参考矢量，计算矢量作用时间并转化为各相开关管占空比。
传统的SVPWM需要进行大量的三角函数运算，对控制器计算能力要求较高。文献[14]指出，三电平SVPWM可以通过向三相正弦调制波注入零序分量来等效。为了减小算法的复杂度，本文采用文献[14]提出的一种等效SVPWM方法。
这种简化方法以-30°为起点，每隔60°划分一个大扇区，并在大扇区内划分6个小扇区，将三电平矢量减去对应扇区小矢量后等效为两电平矢量调制，Ⅰ扇区空间电压矢量如图3所示。等效两电平扇区中的零矢量对应三电平扇区中的一对冗余小矢量，冗余小矢量对中点电压的作用是相反的，可以通过分配冗余小矢量的作用时间调节中点电压平衡[15]。
图3 Ⅰ扇区空间电压矢量
Fig.3 Space vectors of sector Ⅰ
定义调制比m=2Vref/Vo，Vo为输出电压，矢量长度用Vo/2归一化，矢量作用时间用开关周期Ts归一化，本文仅讨论调制比m＞1/2时的情况（远远满足实际应用需要）。根据文献[14]可知，当参考矢量位于Ⅰ-1扇区时，等效调制波表达式为
（1）其中
式中，Ura、Urb、Urc为等效三相调制波；Ua、Ub、Uc为幅值为调制比m的正弦分量；U0为注入的共模分量；r为冗余小矢量的分配系数，用来实现中点电压平衡控制。通过推导其他扇区注入的共模分量表达式，可得通用表达式为
（2）式中，Mmax为三相调制波的最大值；Mmin为三相调制波的最小值。三相调制波的表达式为
（3）
将共模分量U0注入式（1）的三相调制波中即可实现等效SVPWM。
为了实现软件故障诊断，本文从电流的角度出发，通过分析Vienna整流器开关器件开路故障情况下电流变化特性，提出了一种基于相位电流变化率的故障诊断方法。
为了简化分析过程，在保证理论分析有效性的前提下作如下假设：①电路中各元器件均为理想元器件，系统工作在稳态；②电网输入三相平衡，且Vienna整流器功率因数为1；③在同一时刻只有一个开关器件出现开路故障。首先对开关管故障下的电流特征进行分析。以A相为例，当MOSFET未发生故障时，A相电流路径如图4所示。
当输入电压ua处于正半周且Sap关断时，ia流过二极管VD1为母线电容C1充电；当Sap导通时，ia流过Sap和San的寄生二极管流入直流侧中点M，为母线电容C2充电。类似地，当ua处于负半周时，若San关断，ia流过二极管VD2为母线电容C2放电；若San导通，ia从直流侧中点M流出，流过San和Sap的寄生二极管，为母线电容C1放电。
图4 不同导通情况下ia流向情况
Fig.4 The flowing path of ia in different switching states
假设同一时刻只有一个开关管出现故障：当开关管Sap发生开路故障时，根据图4a，输入电流ia无法正常从Sap流过，只能从二极管的上管VD1流过，则正半周电流波形受到影响并发生畸变，且直流母线电容充放电不能维持平衡，导致输出母线电压Vdc有很大的波动。而当输入电压为负时，ia能够正常流过San以及开关管Sap的反并联二极管；同样，当San发生故障时，ia的负半周波形会产生畸变，同时输出直流母线电压Vdc也会发生很大的波动。
当Sap出现开路故障，且输入电压ua处于正半周时，Vienna整流器中ia流通路径可视为不控整流电路，当ua幅值较低时，二极管VD1承受反偏电压无法导通，此时电流ia为零。类似地，当其他开关管出现开路故障时，也会出现相应输入电流为零的情况。
图5给出了额定功率Po为1.5kW，三相输入115V/400Hz，开关管Sap发生故障时，三相输入电压、电流以及直流母线电压的仿真波形。由图中可以发现，当Sap发生故障时，ia出现一段零电流波形，又三相电流需满足ia+ib+ic=0，因此ib与ic出现较大的电流波动，导致输出电压Vdc也出现较大的波动。最大的电流波动为电流峰值的两倍即12A，母线电压波动高达40V。
从电流的角度出发，根据故障情况下电流的波动特性，利用电网电压矢量旋转角qg研究软件故障诊断技术。
图6所示为电网正常运行时三相电压相位关系，将三相输入电压ua、ub、uc进行合成，可以得到如图6所示的电压矢量ug，将电压矢量与ab静止坐标系下a 轴的夹角记为qg，则qg满足
图5 Sap故障下电压电流波形
Fig.5 The waveforms of current and voltage when Sap faults
（4） 式中，ua、ub 为输入电压在a、b 静止坐标系的分量，可通过对三相输入电压ua、ub、uc进行Clark变换得
图6 三相电压相位关系
Fig6 Diagram of three phase voltage vectors
（5）式中，ua、ub、uc为三相电压幅值。则此时的电压矢量角qg为
（6）
基于PLECS仿真平台得到Sap发生开路故障时A相电流仿真波形。
图7为Sap发生开路故障时电流状态与电网相位的关系。可以看到，此时ia在qg=0°附近出现了一段零电流平台；类似地，当San发生开路故障时，ia在qg=180°附近同样会出现一段零电流平台，B、C两相电流畸变的特性可以此类推。图8给出了不同开关管故障时对应的零电流初始相位q0。从图中可以看出，不同开关管故障时对应的零电流初始相位分别为0、p/3、2p/3、p、4p/3、5p/3和2p。
图7 Sap开路故障下零电流与相位关系
Fig.7 The relationship of zero-current state and the phase angle when Sap faults
图8 故障开关对应的零电流初始相位
Fig.8 The zero-current initial phase angles corresponding to the fault switches
值得注意的是，零电流平台对应的角度范围Dq与负载电流以及母线电容的大小有关。负载电流越小且母线电容越大，故障相输入电流为零的时间就越大，Dq 变大；反之，Dq 减小。尽管零电流对应相位范围Dq 受上述因素影响，发生故障时电流为零的初始相位q0始终不变，在不同负载电流与母线容值下均可根据初始相位q0进行故障检测。
依据图8给出的不同开关管故障时对应的零电流初始相位q0，通过检测q0处电流变化率即可判断开路故障的位置。电流的变化率为
（7）其中
式中，Tfault为微分方程的周期，一般等于系统采样周期；Ik[n]为当前周期电流的瞬时值；Ik[n-1]为上一周期电流的瞬时值。本文所提出的故障检测方法分为6个区间，区间起点为每相电流对应的零电流初始相位q0，区间长度为p/6。当Vienna整流器工作在正常状态时，电流在q0处变化率最大，而当出现故障时，在q0附近电流会保持一段时间为零，导致电流变化率跳变至零。因此，可以得到不同相位区间内基于电流变化率的判断标准见表1。
表1 区间判断标准
Tab.1 Criterions for different intervals
检测角q判断标准检测开关故障标志位 Sap1 Scn2 Sbp3 San4 Scp5 Sbn6
在故障检测中，边界处的电流采样值以及电流变化率的计算精度都会影响故障检测的效果。在理想情况下，发生开路故障时式（7）DI=0，但考虑实际情况下电流中存在的纹波以及噪声，实际边界值范围应大于理论值，但边界值过大会导致故障误判，考虑可行性因素后，电流边界值设定为0.5，电流变化率边界值设定为0.2。
依据表1的区间判断标准，整个故障检测的判断流程如图9所示。首先对输入电压和电流进行采样，然后计算电网相位qg，根据qg所处的区间位置，在该区间内对相应的电流进行实时的检测，只有当两个边界条件都满足时才判断为故障，并使故障标志位置，确定发生开路故障的开关器件，从而完成故障诊断。
图9 故障诊断流程
Fig.9 The flow chart of fault diagnosis
在完成开路故障诊断后，为保证系统不中断运行，并尽可能保证性能，需要实现整流器容错控制。当Vienna整流器稳态运行时，可以采用第1节介绍的等效SVPWM方法，而当Vienna整流器出现开关器件开路故障时，由于部分电压矢量状态无法实现，整流器不能正常工作。本节将以开关管Sap发生故障为例进行容错运行矢量控制方法的分析，并提出维持三电平容错控制（Maintain three-level Tolerant Control, M3TC）方案，其余单个开关管发生故障时的容错控制方案可以此类推。
由第2节分析可知，当Sap发生故障时，ia＞0情况下开关管导通时的电流通路无法形成，那么图2空间矢量中右半平面A相电位为零的矢量无法实现，如零矢量、小矢量[0 0 -1]和中矢量[0 -1 -1]等。以下对右半平面三个扇区进行具体分析。
图10为右半平面Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ扇区空间矢量分布。根据矢量的失效情况，可以将小扇区分为以下三种：①单个小矢量失效区域，包括A1、A2、A3、A4、C1和C2；②多个小矢量失效区域，包括B1、B2；③中矢量失效区域，包括E1、D1、E2和D2。下面对这三种情况下的容错控制进行分析。
图10 Sap开路后小区间空间矢量分布
Fig.10 Space vectors of different sectors under open-circuit fault of Sap
图11 Ⅱ-A3故障前后的开关顺序
Fig.11 Switching combinations of sector Ⅱ-A3 before and after tolerant control
1）单个小矢量失效区域
Ⅱ-A3故障前后的开关顺序如图11所示。以参考矢量Vref位于Ⅱ-A3扇区为例，Vienna整流器正常运行时的开关顺序为[0 0 -1]→[1 0 -1]→[1 1 -1]→[1 1 0]→[1 1 -1]→[1 0 -1]→[0 0 -1]，图11a给出了对应的开关电位状态组合。
当A3中的小矢量[0 0 -1]失效时，可用对应的冗余小矢量[1 1 0]代替，这样原来的七段式调制就变为五段式调制，可以得到新的开关状态组合如图11b所示，新的开关顺序为[1 0 -1]→[1 1 -1]→[1 1 0]→ [1 1 -1]→[1 0 -1]。
假设V2、V7和V14的作用时间分别为T2、T7和T14，那么根据图11a中的开关顺序分析，在进行容错控制前，A、B、C三相开关管的占空比Tk,on（k=a, b, c）分别为
（8）由于Sap开路故障，区间Ⅱ-A3中N型小矢量 [0 0 -1]无法实现，采用P型小矢量[1 1 0]替代，根据图11b可得进行容错控制后各相开关管新的占空比表达式为
（9）
式中，Tk,tolerant为容错控制后A、B、C三相开关的占空比。可见通过调整注入的共模分量就能实现对区域A3的容错控制。
类似地，在Ⅱ-C1扇区，当Sap发生故障时，小矢量[0 0 -1]失效，该矢量可以用冗余小矢量[1 1 0]进行替代，采用容错控制后，各相开关管的占空比Tk,tolerant为
（10）对于其他单个小矢量失效区域，均可采用上述方法，将失效的小矢量用与其对应的冗余小矢量进行替代，在矢量合成时用五段式调制代替七段式调制。采用容错控制后，各相开关管新的占空比有
（11）
式中，Tmin为正常运行时一个开关周期内三相占空比最小的值。
2）多个小矢量失效区域
Ⅰ-B1故障前后的开关顺序如图12所示。在Ⅰ-B1扇区，有两个失效的小矢量[0 -1 -1]和[0 0 -1]。首先可以用[1 0 0]代替[0 -1 -1]，在实现这一步后开关顺序变为如图12b所示，并可采用式（11）计算第一次小矢量替代后的开关管导通时间Tk,new（k=a, b, c）。而另一个失效的小矢量[0 0 -1]可以用[1 1 0]进行替代。经过以上两步矢量替换后，开关顺序变为[1 1 0]→[1 0 -1]→[1 0 0]→[1 0 -1]→[1 1 0]（见图12c）。考虑到减少开关损耗，需要保证每次开关动作只改变一个开关管的导通状态，可以将开关顺序调整为[1 0 -1]→[1 0 0]→[1 1 0]→[1 0 0]→[1 0 -1]，最终的开关顺序如图12d所示。
图12 Ⅰ-B1故障前后的开关顺序
Fig.12 Switching combinations of sector Ⅰ-B1 before and after tolerant control
Ⅰ-B2扇区的容错控制与上述过程类似。可以看到，对于多个小矢量失效的区域，也可以采用冗余小矢量替代失效小矢量的方法，但在替换过程中需要注意开关顺序的调整，保证每次只有一个开关管动作，降低开关损耗。容错后的开关导通时间关系总结为
（12）式中，Ta,new、Tb,new、Tc,new为经过第一次矢量替换后A、B、C三相开关管导通时间；Tmax为第一次矢量替换后各相导通时间的最大值；Toffset为偏置值；Tk,on,tolerant为容错控制后各相开关管的作用时间。
3）中矢量失效区域
以Ⅱ扇区的E1、D1为例，小矢量[0 0 -1]、[0 1 0]以及中矢量[0 1 -1]均失效。
对于区间Ⅱ-D1，失效的小矢量[0 0 -1]可以用[1 1 0]进行替代，但对于中矢量[0 0 1]，若使用相邻的小矢量[1 1 0]代替，由于小矢量[1 1 0]与大矢量[1 1 -1]共线，无法实现对参考矢量的合成，因此在区间Ⅱ-D1中无法使用主动容错控制策略。对于区间Ⅱ-E1，其中两个小矢量以及中矢量均失效，仅剩一个有效矢量，无法通过调整控制算法实现容错控制。
因此，为了保证Vienna整流器在上述两个区域能够平稳地运行，可以关断驱动信号，仅通过二极管整流桥进行不控整流，实现被动容错控制。此时Vienna整流器工作在两电平状态。
4）矢量未失效的区域
由第1节中对SVPWM策略介绍可知，冗余小矢量对直流母线中点电位平衡起到重要作用。冗余小矢量根据其电位组合正负情况可以分为P型和N型。当P型小矢量作用时，交流侧与电容C1两端相连构成充电电路，电容C1充电、电容C2放电；当N型小矢量作用时，交流侧与电容C2两端相连构成充电电路，电容C2充电、电容C1放电[14]。
根据容错控制的分析，Ⅰ和Ⅵ扇区内失效的N型小矢量均被P型小矢量替代，如果采用上述的容错控制方法，长时间使用会引起母线电容的偏压导致电路器件损坏。因此，为了平衡直流母线中点电压，可以在电流极性相反且没有发生矢量失效的扇区，即Ⅲ和Ⅳ扇区对应的区间内，用N型小矢量[-1 0 -1]、[-1 0 0]、[-1 -1 0]去替代P型小矢量[0 1 0]、[0 1 1]、[0 0 1]，来保证直流中点电位平衡。
综上，表2给出了M3TC容错控制策略在不同区间内对应的控制算法：在中矢量未失效的区域，采用冗余小矢量代替失效的小矢量实现容错控制，仍然保持三电平运行；在中矢量失效的区域，系统采用输入整流桥进行不控整流实现被动容错。此外，由于上述控制策略采用单一的正（负）小矢量运行，为了保证直流母线中点电位平衡，需要在未发生故障的对应区域采用负（正）小矢量替代原有矢量。
表2 故障位置与M3TC容错策略
Tab.2 Positions of the open-circuit fault and M3TC fault tolerant control
区间位置 Sap与SanSbp与SbnScp与Scn Ⅰ[0 0 -1]→[1 1 0][0 -1 -1]→[1 0 0]不控整流[0 0 -1]→[1 1 0][0 -1 -1]→[1 0 0] Ⅱ不控整流[0 0 -1]→[1 1 0][0 -1 0]→[-1 0 -1][0 0 -1]→[1 1 0][0 -1 0]→[-1 0 -1] Ⅲ[0 1 0]→[-1 0 -1][0 1 1]→[-1 0 0][0 1 0]→[-1 0 -1][0 1 1]→[-1 0 0]不控整流 Ⅳ[0 1 1]→[-1 0 0][0 0 1]→[-1 -1 0]不控整流[0 1 1]→[-1 0 0][0 0 1]→[-1 -1 0] Ⅴ不控整流[0 0 1]→[-1 -1 0][0 -1 0]→[1 0 1][0 0 1]→[-1 -1 0][0 -1 0]→[1 0 1] Ⅵ[0 1 1]→[-1 0 0][0 0 -1]→[-1 -1 0][0 1 1]→[-1 0 0][0 0 -1]→[-1 -1 0]不控整流
在考虑故障诊断和容错控制算法后，本文采用的Vienna整流器控制策略框图如图13所示。整流器采用基于dq坐标系的电压电流双环PI控制，同时考虑了中点电压平衡控制。
图13 Vienna整流器控制策略框图
Fig.13 Control strategy diagram of Vienna rectifier
故障诊断模块判断整流器是否故障以及定位故障位置，当整流器正常运行时，电流环的输出送入等效SVPWM模块进行调制；而当出现开路故障时，采用M3TC容错控制策略得到占空比信号，实现容错运行。
为了验证本文所提出的故障诊断和容错控制策略的可行性，在PLECS搭建了仿真模型，仿真参数见表3。
表3 航空Vienna整流器样机参数
Tab.3 Parameters of the aviation Vienna rectifier prototype
参 数数 值 额定功率Po/kW1.5 输入电压ua, ub, uc有效值/V115 额定输出电压Vdc/V360 输入电压频率f/Hz400 开关频率fs/kHz200 输入电感La, Lb, Lc/mH200 输入电容C1, C2/mF440
Sap发生开路故障时三相输入电压、电流以及直流母线电压波形如图5所示，故障波形与理论分析一致。
为验证故障诊断策略的有效性，仿真设置了故障标志位。图14为Sap和San发生开路故障时A相电流波形，当Sap发生开路故障时，在qg=0处故障标志位由0跳变为1；当San发生开路故障时，在qg= 4p/3附近故障标志位由0跳变为4。这说明了所提出的故障诊断策略能够及时地发现开关管开路故障以及定位故障的位置。
图14 开关管故障下A相电流波形
Fig.14 Waveforms of current in phase A under open-circuit fault
同样地，为了验证容错控制策略的有效性，图15给出了Sap发生故障时和进行容错控制后的波形。
图15 容错控制下电压电流波形
Fig.15 Waveforms of current and voltage after fault tolerant control
从图15中可以看出，当发生故障而未采用容错控制时，故障电压波动达到80V，在采用容错控制后减小为50V，对应电流脉动也由10A减小到6A。显然，当发生开路故障时，变换器能够通过所提的故障诊断和容错控制方案有效地实现诊断以及故障定位后的容错控制，从而降低输入电流以及输出电压的脉动。
为了进一步验证本文所提出的故障诊断及容错控制方法的有效性，实验室搭建了一台1.5kW航空Vienna整流器样机，如图16所示，样机参数与表3一致。样机选用松下公司的PGA26E19BA作为功率开关管，英飞凌公司的IDH10G65C6作为功率二极管。在驱动回路接入可控开关模拟开路故障。
图16 1.5kW航空Vienna整流器样机
Fig.16 1.5kW aircraft Vienna rectifier prototype
实验中对Vienna整流器A相的正向开关管Sap进行故障模拟，故障标志位波形如图17所示。图中，通道4为故障标志位error，当Vienna整流器正常运行时，error=0；当Sap发生开路故障时，在qg=0附近error由0跳变为1，验证了故障诊断方案的有效性。
图17 故障标志位波形
Fig.17 Waveforms of fault signal
图18为Vienna整流器容错控制前后的波形，在实验中为了防止故障电流过大导致开关管过电流损毁产生更严重的危害，将输出功率降低为1.2kW。
图18a为整流器发生开路故障后输入电流和输入电压波形，可见当Sap发生故障时，A相出现了明显的零电流区域，输入电流峰值ipk达到10A，输出电压脉动DUo达到80V。图18b为Vienna整流器实现容错控制后输入电流与输出电压波形，可以发现，进行容错控制后，三相电流的幅值均有效降低，最大电流的幅值从10A降低到了6A，略高于安全运行时的电流等级；输出电压波动DUo由80V降低为50V左右，满足输出电压稳定的标准。
图18 容错控制前后输入电流和输出电压波形
Fig.18 Input current waveforms before and after fault tolerant control
容错控制前后三相输入电流的总谐波畸变率（Total Harmonic Distortion, THD）见表4。当开关Sap发生故障时，A相电流THD高达90.6%，B、C两相电流的THD也相应增大，分别为37.4%和40.2%，可见开关故障下输入电流畸变非常严重；在采用容错控制后，A相电流THD降至30.6%，B、C两相电流THD降至26.4%和24.4%，采用容错控制有效地改善了输入电流的畸变情况。
表4 容错控制前后输入电流THD
Tab.5 Input current THD before and after fault tolerant control (%)
三相正常运行故障状态容错控制 A4.390.630.6 B4.437.426.4 C4.340.224.4
本文针对航空Vienna整流器的故障诊断和容错控制策略进行了研究。首先分析了Vienna整流器在开关管开路故障时的电流状态，发现电流会在特定的相位维持一段时间为零的状态，并根据这一特性提出了基于相位电流变化率的故障电流检测方案；然后以开关管Sap开路故障为例分析了等效SVPWM方式下故障情况的矢量特性，提出了M3TC容错控制策略，即通过矢量替代与合成，在小矢量故障区域采用冗余小矢量代替故障小矢量维持三电平运行，在中矢量发生故障的区域转化为不控整流运行，并考虑了直流母线中点电压平衡；最后通过PLECS软件仿真和实验验证了所提出的故障诊断和容错控制策略的有效性。
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Fault Diagnosis and Fault Tolerant Control for Aviation Vienna Rectifier
Abstract Vienna rectifier has a wide application and is suitable for aircrafts for its high efficiency and high power density. To meet the high reliability requirements in aviation applications, it is necessary to study the fault diagnosis and tolerant control of the Vienna rectifier. In this paper, by analyzing the characteristics of the input current when open-circuit fault occurs, a novel fault diagnosis method based on current changing rate at fixed phase angle was proposed. Corresponding fault tolerant control was also studied. Then the vectors of faults in the equivalent space vector pulse width modulation (SVPWM) were analyzed, and a novel fault tolerant control was realized by substituting and synthesizing the failed vectors. It can maintain three-level operation in most regions and uncontrolled rectifying operation in few regions. The simulation and experimental results proved the effectiveness of the theoretical analysis.
keywords：Vienna rectifier, fault diagnose, tolerant control, space vector pulse width modulation (SVPWM)
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200488
中图分类号：TM46
郝振洋 男，1981年生，博士，副教授，研究方向为新能源电力电子变换技术、航空电源及电力作动器技术、电动汽车电机设计及其驱动技术。E-mail: zhenyang_hao@nuaa.edu.cn
徐子梁 男，1998年生，硕士研究生，研究方向为Vienna整流器技术。E-mail: xuziliang@nuaa.edu.cn（通信作者）
收稿日期 2020-05-14
改稿日期 2020-07-22
国家自然科学基金资助项目（51777093）。
（编辑 陈 诚）