三相無橋功率因數校正器（Power Factor Corrector, PFC）的拓撲結構如圖1所示，該變換器在船舶電力模擬系統、新一代變頻器、電動汽車充電樁、電能質量管理以及電力電子變壓器（Power Electronic Transformer, PET）等場合已有大量應用。

三相無橋PFC由二極管、功率開關、濾波電感和電容等器件組成，隨著變換器功率密度的提升以及功率開關器件耐壓等級的提高，其故障發生的概率也在不斷上升。由于三相無橋PFC多應用于前級整流，若該變換器的器件發生開路故障，不僅會導致整流級輸出異常，還會影響后級電路的性能和可靠性，并且會對網側造成大量諧波污染。因此，為提高三相無橋PFC的可靠性與安全性，避免因某個器件的開路故障而導致二次故障以及人身或財產損失等，需要研究一種可靠的、快速的在線故障診斷與定位策略來保障其安全運行。

圖1 三相無橋PFC結構

考慮到電力電子變換器的非線性結構特點，用于數字控制或穩態分析的數學模型大多無法直接用于對其故障進行診斷或定位。因此，眾多學者根據不同的研究對象采取不同的方法，提出了一系列針對電力電子變換器的故障診斷或定位策略。

• 有學者針對整流器晶閘管開路故障，提出了以電感電流斜率為特征量的故障檢測方法；
• 有學者根據故障時電流的變化特性，提出了變換器單個器件開路故障的診斷方法；
• 有學者針對雙Boost PFC拓撲結構，提出了一種故障診斷與定位方法；
• 有學者針對三相PFC整流器的開關故障，采用模糊神經網絡方法對輸入電流信號進行模式識別，進而進行故障診斷；
• 有學者通過分析直流側故障電流特征構造故障識別判據，提出了一種在線故障診斷方法。

目前，對于無橋結構變換器的故障診斷和定位研究尚未形成共識。針對類似結構的PWM整流器的故障診斷研究用于無橋PFC開路故障診斷時亦存在一定的不足。

• 有學者通過計算輸入電流實際值與預先構建模型的殘差，檢測故障并判斷開路器件位置，該方法簡單可靠且不受網側電壓和系統負載的擾動，但由于其模型構造與殘差閾值選取都與系統參數有關，在應用上存在很大的局限性。
• 有學者在基于輸入電流Park向量方法的基礎上，提出了基于輸入電流直流分量的故障診斷與定位方法，該方法在中度負載和輕載情況時能在一個電源周期內診斷出故障，但在高負載情況下無法使用，且不適用于電源或負載狀態變化的情況。
• 有學者提出了一種基于相電流和空間矢量PWM開關模態的故障診斷方法，但同樣存在無法應對狀態突變情況的問題。
• 有學者針對PWM整流器采用電流的直流分量作為特征，實現了在20ms以內的快速故障診斷，但同樣存在不能消除諧波干擾以及系統狀態瞬變的問題。

綜上，現有的針對各類PWM整流器的開路故障診斷方法，一般采用輸入電流作為故障特征進行診斷，采用其周期平均值進行坐標變換或基波分解，再根據構造好的模型或邏輯計算估計值與實際值的誤差，從而對故障進行診斷或定位。由于無橋PFC或整流器工作時存在較多不確定性，現有研究大多未對系統狀態突變或電流諧波干擾等特殊情況進行討論。

進一步分析可以發現，通過計算某個變量的實際值和模型計算的預測值之間的誤差或殘差，從而判斷是否為故障狀態的方法，其閾值的選取是造成診斷算法適應性不強的重要原因。適用于一般狀態診斷的閾值無法應用于其他特殊情況；適用于特殊情況的閾值會影響正常情況的診斷性能。

雖然采用數據標準化等手段能夠在一定程度上提高診斷算法的適應性，但實際效果并不佳。參考相關領域的故障診斷方法，采用模式識別的方法能夠在較大程度上提高診斷算法的適應性。

• 有學者采用K最近鄰算法對定子電流和電壓進行模式識別，實現了對感應電機的故障診斷。
• 有學者提出了一種基于K最近鄰算法的故障診斷方法，降低了半導體制造的廢品率和制造成本。
• 有學者針對電機軸承的故障診斷問題，通過提取振動信號的特征，采用半監督的最近鄰算法實現了對早期故障的檢測。
• 有學者將K最近鄰規則應用于發電機轉子的故障診斷，同樣取得了較好的效果。

這類基于模式識別中近鄰算法的故障診斷方法，其原理為：以采集的正常、故障或其他特殊狀態的離散數據點作為已知樣本，通過判斷實際運行中某一時刻數據點的狀態歸屬，來確定是否檢測到了故障狀態。

該類算法不需要對比外部設定的殘差閾值，狀態的識別僅依靠內部的極值，其適應性只與構造的已知樣本是否包含更全面的狀態特征有關。通過合理構造無橋PFC在各種狀態下的故障樣本，采用模式識別方法的故障診斷策略具有一定可行性，能夠彌補傳統方法的不足之處。

因此，本文提出一種基于近鄰算法的三相無橋PFC開路故障診斷和定位策略，通過對已知樣本進行優化、改進K最近鄰算法的計算流程，使該策略對電源波動、負載突變以及大電流諧波干擾等情況都具有魯棒性、對系統參數不敏感，并且算法的實時性滿足在線故障診斷與定位的要求。

首先論述無橋功率因數校正變換器的故障機理，并對故障特征以及負載突變狀態特征進行分析，之后構造覆蓋八種狀態的已知樣本并對其進行優化，然后提出了一種基于改進K最近鄰算法的故障診斷與定位策略，最后通過仿真和實驗驗證了該策略的可行性，并對其準確性、快速性等性能參數進行分析。

圖8 搭建的實驗系統

結論

本文針對三相無橋變換器的故障診斷問題，重點研究了單開關器件開路的故障機理和故障特征。通過具體分析，確定了以輸入電流為故障特征量的故障診斷策略。首先，通過仿真獲取特征量的原始樣本；之后，數據經過預處理和降維得到用于故障診斷的測試樣本；最后，采用基于標準化曼哈頓距離的K最近鄰算法對實時采樣到的未知狀態數據進行識別。

實驗結果顯示，該故障診斷策略能夠以至少1kHz的采樣頻率對三相無橋變換器進行在線故障診斷，且診斷準確率和診斷用時都達到了設計需求。

本文所研究的內容依然存在一定的局限性。首先，該故障診斷策略并未完全消除誤診或錯診情況；其次，該策略的診斷用時仍然有提高空間；最后，未針對三相不平衡的情況進行討論。以上問題都是下一步研究的重點方向。