丁大尉 王高林 張國強 徐殿國

三相供電交流電機驅(qū)動系統(tǒng)無電解電容控制技術(shù)綜述*

丁大尉 王高林 張國強 徐殿國

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院 哈爾濱 150001)

隨著永磁電機驅(qū)動控制技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)可靠性、壽命和功率密度逐漸成為該領(lǐng)域關(guān)注的重點。三相供電交流電機無電解電容驅(qū)動系統(tǒng)具有體積小、壽命長、可靠性高的優(yōu)點，是高品質(zhì)電機驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展的重要方向之一。目前，交流電機無電解電容驅(qū)動系統(tǒng)已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。圍繞驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定運行和機側(cè)性能控制技術(shù)兩方面，對交流電機無電解電容驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀進行歸納和總結(jié)，指出現(xiàn)有方案的優(yōu)缺點。最后，對交流電機無電解電容驅(qū)動系統(tǒng)目前亟需解決的難點問題和未來發(fā)展趨勢進行總結(jié)和展望。

交流電機；無電解電容驅(qū)動系統(tǒng)；穩(wěn)定性控制；機側(cè)性能控制

1 引言

交流電機驅(qū)動系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，但是其直流側(cè)電解電容體積大、壽命短且存在爆炸風(fēng)險。近年來，交流電機驅(qū)動系統(tǒng)無電解電容控制技術(shù)得到了廣泛關(guān)注，目前市場上采用無電解電容交流電機驅(qū)動方案的主要有西門子SED2、施耐德ATV212等，國內(nèi)企業(yè)如美的、英威騰等正在加快無電解電容交流電機驅(qū)動系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用。無電解交流電機驅(qū)動系統(tǒng)采用小容值薄膜電容替換原有的大容值電解電容，電容容值可降為原來的1/50左右。隨著直流側(cè)電容容值的降低，母線電壓大幅波動，網(wǎng)側(cè)和機側(cè)能量嚴(yán)重耦合，給電機驅(qū)動系統(tǒng)帶來一系列問題。

首當(dāng)其沖的是驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，為了防止開關(guān)頻率相關(guān)的高頻諧波電流饋入電網(wǎng)，增加公共點處諧波，無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)通常需要適配一定量的直流或者三相交流電抗器[1-4]。交流電機可視為恒功率負(fù)載，其呈現(xiàn)負(fù)阻抗特性[5-9]。由于小容值薄膜電容幾乎不具備能量緩沖作用，網(wǎng)側(cè)和機側(cè)能量直接耦合，電機的負(fù)阻抗特性和LC諧振的存在將導(dǎo)致系統(tǒng)中諧振頻率處諧波的放大，在弱電網(wǎng)情況下甚至?xí)霈F(xiàn)系統(tǒng)失穩(wěn)的情況[10-12]。因此，系統(tǒng)穩(wěn)定性控制作為三相供電無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)的核心問題被廣泛研究[13-17]。

在機側(cè)性能方面，現(xiàn)有的過調(diào)制以及弱磁控制策略大多基于恒定母線電壓進行設(shè)計，因此在無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)中難以獲得理想的效果[18-22]。如何提升母線電壓利用率、降低電機電壓畸變，設(shè)計適合無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)的過調(diào)制和弱磁控制策略是研究難點之一[23-26]。由于母線電壓采樣延遲的存在，其周期性波動導(dǎo)致電機電流諧波，導(dǎo)致機側(cè)電流含有非運行頻率整數(shù)倍諧波。此時機側(cè)相電流將呈現(xiàn)拍頻現(xiàn)象，從而增加電機噪聲[27]。此外，當(dāng)電機負(fù)載周期性變化時，也會導(dǎo)致拍頻問題[28]。拍頻是電力電子系統(tǒng)的普遍問題之一[29-32]，在電機驅(qū)動和在無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)中也受到較多關(guān)注[33-36]。電機驅(qū)動系統(tǒng)通常需要配備制動單元，防止制動過程中的母線過壓[37]。在無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)中，由于母線電容的進一步降低，更易發(fā)生母線過壓的情形[38-39]。同樣，無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)也對低電壓穿越有更高的控制要求[40]。因此，在無電解電容驅(qū)動系統(tǒng)中，如何有效控制再生能量是值得關(guān)注的應(yīng)用問題[41-43]。

本文將從三相供電交流電機無電解電容驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定運行和機側(cè)性能控制兩方面進行闡述，首先對現(xiàn)有穩(wěn)定性控制的方法進行歸類，并對方法的特點、實施方式以及性能等方面進行評述。此外，介紹母線電容大幅降低后對機側(cè)性能的控制要求，主要包括擴速運行、拍頻抑制、再生能量控制三個方面。在此基礎(chǔ)上，對三相供電交流電機驅(qū)動系統(tǒng)無電解電容控制技術(shù)未來的發(fā)展方向進行探討和 展望。

2 驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定性控制方法

由于電機恒功率特性以及LC諧振的影響，無電解電容驅(qū)動系統(tǒng)容易產(chǎn)生失穩(wěn)的問題[44]。三相供電無電解電容驅(qū)動系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示。其可簡化為如圖2所示模型[45]，驅(qū)動系統(tǒng)狀態(tài)方程可表示為

式中，us、ig、udc和iinv分別表示網(wǎng)側(cè)電壓、電感電流、母線電壓和逆變器輸出電流。L、R、C分別表示直流側(cè)電感、線路電阻以及母線電容。

圖2 無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)簡化模型

逆變器及電機系統(tǒng)呈現(xiàn)恒功率負(fù)載特性。忽略開關(guān)損耗前提下，逆變器輸出的平均功率和電機平均功率相等，逆變器平均輸出電流可以表示為

由式(3)可以看出，母線電壓波動和逆變器輸出電流諧波呈相反的變化趨勢，電機呈現(xiàn)負(fù)阻抗特性。

根據(jù)式(1)和式(3)，可以獲得系統(tǒng)特征方程為

特征方程第三項系數(shù)通常為正，系統(tǒng)穩(wěn)定性由第二項系數(shù)決定，即穩(wěn)定條件為

在無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)中，由于電容容值極小，當(dāng)電機功率或者市電阻抗較大時，系統(tǒng)將面臨失穩(wěn)問題。提升驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定性是無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)面臨的核心問題。目前，常用的方法主要包括：改變電機負(fù)阻抗特性的穩(wěn)定性控制方法、基于并聯(lián)虛擬阻抗的穩(wěn)定性控制方法以及改變驅(qū)動系統(tǒng)拓?fù)?。無論是改變電機負(fù)阻抗特性的穩(wěn)定性控制方法，還是基于并聯(lián)虛擬阻抗的穩(wěn)定性控制方法，均通過改變電機的功率實現(xiàn)。

2.1 改變電機負(fù)阻抗特性的穩(wěn)定性控制方法

通過改變電機電流或者電壓指令，在電機中注入母線電壓波動相關(guān)的擾動功率，可以改變電機負(fù)阻抗特性，從而達(dá)到提升無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的，具體實現(xiàn)方法總結(jié)如圖3所示。逆變器輸出電流可統(tǒng)一表示為

擾動功率可表示為

將式(8)代入式(7)中可得

式中，系數(shù)為id、iq、ud、uq的統(tǒng)一表達(dá)。

給定合理的值，可以將式(9)中第二項系數(shù)變?yōu)檎?，即改變電機的負(fù)阻抗特性。與之對應(yīng)的系統(tǒng)特征方程如式(10)所示，對比式(4)可以發(fā)現(xiàn)，改變電機負(fù)阻抗特性后，系統(tǒng)特征方程第二項系數(shù)為正值，即可實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定控制。

在調(diào)制模塊中直接將母線電壓諧波反向，可以將電機轉(zhuǎn)化為正阻抗特性。具體實現(xiàn)方法如圖4所示，將母線電壓諧波反向用于調(diào)制模塊后，電機電壓可表示為

式中，dc_mod為將母線電壓諧波反向后的電壓指令；dc為諧波系數(shù)。

電機功率可表示為

由此，可以獲得逆變器輸出電流表達(dá)式為

對比式(3)和式(13)可知，此時的電機表現(xiàn)正阻抗特性?；趫D4的思路，丹佛斯公司MATHE等[7-8]將母線電壓諧波延遲半個周期后獲得母線電壓重構(gòu)值，并對母線電壓采樣延遲進行了補償。奧爾堡大學(xué)WANG等[9]將母線電壓波動部分反向用于調(diào)制模塊，可以實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定控制。為了進一步提升阻尼控制效果，WANG等[10]利用鎖相環(huán)重構(gòu)整流電壓，僅將母線電壓中被諧振放大的諧波分量反向。

圖4 虛擬正阻抗穩(wěn)定性控制方法

以上方案以經(jīng)典控制理論穩(wěn)定條件為基礎(chǔ)，利用母線電壓諧波建立合理的反饋控制環(huán)路改變電機負(fù)阻抗特性，提升了驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定性。但是在實際應(yīng)用中也存在各自的問題，基于電流指令調(diào)節(jié)的控制策略難以實現(xiàn)準(zhǔn)確的功率調(diào)節(jié)，因此阻尼控制效果較差?；陔妷褐噶钫{(diào)節(jié)的控制策略，可能會產(chǎn)生較為嚴(yán)重的過電流問題。目前，也有方案通過改變電機轉(zhuǎn)矩或者轉(zhuǎn)速指令調(diào)節(jié)電機功率，達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定的目的，但是其本質(zhì)上與基于電流或者電壓指令的方案類似。

2.2 基于并聯(lián)虛擬阻抗的穩(wěn)定性控制方法

并聯(lián)虛擬阻抗的穩(wěn)定性控制方法物理意義明確，廣泛應(yīng)用于并網(wǎng)逆變器，可以有效抑制LCL諧振尖峰，提高驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定性[46-49]。與之類似，并聯(lián)虛擬阻抗的有源阻尼方法同樣適用于無電解電容電機驅(qū)動器。

在交流電機無電解電容驅(qū)動系統(tǒng)中，虛擬阻抗的并聯(lián)方式通常有以下幾種，如圖5所示。首爾大學(xué)LEE等[11]提出一種在電感兩端并聯(lián)虛擬電阻的有源阻尼控制方案，如圖5a所示，利用整流電壓和母線電壓差生成阻尼電流，與此同時，設(shè)計了一種龍貝格觀測器獲得整流電壓，為了減小阻尼控制帶來的電機功率擾動，將阻尼電壓加在電機電流矢量方向。圖5b中，在母線電容兩端并聯(lián)虛擬電阻，本質(zhì)上實際上是在電機中引入母線電壓諧波比例項。曼徹斯特大學(xué)LIU等[12]將母線電壓諧波比例項引入電機電流指令實現(xiàn)了驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定控制，并分析了阻尼器參數(shù)對電機轉(zhuǎn)矩的影響。GREEN實驗室MAGNE等[13]基于圖5c的原理，提出并聯(lián)虛擬電容的穩(wěn)定控制器，與此同時對加入穩(wěn)定控制器前后的系統(tǒng)進行大信號建模，分析了不同虛擬電容容值下的吸引域。通過對系統(tǒng)頻域特性分析，圖5d中串聯(lián)電阻方案可以達(dá)到較好的綜合控制效果，據(jù)此哈爾濱工業(yè)大學(xué)ZHAO等[14]提出一種基于電感電流反饋的有源阻尼穩(wěn)定性控制方法。

圖5 基于并聯(lián)虛擬阻抗的穩(wěn)定性控制方案

通過模擬并聯(lián)無源器件，可以有效提升無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定性。但是此類方法中阻尼器參數(shù)的選擇依賴驅(qū)動系統(tǒng)模型，當(dāng)市電阻抗寬范圍變化或者電機功率發(fā)生變化時，難以取得令人滿意的控制效果。

2.3 改變驅(qū)動系統(tǒng)拓?fù)浞€(wěn)定性控制方法

上述方案主要通過電機控制算法來實現(xiàn)無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)的穩(wěn)定控制，改變驅(qū)動系統(tǒng)拓?fù)涞姆€(wěn)定性控制方案也得到了相應(yīng)的關(guān)注。首爾大學(xué)SHIN等[15-17]在直流側(cè)并聯(lián)有源補償器(圖6)，實現(xiàn)了驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定控制，且根據(jù)IEC61000-3-12諧波標(biāo)準(zhǔn)對網(wǎng)側(cè)電流波形進行了重塑，有效降低了網(wǎng)側(cè)電流的部分加權(quán)諧波畸變率(Partial weighted harmonic distortion, PWHD)。改變驅(qū)動系統(tǒng)拓?fù)淇梢员苊庀螂姍C引入擾動功率，也可以提升電機擴速和抗擾性能，但是會增加系統(tǒng)成本和體積，因此基于電機控制算法的穩(wěn)定性控制策略更加受到青睞。

圖6 并聯(lián)補償器無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)拓?fù)?/p>

3 機側(cè)運行性能控制技術(shù)

由于母線電容儲能能力的下降，母線電壓大幅波動會影響電機運行性能，造成電機轉(zhuǎn)矩脈動、電壓利用率低、母線過電壓等問題。因此，研究針對無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)的機側(cè)運行性能控制技術(shù)十分必要。

3.1 擴速運行技術(shù)

圖7為三相輸入電壓和整流電壓，整流電壓波動幅度約為14%，其表達(dá)式如式(14)所示。整流電壓和母線電壓之間的傳遞函數(shù)如式(16)所示，由于LC諧振的存在，母線電壓諧振頻率附近諧波將被放大，母線電壓波動幅度可達(dá)20%。母線電壓的大幅波動，使得傳統(tǒng)的弱磁控制和過調(diào)制策略難以發(fā)揮作用。

圖7 三相輸入電壓和整流電壓關(guān)系

式中，=1，2，3，…；g表示電網(wǎng)電壓頻率；dN表示rect的直流部分。

在無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)弱磁控制中，主要有以下兩個核心問題需要考慮[22]：①由于母線電壓呈周期性波動，需要采用特殊的弱磁控制策略以提升母線電壓利用率；②在弱磁控制區(qū)間，電機電磁轉(zhuǎn)矩諧波較為顯著，尤其是由電壓波動和過調(diào)制造成的電機低頻振蕩。嶺南大學(xué)KIM等[18-20]將基于模型的控制器和電壓六邊形控制器結(jié)合起來，指令電壓矢量直接由電機轉(zhuǎn)矩指令和電壓六邊形限制計算獲得。即使在母線電壓周期性波動情況下，該控制策略仍然可以實現(xiàn)最大的直流側(cè)電壓利用率，但是電機轉(zhuǎn)矩脈動較為嚴(yán)重。此外，該方案取消了電流環(huán)，因此對電機參數(shù)的依賴性較強。為降低弱磁控制區(qū)間內(nèi)的電機轉(zhuǎn)矩脈動，阿爾托大學(xué)理工學(xué)院HINKKANEN等[21]采用母線電壓閉環(huán)的弱磁控制策略，其中弱磁控制的邊界選擇為最小母線電壓，且電壓指令未拓展至過調(diào)制區(qū)。因此，該弱磁控制策略電壓利用率較低。為了兼顧母線電壓利用率和電機轉(zhuǎn)矩脈動，首爾大學(xué)YOO等[22]利用交軸指令電壓和實際電壓之差經(jīng)過低通濾波器后產(chǎn)生直軸去磁電流，通過價值函數(shù)的設(shè)計，取得了較好的弱磁控制性能。不同弱磁控制方法的特點如表1所示。

表1 不同弱磁控制方法特點

在無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)中，由于母線電壓大范圍周期性波動，傳統(tǒng)的過調(diào)制策略難以取得較好的控制效果。為提升三相供電無電解電容電機驅(qū)動器的電壓輸出能力，拉普蘭塔理工大學(xué)SAREN等[23]分析了不同轉(zhuǎn)速和電壓初始角時電機電壓的諧波及有效值，設(shè)計了一種固定電壓矢量幅值過調(diào)制策略，根據(jù)母線電壓和電機電壓指令計算電壓矢量跳變角，電機電壓可以由過調(diào)制一區(qū)線性過渡到六步運行模式。為了進一步降低定子電壓諧波，哈爾濱工業(yè)大學(xué)WANG等[24]分析了傳統(tǒng)過調(diào)制策略在無電解電容永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)中的電壓畸變問題，通過設(shè)定固定電壓邊界重新界定調(diào)制區(qū)域，消除了定子電壓矢量會跳畸變，有效降低了定子電壓諧波，隨著調(diào)制度的增加，定子電壓可以由線性區(qū)平滑過渡到六步運行狀態(tài)。

3.2 拍頻抑制技術(shù)

實際上，拍頻現(xiàn)象是電力電子系統(tǒng)中存在的普遍問題之一[27-30]。電力電子變換器的低頻阻抗通常較小，即使很小的低頻擾動也會造成嚴(yán)重的波形畸變。電機拍頻問題多見于軌道牽引系統(tǒng)，母線電壓和電機輸出電壓交互產(chǎn)生了低頻振蕩現(xiàn)象[31-33]。在無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)中同樣存在拍頻現(xiàn)象，奧爾堡大學(xué)WANG等[36]對無電解電容驅(qū)動系統(tǒng)諧波進行了系統(tǒng)分析，指出母線電壓采樣延遲，將導(dǎo)致PWM輸出電壓誤差，在定子電流中形成母線電壓波動相關(guān)頻次諧波，導(dǎo)致電機電流拍頻問題。與此同時，周期性波動負(fù)載也會和母線電壓諧波交互產(chǎn)生拍頻現(xiàn)象。

圖8為常用的采樣更新及PWM時序圖，在1時刻執(zhí)行母線電壓采樣，在2時刻開始PWM更新，此間母線電壓的等效延遲為1.5個開關(guān)周期。在電無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)中，由于母線電壓大幅波動，母線電壓采樣延遲對系統(tǒng)影響較大。例如，當(dāng)開關(guān)頻率為6 kHz時，電壓采樣誤差即可達(dá)9%，且開關(guān)頻率越低，母線電壓采樣誤差越大。為了抑制母線電壓采樣延遲造成的拍頻問題，華中科技大學(xué)OUYANG等[35]設(shè)計了一種母線電壓重復(fù)觀測器，預(yù)測下一個開關(guān)周期的母線電壓均值用于SVPWM更新，有效抑制了軌道牽引系統(tǒng)拍頻問題。但是在無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)中，母線電壓并非嚴(yán)格的周期信號，重復(fù)觀測器將不能有效工作。為此，哈爾濱工業(yè)大學(xué)DING等[27]對母線電壓采樣延遲導(dǎo)致的拍頻問題進行了理論分析，獲得了拍頻包絡(luò)線的數(shù)學(xué)表達(dá)式，通過對母線電壓主要諧波成分進行重構(gòu)，有效抑制了拍頻現(xiàn)象，該方案不要求母線電壓具有嚴(yán)格的周期特性，易于工程應(yīng)用。

圖8 采樣更新及PWM時序圖

無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)常用于暖通空調(diào)系統(tǒng)，圖9為單轉(zhuǎn)子壓縮機負(fù)載變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)矩隨機械角度呈周期性變化，此時也會導(dǎo)致驅(qū)動系統(tǒng)拍頻問題。對此，哈爾濱工業(yè)大學(xué)ZHAO等[28]設(shè)計了一種基于陷波器拍頻抑制策略，通過構(gòu)建電機電流和電壓之間的控制環(huán)路，有效抑制了負(fù)載波動頻次諧波，從而消除了拍頻現(xiàn)象。不同拍頻抑制方法的特點如表2所示。

圖9 壓縮機負(fù)載變化曲線

表2 不同拍頻抑制方法特點

電機拍頻現(xiàn)象通常是由兩個及以上頻率不呈比例關(guān)系的諧波交互產(chǎn)生。目前來看，抑制電機拍頻的常用方法是抑制其中某個導(dǎo)致拍頻的諧波成分，從而在源頭上解決拍頻問題。

3.3 再生能量控制技術(shù)

母線電容容值的大幅降低，使得母線端對驅(qū)動系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)和機側(cè)的能量變化更加敏感，因此針對三相供電無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)的防過壓控制和低電壓穿越控制成為學(xué)者們關(guān)注的話題。

為了實現(xiàn)再生制動過程中母線防過壓控制，常用的方法是加入有源制動單元。圖10為附加制動單元的驅(qū)動系統(tǒng)拓?fù)?，?dāng)母線電壓超過設(shè)定值時制動單元開關(guān)管導(dǎo)通，再生能量可以消耗在制動電阻上，防止母線電壓泵升。但是該方法并不是無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)選方案。首先，無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)常用于風(fēng)機、水泵類負(fù)載場合，這類場合通常對電機動態(tài)性能要求不高；其次，附加硬件單元會增加系統(tǒng)體積和成本，與無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計初衷不符。因此，通過電機控制算法實現(xiàn)防過壓控制更加受到人們的青睞。針對無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)的防過壓控制有以下幾點要求： ①確?？煽康姆肋^壓控制；②在此基礎(chǔ)上盡可能提升電機動態(tài)性能；③制動過程是可逆的，即可以恢復(fù)為電動運行狀態(tài)。

圖10 附加制動單元驅(qū)動系統(tǒng)拓?fù)?/p>

實際上，針對傳統(tǒng)變頻器的再生制動控制算法已有較多研究。其中具有代表性的是伍珀塔爾大學(xué)JIANG等[37]提出的基于電機損耗的制動方法，通過交軸電流邊界限制電機電磁能量，抑制母線電壓上升；根據(jù)電機轉(zhuǎn)速信息產(chǎn)生直軸電流諧波，增加電機損耗，提升電機動態(tài)性能。圖11為永磁電機能量流圖，實際上，為了實現(xiàn)再生制動和低電壓穿越過程中驅(qū)動器安全可靠運行，均需要合理調(diào)配電機各項損耗，將母線電壓維持在安全范圍內(nèi)。由于無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)的母線電容僅為傳統(tǒng)變頻器的1/50，其再生制動過程中母線電壓控制難度更大，此時采用上述再生制動算法難以取得令人滿意的控制效果。浙江大學(xué)QIAN等[38]針對無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計了一種自適應(yīng)母線電壓控制器，用于交軸電流邊界給定，該方案可以可靠抑制再生制動過程中的母線電壓泵升，但是電機動態(tài)性能較差。為此，哈爾濱工業(yè)大學(xué)DING等[39]分析了防過壓控制過程中的能量誤差，設(shè)計了一種雙重防過壓控制策略，并將電機轉(zhuǎn)速信息引入電壓控制器，控制系統(tǒng)在全速域內(nèi)可以維持設(shè)定的幅頻特性，電機動態(tài)性能得到進一步提升。

圖11 永磁電機能量流圖

母線電容通常需要承擔(dān)為輔助電路供電的功能，當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓跌落，母線電壓仍需要維持在閾值電壓以上為輔助電路供電。由于母線電容容值極小，無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)低電壓穿越的控制難度更大，尤其是在網(wǎng)側(cè)電壓長時間深度跌落時。浙江大學(xué)QIAN等[40]分析了網(wǎng)側(cè)斷電情況下無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)能夠維持工作的最長時間，并設(shè)計了一種母線電壓控制器，利用電機動能維持母線電壓，提升了驅(qū)動系統(tǒng)低電壓穿越能力。ABB公司PIETILAINEN等[1]借助于弱磁控制器和交軸電流限幅提升低電壓穿越能力，在1 s內(nèi)30%電壓跌落條件下驅(qū)動系統(tǒng)仍能夠正常運行。

目前，針對無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)再生能量的控制方式多基于電流指令調(diào)控，由于電流環(huán)帶寬的限制，電流指令和實際電流之間存在偏差，這部分偏差導(dǎo)致的能量控制誤差可能造成母線電壓大范圍波動。因此，在控制策略設(shè)計過程中需要考慮如何降低能量控制誤差，基于電壓指令的調(diào)控是可能的途徑之一。

4 總結(jié)與展望

無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)有著體積小、可靠性高等優(yōu)勢，在工業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛的關(guān)注。本文主要圍繞驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定性控制方法和機側(cè)性能控制技術(shù)兩方面，對三相供電交流電機驅(qū)動系統(tǒng)無電解電容控制技術(shù)進行歸納和總結(jié)。

(1) 通過電機控制算法或者改變拓?fù)渚軐崿F(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定控制。目前，研究熱點主要集中在電機控制算法的研究上。實際上，多種有源阻尼控制方法均能夠起到穩(wěn)定系統(tǒng)的作用，但是當(dāng)負(fù)載功率或者市電阻抗寬范圍變化時，如何實現(xiàn)有源阻尼器參數(shù)的自適應(yīng)，是難點問題之一。此外，目前的研究多集中于單個無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)的控制，當(dāng)多臺無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)并聯(lián)運行或者與小功率傳統(tǒng)電機驅(qū)動系統(tǒng)并聯(lián)運行，系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制及諧波問題將更為復(fù)雜。

(2) 為避免開關(guān)頻次的諧波流入電網(wǎng)，常用的方法是在網(wǎng)側(cè)加入電抗器，構(gòu)成LC濾波網(wǎng)絡(luò)，通過電容電感值的合理設(shè)計達(dá)到抑制開關(guān)頻率相關(guān)諧波的目的。目前，學(xué)者們也正在對低電感或者無電感的無電解電容驅(qū)動系統(tǒng)展開研究，以低諧波為目標(biāo)設(shè)計新的調(diào)制策略替換SVPWM調(diào)制，但是如何設(shè)計調(diào)制策略以有效抑制網(wǎng)側(cè)電流諧波還有待進一步研究。

(3) 相對于傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)，無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)對電機的控制能力會在一定程度上減弱。已有的控制策略，如弱磁控制、過調(diào)制策略，需要針對母線電壓周期性波動這一特點進行改進，在提高母線電壓利用率和降低輸出電壓諧波的同時，還需要為穩(wěn)定控制留下足夠的母線電壓裕度。電容容值的大幅降低，也給驅(qū)動系統(tǒng)再生能量的控制提出了更高的要求。

(4) 驅(qū)動系統(tǒng)綜合性能調(diào)控也是無電解電容電機驅(qū)動系統(tǒng)面臨的難題。其需要同時兼顧網(wǎng)側(cè)、直流側(cè)、機側(cè)的控制性能，相較于傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)，控制目標(biāo)更多，且存在控制器之間的配合問題。因此，如何實現(xiàn)有效的多目標(biāo)控制，提升驅(qū)動系統(tǒng)綜合性能具有重要的研究價值。

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Review of Control Technology for Electrolytic Capacitorless AC Motor Drives with Three-phase Power Supply

DING Dawei WANG Gaolin ZHANG Guoqiang XU Dianguo

(School of Electrical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001)

Along with the development of the control technology of PMSM motor, reliability, life time and power density have become important issues. The electrolytic capacitorless AC motor drive with three-phase power supply holds advantages of small volume, long service time and high reliability, which is an important development direction of motor drives. Currently, electrolytic capacitorless AC motor drives are already applied in industry. Based on the stable operation of the drive and the performance control technology of the machine side, the development status of the electrolytic capacitorless AC motor drive is summarized and the advantages and disadvantages of the existing schemes are pointed out. Finally, the current difficult problems and future development trend of the electrolytic capacitorless AC motor drive are summarized and prospected.

AC motor；electrolytic capacitorless drive；stability control；motor side performance control

10.11985/2021.04.002

TM341

* 國家自然科學(xué)基金資助項目(51877054)。

20210726收到初稿，20211022收到修改稿

丁大尉，男，1991年生，博士研究生。主要研究方向為永磁電機無電解電容驅(qū)動技術(shù)。E-mail：dingdawei_hit@foxmail.com

王高林(通信作者)，男，1978年生，博士，教授。主要研究方向為交流電機驅(qū)動與控制技術(shù)。E-mail：WGL818@hit.edu.cn