無電解電容永磁同步電機驅動系統網側電流諧波抑制策略

徐晨棟 尹泉 黃凱 羅慧

摘要：電機驅動系統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，可以提高系統可靠性，除去功率因數糾正（PFC）電路以降低成本，但要求在網側具有高功率因數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，針對電流環響應頻率以上的噪聲，通過電壓前饋的方式補償，能夠彌補電流環響應頻率的不足。通過仿真以及實驗驗證有效性，使網側功率因數達到0.988 8，網側電流諧波畸變率0.148 9，網側電流各次諧波均控制在EN 61000-3-2標準以下。

關鍵詞：諧波抑制;無電解電容;高功率因數;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，永磁同步電機的應用越來越廣泛，但是在傳統雙閉環控制系統中，母線大電解電容存在壽命短、穩定性差、體積大的缺點。在對系統性能要求不高的場合，如空調壓縮機，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可靠性與使用壽命的同時，免去網側功率因數糾正電路以降低成本。為適應拓撲結構的改變，需要新的控制策略來實現對電機的控制，并滿足高功率因數、網側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定的母線電壓，母線電壓基本跟隨網側電壓產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定運行的問題，文獻[1]根據電機在一個電壓波動周期內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，通過重復控制器和試湊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]在轉速環與電流環之間添加一個轉矩環，提出轉矩控制器來實現對逆變器功率的控制，并在電壓不足時，開環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]不加入額外控制環路，通過合理調節d-q軸電流指令，實現調速與網側諧波要求。文獻[9-10]在網側輸入端加入一個小電感，利用電感的特性濾除網側電流的高次諧波，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。

雖然國內外文獻出發點不盡相同，但是最終的控制方式都落到修正逆變器的輸出功率。在小電容的拓撲結構下，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，就修正了網側輸入功率，使得網側的電流可控。文獻[10-12]將系統拓撲結構簡化為一個有著電壓源和電流源的LC電路，網側輸入為電壓源，而逆變器的輸出簡化為一個電流源。文獻[12]在簡化的系統結構下，得出系統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矩快速波動帶來的噪聲，文獻[1-12]均將速度環的帶寬降至幾赫茲，使得電機對轉速波動不敏感，始終保持平穩的功率輸出，從而避免了諧波的出現。

本文通過對系統模型的分析，建立功率與q軸電流指令修正量的數學關系，使逆變器輸出功率閉環，更合理地控制逆變器功率。功率環位于速度環與電流環之間，在自身穩定性較高的情況下，其對于電機轉矩的影響會由轉速環糾正，系統的穩定性以及魯棒性得到了保證;同時考慮到電流環的響應帶寬，在電流環難以響應的高頻段，利用電壓前饋的方式，在逆變器側修正電壓矢量做補償，將響應頻率提高至開關頻率。仿真以及實驗結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兩倍工頻波動，電流環的控制本身會帶有一定的穩態誤差，難以達到理想控制效果。

另外，對系統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，要實現對電機的控制需要克服較大的反電勢，而當網側電壓波動至波谷時，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，并會導致電流難以良好跟隨指令，出現一定程度的扭曲，功率亦得不到有效的控制。

為了提高系統的穩定性，當母線處于欠壓狀態時，忽略功率差，不計入功率環輸入。

4 結 論

本文針對母線無電解電容永磁同步電機驅動系統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由仿真以及實驗驗證。逆變器功率環利用PIR控制器以跟蹤兩倍工頻波動的逆變器理想輸出功率，經由電流的修正來實現對逆變器輸出功率地控制。實驗結果增大網側功率因數至0.988 8，降低網側電流諧波畸變率至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用的進一步普及，具有一定實用價值。

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（編輯：張 楠）