无电解电容永磁同步电机驱动系统网侧电流谐波抑制策略

徐晨栋 尹泉 黄凯 罗慧

摘要：电机驱动系统的母线使用大电解电容会降低寿命和可靠性，使用小容值薄膜电容来替代大电解电容，可以提高系统可靠性，除去功率因数纠正（PFC）电路以降低成本，但要求在网侧具有高功率因数以及足够低的电流谐波，因此需要准确地控制逆变器输出功率以实现这种诉求。提出一种修正指令电流的方法控制逆变器输出功率。选择PIR控制器，以无静差跟随两倍工频波动的理想输出功率。另外，针对电流环响应频率以上的噪声，通过电压前馈的方式补偿，能够弥补电流环响应频率的不足。通过仿真以及实验验证有效性，使网侧功率因数达到0.988 8，网侧电流谐波畸变率0.148 9，网侧电流各次谐波均控制在EN 61000-3-2标准以下。

关键词：谐波抑制;无电解电容;高功率因数;电流修正;电压前馈

DOI：10.15938/j.emc.2019.12.000

中图分类号：TM 351文献标志码：A文章编号：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，永磁同步电机的应用越来越广泛，但是在传统双闭环控制系统中，母线大电解电容存在寿命短、稳定性差、体积大的缺点。在对系统性能要求不高的场合，如空调压缩机，使用小薄膜电容代替母线大电解电容，可以在有效提高系统可靠性与使用寿命的同时，免去网侧功率因数纠正电路以降低成本。为适应拓扑结构的改变，需要新的控制策略来实现对电机的控制，并满足高功率因数、网侧电流低谐波的控制诉求。

因小容值薄膜电容不能存储能量以提供稳定的母线电压，母线电压基本跟随网侧电压产生大幅度波动而直接带来电压不足，难以支撑电机的高速稳定运行的问题，文献[1]根据电机在一个电压波动周期内需要的平均电压计算弱磁电流来保证电机云顶运行，并给出两倍工频频率波动的q轴电流控制方式，以减小电压不足的影响。文献[2]添加一个功率闭环，通过重复控制器和试凑PI控制器来重新生成q轴电流指令控制逆变器输出功率。文献[3-4]在转速环与电流环之间添加一个转矩环，提出转矩控制器来实现对逆变器功率的控制，并在电压不足时，开环输出电压以满足功率输出要求以抑制母线电压迸升。文献[5]给出了逆变器零输出时的电机电流畸变抑制方法。文献[6-7]综合考虑电压与功率的约束条件，离线计算理想的d-q轴电流指令，并在过程中加入少量的电压矢量修正，得到几乎理想的实验波形。文献[8]不加入额外控制环路，通过合理调节d-q轴电流指令，实现调速与网侧谐波要求。文献[9-10]在网侧输入端加入一个小电感，利用电感的特性滤除网侧电流的高次谐波，同时在逆变器输出端做功率补偿以抑制电感加入所带来的LC谐振。

虽然国内外文献出发点不尽相同，但是最终的控制方式都落到修正逆变器的输出功率。在小电容的拓扑结构下，母线电容是一个几至几十μF的薄膜电容，其功率很小，将其近似为理想值[11]，这也就意味着修正了逆变器的功率，就修正了网侧输入功率，使得网侧的电流可控。文献[10-12]将系统拓扑结构简化为一个有着电压源和电流源的LC电路，网侧输入为电压源，而逆变器的输出简化为一个电流源。文献[12]在简化的系统结构下，得出系统特征方程并给出谐波抑制方法。为了使逆变器的功率输出不含有输出转矩快速波动带来的噪声，文献[1-12]均将速度环的带宽降至几赫兹，使得电机对转速波动不敏感，始终保持平稳的功率输出，从而避免了谐波的出现。

本文通過对系统模型的分析，建立功率与q轴电流指令修正量的数学关系，使逆变器输出功率闭环，更合理地控制逆变器功率。功率环位于速度环与电流环之间，在自身稳定性较高的情况下，其对于电机转矩的影响会由转速环纠正，系统的稳定性以及鲁棒性得到了保证;同时考虑到电流环的响应带宽，在电流环难以响应的高频段，利用电压前馈的方式，在逆变器侧修正电压矢量做补偿，将响应频率提高至开关频率。仿真以及实验结果验证了本文提出的控制策略有效性。

2.2 电压前馈

通过电流指令对逆变器功率的控制受限于电流环带宽的影响，在高频段难以达到理想的控制效果，而逆变器理想功率又以两倍工频的频率波动，q轴指令电流亦大致呈现两倍工频波动，电流环的控制本身会带有一定的稳态误差，难以达到理想控制效果。

另外，对系统控制效果影响更严重的是母线电压大幅度波动带来的欠压问题。在电机高速运行的情况下，要实现对电机的控制需要克服较大的反电势，而当网侧电压波动至波谷时，母线电压随之波动至波谷，电压不足以实现对电机的控制，如图5。这种电压不足的情况一定会存在，并会导致电流难以良好跟随指令，出现一定程度的扭曲，功率亦得不到有效的控制。

为了提高系统的稳定性，当母线处于欠压状态时，忽略功率差，不计入功率环输入。

4 结 论

本文针对母线无电解电容永磁同步电机驱动系统提出了一种基于电流修正的谐波抑制策略，所提出方法的有效性经由仿真以及实验验证。逆变器功率环利用PIR控制器以跟踪两倍工频波动的逆变器理想输出功率，经由电流的修正来实现对逆变器输出功率地控制。实验结果增大网侧功率因数至0.988 8，降低网侧电流谐波畸变率至0.148 9，同时输入电流各次谐波均符合EN 61000-3-2标准。该方法有助于永磁同步电机应用的进一步普及，具有一定实用价值。

参 考 文 献：

[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] 张国柱，徐殿国，朱良红，等.高功率因数无电解电容电机驱动系统电流控制策略[J].电机与控制学报，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] 霍軍亚，王高林，赵楠楠，等.无电解电容电机驱动系统谐振抑制控制策略[J].电工技术学报，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.

（编辑：张 楠）