徐晨棟 尹泉 黃凱 羅慧

摘要：電機驅(qū)動系統(tǒng)的母線使用大電解電容會降低壽命和可靠性，使用小容值薄膜電容來替代大電解電容，可以提高系統(tǒng)可靠性，除去功率因數(shù)糾正（PFC）電路以降低成本，但要求在網(wǎng)側(cè)具有高功率因數(shù)以及足夠低的電流諧波，因此需要準確地控制逆變器輸出功率以實現(xiàn)這種訴求。提出一種修正指令電流的方法控制逆變器輸出功率。選擇PIR控制器，以無靜差跟隨兩倍工頻波動的理想輸出功率。另外，針對電流環(huán)響應(yīng)頻率以上的噪聲，通過電壓前饋的方式補償，能夠彌補電流環(huán)響應(yīng)頻率的不足。通過仿真以及實驗驗證有效性，使網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)達到0.988 8，網(wǎng)側(cè)電流諧波畸變率0.148 9，網(wǎng)側(cè)電流各次諧波均控制在EN 61000-3-2標準以下。

關(guān)鍵詞：諧波抑制;無電解電容;高功率因數(shù);電流修正;電壓前饋

DOI：10.15938/j.emc.2019.12.000

中圖分類號：TM 351文獻標志碼：A文章編號：1007 -449X（2019）12 -0000 -00

Abstract：DClink electrolytic capacitor critically reduces the life and reliability of the motor drive system. Replacing the DClink electrolytic capacitor with a small film capacitor improves the reliability of the system， as well as removes power factor correction （PFC） circuits to save costs. Hence the inverter power should be controlled to achieve high input power factor and low grid current harmonics. This paper proposes an inverter power control strategy based on modifying the instruction current. The inverter power controller is based on PIR controller in order to track the ideal output power which fluctuates at double of the source frequency. In addition， the response frequency of the current loop is limited， voltage feedforward is used to compensate the high frequency noise. The effectiveness of the proposed methods is verified through simulation and experiments. The input power factor increases to 0.988 8， the thd of input current decreases to 0.148 9 and the input current harmonics satisfy EN 61000-3-2.

Keywords：harmonics suppression; electrolytic capacitorless; high input power factor; current modifying; voltage feed forward

0 引 言

近年來，永磁同步電機的應(yīng)用越來越廣泛，但是在傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，母線大電解電容存在壽命短、穩(wěn)定性差、體積大的缺點。在對系統(tǒng)性能要求不高的場合，如空調(diào)壓縮機，使用小薄膜電容代替母線大電解電容，可以在有效提高系統(tǒng)可靠性與使用壽命的同時，免去網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)糾正電路以降低成本。為適應(yīng)拓撲結(jié)構(gòu)的改變，需要新的控制策略來實現(xiàn)對電機的控制，并滿足高功率因數(shù)、網(wǎng)側(cè)電流低諧波的控制訴求。

因小容值薄膜電容不能存儲能量以提供穩(wěn)定的母線電壓，母線電壓基本跟隨網(wǎng)側(cè)電壓產(chǎn)生大幅度波動而直接帶來電壓不足，難以支撐電機的高速穩(wěn)定運行的問題，文獻[1]根據(jù)電機在一個電壓波動周期內(nèi)需要的平均電壓計算弱磁電流來保證電機云頂運行，并給出兩倍工頻頻率波動的q軸電流控制方式，以減小電壓不足的影響。文獻[2]添加一個功率閉環(huán)，通過重復(fù)控制器和試湊PI控制器來重新生成q軸電流指令控制逆變器輸出功率。文獻[3-4]在轉(zhuǎn)速環(huán)與電流環(huán)之間添加一個轉(zhuǎn)矩環(huán)，提出轉(zhuǎn)矩控制器來實現(xiàn)對逆變器功率的控制，并在電壓不足時，開環(huán)輸出電壓以滿足功率輸出要求以抑制母線電壓迸升。文獻[5]給出了逆變器零輸出時的電機電流畸變抑制方法。文獻[6-7]綜合考慮電壓與功率的約束條件，離線計算理想的d-q軸電流指令，并在過程中加入少量的電壓矢量修正，得到幾乎理想的實驗波形。文獻[8]不加入額外控制環(huán)路，通過合理調(diào)節(jié)d-q軸電流指令，實現(xiàn)調(diào)速與網(wǎng)側(cè)諧波要求。文獻[9-10]在網(wǎng)側(cè)輸入端加入一個小電感，利用電感的特性濾除網(wǎng)側(cè)電流的高次諧波，同時在逆變器輸出端做功率補償以抑制電感加入所帶來的LC諧振。

雖然國內(nèi)外文獻出發(fā)點不盡相同，但是最終的控制方式都落到修正逆變器的輸出功率。在小電容的拓撲結(jié)構(gòu)下，母線電容是一個幾至幾十μF的薄膜電容，其功率很小，將其近似為理想值[11]，這也就意味著修正了逆變器的功率，就修正了網(wǎng)側(cè)輸入功率，使得網(wǎng)側(cè)的電流可控。文獻[10-12]將系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)簡化為一個有著電壓源和電流源的LC電路，網(wǎng)側(cè)輸入為電壓源，而逆變器的輸出簡化為一個電流源。文獻[12]在簡化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，得出系統(tǒng)特征方程并給出諧波抑制方法。為了使逆變器的功率輸出不含有輸出轉(zhuǎn)矩快速波動帶來的噪聲，文獻[1-12]均將速度環(huán)的帶寬降至幾赫茲，使得電機對轉(zhuǎn)速波動不敏感，始終保持平穩(wěn)的功率輸出，從而避免了諧波的出現(xiàn)。

本文通過對系統(tǒng)模型的分析，建立功率與q軸電流指令修正量的數(shù)學(xué)關(guān)系，使逆變器輸出功率閉環(huán)，更合理地控制逆變器功率。功率環(huán)位于速度環(huán)與電流環(huán)之間，在自身穩(wěn)定性較高的情況下，其對于電機轉(zhuǎn)矩的影響會由轉(zhuǎn)速環(huán)糾正，系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及魯棒性得到了保證;同時考慮到電流環(huán)的響應(yīng)帶寬，在電流環(huán)難以響應(yīng)的高頻段，利用電壓前饋的方式，在逆變器側(cè)修正電壓矢量做補償，將響應(yīng)頻率提高至開關(guān)頻率。仿真以及實驗結(jié)果驗證了本文提出的控制策略有效性。

2.2 電壓前饋

通過電流指令對逆變器功率的控制受限于電流環(huán)帶寬的影響，在高頻段難以達到理想的控制效果，而逆變器理想功率又以兩倍工頻的頻率波動，q軸指令電流亦大致呈現(xiàn)兩倍工頻波動，電流環(huán)的控制本身會帶有一定的穩(wěn)態(tài)誤差，難以達到理想控制效果。

另外，對系統(tǒng)控制效果影響更嚴重的是母線電壓大幅度波動帶來的欠壓問題。在電機高速運行的情況下，要實現(xiàn)對電機的控制需要克服較大的反電勢，而當網(wǎng)側(cè)電壓波動至波谷時，母線電壓隨之波動至波谷，電壓不足以實現(xiàn)對電機的控制，如圖5。這種電壓不足的情況一定會存在，并會導(dǎo)致電流難以良好跟隨指令，出現(xiàn)一定程度的扭曲，功率亦得不到有效的控制。

為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，當母線處于欠壓狀態(tài)時，忽略功率差，不計入功率環(huán)輸入。

4 結(jié) 論

本文針對母線無電解電容永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)提出了一種基于電流修正的諧波抑制策略，所提出方法的有效性經(jīng)由仿真以及實驗驗證。逆變器功率環(huán)利用PIR控制器以跟蹤兩倍工頻波動的逆變器理想輸出功率，經(jīng)由電流的修正來實現(xiàn)對逆變器輸出功率地控制。實驗結(jié)果增大網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)至0.988 8，降低網(wǎng)側(cè)電流諧波畸變率至0.148 9，同時輸入電流各次諧波均符合EN 61000-3-2標準。該方法有助于永磁同步電機應(yīng)用的進一步普及，具有一定實用價值。

參 考 文 獻：

[1] JUNG HYUNSAM，CHEE SEUNGJUN，SUL SEUNGKI，et al. Control of three phase inverter for AC motor drive with small DClink capacitor fed by single phase AC source[P]. Energy Conversion Congress and Exposition （ECCE）， 2012 IEEE，2012.

[2] INAZUMA K， UTSUGI H， OHISHI K， et al.Highpowerfactor singlephase diode rectifier driven by repetitively controlled IPM motor[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2013， 60（10）：4427.

[3] ABE K， HAGA H， OHISHIi K， et al. Fine current harmonics reduction method for electrolytic capacitorless and inductorless inverter based on motor torque control and fast voltage feedforward control for IPMSM[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2017， 64（2）：1071.

[4] ABE K， HAGAA H， OHISHI K， et al. Direct DClink current control considering voltage saturation for realization of sinusoidal source current waveform without passive components for IPMSM drives[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2017.

[5] ABE K，AKAMA Y，OHISHI K，HAGA H，et al.Suppression method of increase in motor current at zero output voltage for an electrolytic capacitorless inverter[P]. International Conference on Industrial Electronics for Sustainable Energy Systems （IESES）， Hamilton， 2018 IEEE，2018.

[6] LEE WJ， SON Y， HA J I. Singlephase active power filtering method using dioderectifierfed motor drive[J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2015， 51（3）：2227.

[7] SON Y， HA J I. Direct power control of a threephase inverter for grid input current shaping of a singlephase diode rectifier with a small DCLink capacitor[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2015， 30（7）：3794.

[8] 張國柱，徐殿國，朱良紅，等.高功率因數(shù)無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)電流控制策略[J].電機與控制學(xué)報，2018，22（1）：100.

ZHANG Guozhu， XU Dianguo， ZHU Lianghong， et al. Current control strategy of high power factor electrolytic capacitorless motor drive[J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2018，22（1）：100.

[9] ZHAON，WANG G，XU D，et al.Inverter power control based on DCLink voltage regulation for IPMSM drives without electrolytic capacitors[J].IEEE Transactions on Power Electronics， 2017：1.

[10] 霍軍亞，王高林，趙楠楠，等.無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)諧振抑制控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報，2018，33（24）：5641.

HUO Junya， WANG Gaolin， ZHAO Nannan， et al. Resonance suppression control strategy of electrolytic capacitorless motor drives [J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2018，33（24）：5641.

[11] ABE K， OHISHI K， HAGA H，et al.Harmonic current reduction control of IPMSM drive inverter without inductor or electrolytic capacitor[C]//Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. IEEE， 2016.

[12] XIAO X，ZHANG S，DING Y，et al. Control method of PMSM driving system with small DClink capacitor[P]. Energy Conversion Congress and Exposition （ECCE）， Cincinnati， OH，2017 IEEE， 2017.

（編輯：張 楠）