陳發(fā)毅，錢振天，姚文熙，呂征宇

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州 310027）

在AC-DC-AC電機驅(qū)動系統(tǒng)中，通常需要幾百到幾千微法的直流支撐電容用于保持直流環(huán)節(jié)電壓穩(wěn)定。由于電解電容單位體積的容值大，有高密度能量存儲能力，因此被廣泛用作直流支撐電容，然而，使用電解電容有幾個固有的缺陷。首先，當前端使用不控整流時，交流電源電流Iin畸變嚴重，輸入功率因數(shù)惡化；其次在接入時對電解電容充電，會出現(xiàn)很大的尖峰電流。為了解決這些問題，需要額外添加電路，例如功率因數(shù)矯正電路、輸入濾波器和預(yù)充電電路等；再者，使用電解電容在可靠性上有致命的缺點[1]。因此國內(nèi)外許多學(xué)者開始研究使用小容量薄膜電容作為直流支撐電容[2-8]，這種系統(tǒng)被稱作低直流母線電容電機驅(qū)動系統(tǒng)SDCDS（small DC-link capacitance drive system）。使用薄膜電容代替電解電容，可以消除電解電容帶來的諸多弊端。但此時整流和逆變兩個環(huán)節(jié)的電氣量就被耦合到一起，從而引發(fā)一系列新的問題。其中，逆變器的直流環(huán)節(jié)電壓波動會加大，可能會不穩(wěn)定，尤其是在滿載情況下。當逆變器為恒功率負載CPL（constant power load）時，這個問題變得更加嚴重。

在前端為三相不控整流的SDCDS中，解決系統(tǒng)的不穩(wěn)定性問題最簡單的辦法是無源阻尼法。文獻[9]綜述了在直流母線上增加無源阻尼電路的幾種方法，文獻[10]則對其中一種阻尼方法進行了具體分析和優(yōu)化。

然而無源阻尼有如下缺點：①需要額外硬件電路，增加了系統(tǒng)體積和成本；②不同系統(tǒng)，電路選擇不同。因此有源阻尼法被提出。

有源阻尼法主要分為電壓模式和電流模式兩種[11]。電流模式就是控制逆變器輸出電流，最常用的是根據(jù)直流母線電壓擾動量向轉(zhuǎn)矩電流參考信號注入阻尼電流[12]。雖然該方法解決了穩(wěn)定性問題，但需要一個更高帶寬的電流控制器去跟蹤直流電壓動態(tài)信號，此時也需要更高的開關(guān)頻率，增加了系統(tǒng)損耗。另外，當直流母線電壓振蕩頻率太高（高于電流控制器帶寬）時，電流控制器無法產(chǎn)生所需的電流信號。因此，對于抑制高頻率的振蕩，控制逆變器的電壓信號更為有效。文獻[13]提出了通過有源阻尼控制逆變器電壓信號來提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，然而隨著工作條件和系統(tǒng)參數(shù)的變化，系統(tǒng)特征方程會發(fā)生變化，此時注入的阻尼電流（電壓）就要進行調(diào)整；針對此問題，文獻[14]提出了一種重構(gòu)直流母線電壓參考信號的有源阻尼方法，將其應(yīng)用到有速度傳感器的同步電機控制系統(tǒng)中獲得了理想效果。

本文針對無速度傳感器感應(yīng)電機的SDCDS系統(tǒng)，設(shè)計了基于母線電壓參考信號反饋的有源阻尼方法，并通過實驗驗證了其有效性。

1SDCDS穩(wěn)定性分析

三相不控整流逆變電路如圖1所示，圖中，每個時刻整流器的6個二極管只有2個導(dǎo)通，因此可以將其等效為準直流電壓源和串聯(lián)的阻抗。此外，PWM逆變器和電機負載可以被看成是一個電流源（iinv）模型，該電流源的大小為一個PWM周期內(nèi)由直流側(cè)流入逆變器的平均電流。三相不控整流簡化模型如圖2所示，其中，Lg和Rg分別表示等效串聯(lián)電感和電阻，Cdc表示直流母線電容，vdc表示直流母線電壓，vin表示準直流電壓源電壓，ig表示準直流電壓源的輸出電流[13]。

圖1 三相不控整流逆變電路拓撲Fig.1 Topology of three-phase uncontrolled rectification converter circuit

圖2 三相不控整流簡化模型Fig.2 Simplified model of three-phase uncontrolled rectifier

對簡化模型列寫系統(tǒng)狀態(tài)方程，可得

采用矢量控制的三相感應(yīng)電機可假設(shè)為恒功率負載，記功率為PL。忽略逆變器損耗時，該功率等于逆變器輸入功率，也即電流iinv與電容電壓vdc的乘積。將iinv和vdc均采用穩(wěn)態(tài)值加小信號的方式表示，則逆變器輸入電流iinv可表示為

式中：iinv0和vdc0為穩(wěn)態(tài)分量；和為小信號分量。遠小于vdc0。

由式（2）可知，恒功率負載表現(xiàn)為負阻抗特性。則小信號電阻為

此時可得系統(tǒng)特征方程為

由式（4）可得，要使直流母線電壓穩(wěn)定，直流母線電容需滿足

如果在直流母線上用薄膜電容來代替電解電容，對于處于電動狀態(tài)的感應(yīng)電機來說，系統(tǒng)很難滿足式（5），此時Lg和Cdc會發(fā)生諧振，從而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。為了抑制諧振，本文采用基于直流母線電壓重構(gòu)的有源阻尼法。

2 重構(gòu)直流母線電壓參考信號的有源阻尼法

2.1 有源阻尼法基本原理

有源阻尼法其基本思想是：通過在電壓源和直流母線電容間添加一個虛擬阻尼電阻（Rdamp），以此來增加系統(tǒng)阻尼，進而控制從直流母線輸出的實際功率，實現(xiàn)正動態(tài)阻尼系數(shù)。虛擬電阻的實現(xiàn)可以通過向逆變器注入額外的電流（idamp），記i'inv=iinv+idamp。注入阻尼電流的大小為

此時，系統(tǒng)特征方程由式（4）變?yōu)?/p>

由式（7）可得系統(tǒng)穩(wěn)定性條件為

2.2 直流母線電壓重構(gòu)的有源阻尼法原理

在式（4）和式（7）中，系數(shù) a1（b1）和 a2（b2）會隨著工作條件和系統(tǒng)參數(shù)的變化而變化，因此注入的阻尼電流（電壓）必須進行實時調(diào)整。針對此問題，可以通過有源阻尼法，通過將負阻抗（Zinv）變?yōu)檎杩箤崿F(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定[14]。比如，簡單地改變式（3）中dc的符號就可以達到目的。該方法的思想是改變控制算法中的直流母線電壓參考信號。

在SDCDS中，記vabc和iabc分別表示電機的電壓矢量和電流矢量，則負載功率可表示為

當直流母線電壓參考信號由變?yōu)闀r，可以得到輸出電壓矢量為

將式（10）代入式（9）得負載功率為

將式（11）代入式（2）得逆變器輸入電流為

此時負載阻抗變?yōu)榱苏龜?shù)，則系統(tǒng)的狀態(tài)方程為

系數(shù)c1和c2總是大于0，因此系統(tǒng)是穩(wěn)定的。引入一個因數(shù)kv，使得，可得到

通過式（14）可以發(fā)現(xiàn)，增加kv可以增加阻尼系數(shù)，此時諸如v～dc等擾動量可以得到顯著抑制。缺點是此時更多的振蕩能量將輸入到電機中，影響系統(tǒng)性能。因此需兼顧兩者，選取合適的kv。

3 實驗驗證

為驗證本文設(shè)計的有源阻尼方法，搭建了實驗平臺。實驗的系統(tǒng)控制框圖如圖3所示，逆變器和控制電路實物如圖4所示，控制算法通過數(shù)字控制芯片DSP28069實現(xiàn)?？刂茖ο鬄?hp（2.2 kW）、380 V、50 Hz、2對極的三相鼠籠式異步感應(yīng)電機，直流電機負載，負載大小通過直流電機控制柜調(diào)節(jié)，其實驗平臺如圖5所示，實驗平臺主要參數(shù)如表1所示。

當系統(tǒng)未加入有源阻尼時，直流母線電壓vdc和網(wǎng)側(cè)電流波形如圖6所示。由圖可見，其中包括2個頻率的波動，除了三相不可控整流引入的6倍工頻紋波外，還存在由網(wǎng)側(cè)電感Lg和直流母線電容Cdc引起的諧振分量。加入直流母線電壓重構(gòu)有源阻尼法后，直流母線電壓vdc的諧振分量明顯減小，諧振分量得到有效抑制，網(wǎng)側(cè)電流的功率因數(shù)也得到了提高，如圖7所示。

圖3 SDCDS控制框圖Fig.3 Control block diagram of SDCDS

圖4 3 hp（2.2 kW）實驗平臺控制板Fig.4 Control panel of 3 hp（2.2 kW）experimental platform

圖5 3 hp（2.2 kW）三相感應(yīng)電機和直流電機負載實驗平臺Fig.5 Experimental platform of 3 hp（2.2 kW）threephase induction motor and DC motor load

表1 實驗平臺主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of experimental platform

圖6 無有源阻尼時的實驗結(jié)果Fig.6 Experimental results without active damping

圖7 有源阻尼（kv=2,kd=0,kq=0.5）時的實驗結(jié)果Fig.7 Experimental results with active damping（kv=2,kd=0,kq=0.5）

4 結(jié)語

本文針對SDCDS系統(tǒng)，對其穩(wěn)定性問題進行了理論分析。在此基礎(chǔ)上，采用基于直流母線電壓重構(gòu)的有源阻尼法，有效地抑制了由網(wǎng)側(cè)電感和直流母線電容引起的諧振分量，解決了系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。最后通過實驗驗證了該方法的有效性。

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