三相供电交流电机驱动系统无电解电容控制技术综述*

丁大尉 王高林 张国强 徐殿国

三相供电交流电机驱动系统无电解电容控制技术综述*

丁大尉 王高林 张国强 徐殿国

(哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院 哈尔滨 150001)

随着永磁电机驱动控制技术的发展，系统可靠性、寿命和功率密度逐渐成为该领域关注的重点。三相供电交流电机无电解电容驱动系统具有体积小、寿命长、可靠性高的优点，是高品质电机驱动系统发展的重要方向之一。目前，交流电机无电解电容驱动系统已经在工业领域得到应用。围绕驱动系统稳定运行和机侧性能控制技术两方面，对交流电机无电解电容驱动系统的发展现状进行归纳和总结，指出现有方案的优缺点。最后，对交流电机无电解电容驱动系统目前亟需解决的难点问题和未来发展趋势进行总结和展望。

交流电机；无电解电容驱动系统；稳定性控制；机侧性能控制

1 引言

交流电机驱动系统广泛应用于工业领域，但是其直流侧电解电容体积大、寿命短且存在爆炸风险。近年来，交流电机驱动系统无电解电容控制技术得到了广泛关注，目前市场上采用无电解电容交流电机驱动方案的主要有西门子SED2、施耐德ATV212等，国内企业如美的、英威腾等正在加快无电解电容交流电机驱动系统的开发和应用。无电解交流电机驱动系统采用小容值薄膜电容替换原有的大容值电解电容，电容容值可降为原来的1/50左右。随着直流侧电容容值的降低，母线电压大幅波动，网侧和机侧能量严重耦合，给电机驱动系统带来一系列问题。

首当其冲的是驱动系统稳定性问题，为了防止开关频率相关的高频谐波电流馈入电网，增加公共点处谐波，无电解电容电机驱动系统通常需要适配一定量的直流或者三相交流电抗器[1-4]。交流电机可视为恒功率负载，其呈现负阻抗特性[5-9]。由于小容值薄膜电容几乎不具备能量缓冲作用，网侧和机侧能量直接耦合，电机的负阻抗特性和LC谐振的存在将导致系统中谐振频率处谐波的放大，在弱电网情况下甚至会出现系统失稳的情况[10-12]。因此，系统稳定性控制作为三相供电无电解电容电机驱动系统的核心问题被广泛研究[13-17]。

在机侧性能方面，现有的过调制以及弱磁控制策略大多基于恒定母线电压进行设计，因此在无电解电容电机驱动系统中难以获得理想的效果[18-22]。如何提升母线电压利用率、降低电机电压畸变，设计适合无电解电容电机驱动系统的过调制和弱磁控制策略是研究难点之一[23-26]。由于母线电压采样延迟的存在，其周期性波动导致电机电流谐波，导致机侧电流含有非运行频率整数倍谐波。此时机侧相电流将呈现拍频现象，从而增加电机噪声[27]。此外，当电机负载周期性变化时，也会导致拍频问题[28]。拍频是电力电子系统的普遍问题之一[29-32]，在电机驱动和在无电解电容电机驱动系统中也受到较多关注[33-36]。电机驱动系统通常需要配备制动单元，防止制动过程中的母线过压[37]。在无电解电容电机驱动系统中，由于母线电容的进一步降低，更易发生母线过压的情形[38-39]。同样，无电解电容电机驱动系统也对低电压穿越有更高的控制要求[40]。因此，在无电解电容驱动系统中，如何有效控制再生能量是值得关注的应用问题[41-43]。

本文将从三相供电交流电机无电解电容驱动系统稳定运行和机侧性能控制两方面进行阐述，首先对现有稳定性控制的方法进行归类，并对方法的特点、实施方式以及性能等方面进行评述。此外，介绍母线电容大幅降低后对机侧性能的控制要求，主要包括扩速运行、拍频抑制、再生能量控制三个方面。在此基础上，对三相供电交流电机驱动系统无电解电容控制技术未来的发展方向进行探讨和 展望。

2 驱动系统稳定性控制方法

由于电机恒功率特性以及LC谐振的影响，无电解电容驱动系统容易产生失稳的问题[44]。三相供电无电解电容驱动系统拓扑如图1所示。其可简化为如图2所示模型[45]，驱动系统状态方程可表示为

式中，us、ig、udc和iinv分别表示网侧电压、电感电流、母线电压和逆变器输出电流。L、R、C分别表示直流侧电感、线路电阻以及母线电容。

图2 无电解电容电机驱动系统简化模型

逆变器及电机系统呈现恒功率负载特性。忽略开关损耗前提下，逆变器输出的平均功率和电机平均功率相等，逆变器平均输出电流可以表示为

由式(3)可以看出，母线电压波动和逆变器输出电流谐波呈相反的变化趋势，电机呈现负阻抗特性。

根据式(1)和式(3)，可以获得系统特征方程为

特征方程第三项系数通常为正，系统稳定性由第二项系数决定，即稳定条件为

在无电解电容电机驱动系统中，由于电容容值极小，当电机功率或者市电阻抗较大时，系统将面临失稳问题。提升驱动系统稳定性是无电解电容电机驱动系统面临的核心问题。目前，常用的方法主要包括：改变电机负阻抗特性的稳定性控制方法、基于并联虚拟阻抗的稳定性控制方法以及改变驱动系统拓扑。无论是改变电机负阻抗特性的稳定性控制方法，还是基于并联虚拟阻抗的稳定性控制方法，均通过改变电机的功率实现。

2.1 改变电机负阻抗特性的稳定性控制方法

通过改变电机电流或者电压指令，在电机中注入母线电压波动相关的扰动功率，可以改变电机负阻抗特性，从而达到提升无电解电容电机驱动系统稳定性的目的，具体实现方法总结如图3所示。逆变器输出电流可统一表示为

扰动功率可表示为

将式(8)代入式(7)中可得

式中，系数为id、iq、ud、uq的统一表达。

给定合理的值，可以将式(9)中第二项系数变为正值，即改变电机的负阻抗特性。与之对应的系统特征方程如式(10)所示，对比式(4)可以发现，改变电机负阻抗特性后，系统特征方程第二项系数为正值，即可实现驱动系统稳定控制。

在调制模块中直接将母线电压谐波反向，可以将电机转化为正阻抗特性。具体实现方法如图4所示，将母线电压谐波反向用于调制模块后，电机电压可表示为

式中，dc_mod为将母线电压谐波反向后的电压指令；dc为谐波系数。

电机功率可表示为

由此，可以获得逆变器输出电流表达式为

对比式(3)和式(13)可知，此时的电机表现正阻抗特性。基于图4的思路，丹佛斯公司MATHE等[7-8]将母线电压谐波延迟半个周期后获得母线电压重构值，并对母线电压采样延迟进行了补偿。奥尔堡大学WANG等[9]将母线电压波动部分反向用于调制模块，可以实现系统稳定控制。为了进一步提升阻尼控制效果，WANG等[10]利用锁相环重构整流电压，仅将母线电压中被谐振放大的谐波分量反向。

图4 虚拟正阻抗稳定性控制方法

以上方案以经典控制理论稳定条件为基础，利用母线电压谐波建立合理的反馈控制环路改变电机负阻抗特性，提升了驱动系统稳定性。但是在实际应用中也存在各自的问题，基于电流指令调节的控制策略难以实现准确的功率调节，因此阻尼控制效果较差。基于电压指令调节的控制策略，可能会产生较为严重的过电流问题。目前，也有方案通过改变电机转矩或者转速指令调节电机功率，达到系统稳定的目的，但是其本质上与基于电流或者电压指令的方案类似。

2.2 基于并联虚拟阻抗的稳定性控制方法

并联虚拟阻抗的稳定性控制方法物理意义明确，广泛应用于并网逆变器，可以有效抑制LCL谐振尖峰，提高驱动系统稳定性[46-49]。与之类似，并联虚拟阻抗的有源阻尼方法同样适用于无电解电容电机驱动器。

在交流电机无电解电容驱动系统中，虚拟阻抗的并联方式通常有以下几种，如图5所示。首尔大学LEE等[11]提出一种在电感两端并联虚拟电阻的有源阻尼控制方案，如图5a所示，利用整流电压和母线电压差生成阻尼电流，与此同时，设计了一种龙贝格观测器获得整流电压，为了减小阻尼控制带来的电机功率扰动，将阻尼电压加在电机电流矢量方向。图5b中，在母线电容两端并联虚拟电阻，本质上实际上是在电机中引入母线电压谐波比例项。曼彻斯特大学LIU等[12]将母线电压谐波比例项引入电机电流指令实现了驱动系统稳定控制，并分析了阻尼器参数对电机转矩的影响。GREEN实验室MAGNE等[13]基于图5c的原理，提出并联虚拟电容的稳定控制器，与此同时对加入稳定控制器前后的系统进行大信号建模，分析了不同虚拟电容容值下的吸引域。通过对系统频域特性分析，图5d中串联电阻方案可以达到较好的综合控制效果，据此哈尔滨工业大学ZHAO等[14]提出一种基于电感电流反馈的有源阻尼稳定性控制方法。

图5 基于并联虚拟阻抗的稳定性控制方案

通过模拟并联无源器件，可以有效提升无电解电容电机驱动系统稳定性。但是此类方法中阻尼器参数的选择依赖驱动系统模型，当市电阻抗宽范围变化或者电机功率发生变化时，难以取得令人满意的控制效果。

2.3 改变驱动系统拓扑稳定性控制方法

上述方案主要通过电机控制算法来实现无电解电容电机驱动系统的稳定控制，改变驱动系统拓扑的稳定性控制方案也得到了相应的关注。首尔大学SHIN等[15-17]在直流侧并联有源补偿器(图6)，实现了驱动系统稳定控制，且根据IEC61000-3-12谐波标准对网侧电流波形进行了重塑，有效降低了网侧电流的部分加权谐波畸变率(Partial weighted harmonic distortion, PWHD)。改变驱动系统拓扑可以避免向电机引入扰动功率，也可以提升电机扩速和抗扰性能，但是会增加系统成本和体积，因此基于电机控制算法的稳定性控制策略更加受到青睐。

图6 并联补偿器无电解电容电机驱动系统拓扑

3 机侧运行性能控制技术

由于母线电容储能能力的下降，母线电压大幅波动会影响电机运行性能，造成电机转矩脉动、电压利用率低、母线过电压等问题。因此，研究针对无电解电容电机驱动系统的机侧运行性能控制技术十分必要。

3.1 扩速运行技术

图7为三相输入电压和整流电压，整流电压波动幅度约为14%，其表达式如式(14)所示。整流电压和母线电压之间的传递函数如式(16)所示，由于LC谐振的存在，母线电压谐振频率附近谐波将被放大，母线电压波动幅度可达20%。母线电压的大幅波动，使得传统的弱磁控制和过调制策略难以发挥作用。

图7 三相输入电压和整流电压关系

式中，=1，2，3，…；g表示电网电压频率；dN表示rect的直流部分。

在无电解电容电机驱动系统弱磁控制中，主要有以下两个核心问题需要考虑[22]：①由于母线电压呈周期性波动，需要采用特殊的弱磁控制策略以提升母线电压利用率；②在弱磁控制区间，电机电磁转矩谐波较为显著，尤其是由电压波动和过调制造成的电机低频振荡。岭南大学KIM等[18-20]将基于模型的控制器和电压六边形控制器结合起来，指令电压矢量直接由电机转矩指令和电压六边形限制计算获得。即使在母线电压周期性波动情况下，该控制策略仍然可以实现最大的直流侧电压利用率，但是电机转矩脉动较为严重。此外，该方案取消了电流环，因此对电机参数的依赖性较强。为降低弱磁控制区间内的电机转矩脉动，阿尔托大学理工学院HINKKANEN等[21]采用母线电压闭环的弱磁控制策略，其中弱磁控制的边界选择为最小母线电压，且电压指令未拓展至过调制区。因此，该弱磁控制策略电压利用率较低。为了兼顾母线电压利用率和电机转矩脉动，首尔大学YOO等[22]利用交轴指令电压和实际电压之差经过低通滤波器后产生直轴去磁电流，通过价值函数的设计，取得了较好的弱磁控制性能。不同弱磁控制方法的特点如表1所示。

表1 不同弱磁控制方法特点

在无电解电容电机驱动系统中，由于母线电压大范围周期性波动，传统的过调制策略难以取得较好的控制效果。为提升三相供电无电解电容电机驱动器的电压输出能力，拉普兰塔理工大学SAREN等[23]分析了不同转速和电压初始角时电机电压的谐波及有效值，设计了一种固定电压矢量幅值过调制策略，根据母线电压和电机电压指令计算电压矢量跳变角，电机电压可以由过调制一区线性过渡到六步运行模式。为了进一步降低定子电压谐波，哈尔滨工业大学WANG等[24]分析了传统过调制策略在无电解电容永磁同步电机驱动系统中的电压畸变问题，通过设定固定电压边界重新界定调制区域，消除了定子电压矢量会跳畸变，有效降低了定子电压谐波，随着调制度的增加，定子电压可以由线性区平滑过渡到六步运行状态。

3.2 拍频抑制技术

实际上，拍频现象是电力电子系统中存在的普遍问题之一[27-30]。电力电子变换器的低频阻抗通常较小，即使很小的低频扰动也会造成严重的波形畸变。电机拍频问题多见于轨道牵引系统，母线电压和电机输出电压交互产生了低频振荡现象[31-33]。在无电解电容电机驱动系统中同样存在拍频现象，奥尔堡大学WANG等[36]对无电解电容驱动系统谐波进行了系统分析，指出母线电压采样延迟，将导致PWM输出电压误差，在定子电流中形成母线电压波动相关频次谐波，导致电机电流拍频问题。与此同时，周期性波动负载也会和母线电压谐波交互产生拍频现象。

图8为常用的采样更新及PWM时序图，在1时刻执行母线电压采样，在2时刻开始PWM更新，此间母线电压的等效延迟为1.5个开关周期。在电无电解电容电机驱动系统中，由于母线电压大幅波动，母线电压采样延迟对系统影响较大。例如，当开关频率为6 kHz时，电压采样误差即可达9%，且开关频率越低，母线电压采样误差越大。为了抑制母线电压采样延迟造成的拍频问题，华中科技大学OUYANG等[35]设计了一种母线电压重复观测器，预测下一个开关周期的母线电压均值用于SVPWM更新，有效抑制了轨道牵引系统拍频问题。但是在无电解电容电机驱动系统中，母线电压并非严格的周期信号，重复观测器将不能有效工作。为此，哈尔滨工业大学DING等[27]对母线电压采样延迟导致的拍频问题进行了理论分析，获得了拍频包络线的数学表达式，通过对母线电压主要谐波成分进行重构，有效抑制了拍频现象，该方案不要求母线电压具有严格的周期特性，易于工程应用。

图8 采样更新及PWM时序图

无电解电容电机驱动系统常用于暖通空调系统，图9为单转子压缩机负载变化曲线，可以发现负载转矩随机械角度呈周期性变化，此时也会导致驱动系统拍频问题。对此，哈尔滨工业大学ZHAO等[28]设计了一种基于陷波器拍频抑制策略，通过构建电机电流和电压之间的控制环路，有效抑制了负载波动频次谐波，从而消除了拍频现象。不同拍频抑制方法的特点如表2所示。

图9 压缩机负载变化曲线

表2 不同拍频抑制方法特点

电机拍频现象通常是由两个及以上频率不呈比例关系的谐波交互产生。目前来看，抑制电机拍频的常用方法是抑制其中某个导致拍频的谐波成分，从而在源头上解决拍频问题。

3.3 再生能量控制技术

母线电容容值的大幅降低，使得母线端对驱动系统网侧和机侧的能量变化更加敏感，因此针对三相供电无电解电容电机驱动系统的防过压控制和低电压穿越控制成为学者们关注的话题。

为了实现再生制动过程中母线防过压控制，常用的方法是加入有源制动单元。图10为附加制动单元的驱动系统拓扑，当母线电压超过设定值时制动单元开关管导通，再生能量可以消耗在制动电阻上，防止母线电压泵升。但是该方法并不是无电解电容电机驱动系统的优选方案。首先，无电解电容电机驱动系统常用于风机、水泵类负载场合，这类场合通常对电机动态性能要求不高；其次，附加硬件单元会增加系统体积和成本，与无电解电容电机驱动系统的设计初衷不符。因此，通过电机控制算法实现防过压控制更加受到人们的青睐。针对无电解电容电机驱动系统的防过压控制有以下几点要求： ①确保可靠的防过压控制；②在此基础上尽可能提升电机动态性能；③制动过程是可逆的，即可以恢复为电动运行状态。

图10 附加制动单元驱动系统拓扑

实际上，针对传统变频器的再生制动控制算法已有较多研究。其中具有代表性的是伍珀塔尔大学JIANG等[37]提出的基于电机损耗的制动方法，通过交轴电流边界限制电机电磁能量，抑制母线电压上升；根据电机转速信息产生直轴电流谐波，增加电机损耗，提升电机动态性能。图11为永磁电机能量流图，实际上，为了实现再生制动和低电压穿越过程中驱动器安全可靠运行，均需要合理调配电机各项损耗，将母线电压维持在安全范围内。由于无电解电容电机驱动系统的母线电容仅为传统变频器的1/50，其再生制动过程中母线电压控制难度更大，此时采用上述再生制动算法难以取得令人满意的控制效果。浙江大学QIAN等[38]针对无电解电容电机驱动系统设计了一种自适应母线电压控制器，用于交轴电流边界给定，该方案可以可靠抑制再生制动过程中的母线电压泵升，但是电机动态性能较差。为此，哈尔滨工业大学DING等[39]分析了防过压控制过程中的能量误差，设计了一种双重防过压控制策略，并将电机转速信息引入电压控制器，控制系统在全速域内可以维持设定的幅频特性，电机动态性能得到进一步提升。

图11 永磁电机能量流图

母线电容通常需要承担为辅助电路供电的功能，当网侧电压跌落，母线电压仍需要维持在阈值电压以上为辅助电路供电。由于母线电容容值极小，无电解电容电机驱动系统低电压穿越的控制难度更大，尤其是在网侧电压长时间深度跌落时。浙江大学QIAN等[40]分析了网侧断电情况下无电解电容电机驱动系统能够维持工作的最长时间，并设计了一种母线电压控制器，利用电机动能维持母线电压，提升了驱动系统低电压穿越能力。ABB公司PIETILAINEN等[1]借助于弱磁控制器和交轴电流限幅提升低电压穿越能力，在1 s内30%电压跌落条件下驱动系统仍能够正常运行。

目前，针对无电解电容电机驱动系统再生能量的控制方式多基于电流指令调控，由于电流环带宽的限制，电流指令和实际电流之间存在偏差，这部分偏差导致的能量控制误差可能造成母线电压大范围波动。因此，在控制策略设计过程中需要考虑如何降低能量控制误差，基于电压指令的调控是可能的途径之一。

4 总结与展望

无电解电容电机驱动系统有着体积小、可靠性高等优势，在工业领域获得了广泛的关注。本文主要围绕驱动系统稳定性控制方法和机侧性能控制技术两方面，对三相供电交流电机驱动系统无电解电容控制技术进行归纳和总结。

(1) 通过电机控制算法或者改变拓扑均能实现驱动系统稳定控制。目前，研究热点主要集中在电机控制算法的研究上。实际上，多种有源阻尼控制方法均能够起到稳定系统的作用，但是当负载功率或者市电阻抗宽范围变化时，如何实现有源阻尼器参数的自适应，是难点问题之一。此外，目前的研究多集中于单个无电解电容电机驱动系统的控制，当多台无电解电容电机驱动系统并联运行或者与小功率传统电机驱动系统并联运行，系统的稳定性控制及谐波问题将更为复杂。

(2) 为避免开关频次的谐波流入电网，常用的方法是在网侧加入电抗器，构成LC滤波网络，通过电容电感值的合理设计达到抑制开关频率相关谐波的目的。目前，学者们也正在对低电感或者无电感的无电解电容驱动系统展开研究，以低谐波为目标设计新的调制策略替换SVPWM调制，但是如何设计调制策略以有效抑制网侧电流谐波还有待进一步研究。

(3) 相对于传统驱动系统，无电解电容电机驱动系统对电机的控制能力会在一定程度上减弱。已有的控制策略，如弱磁控制、过调制策略，需要针对母线电压周期性波动这一特点进行改进，在提高母线电压利用率和降低输出电压谐波的同时，还需要为稳定控制留下足够的母线电压裕度。电容容值的大幅降低，也给驱动系统再生能量的控制提出了更高的要求。

(4) 驱动系统综合性能调控也是无电解电容电机驱动系统面临的难题。其需要同时兼顾网侧、直流侧、机侧的控制性能，相较于传统驱动系统，控制目标更多，且存在控制器之间的配合问题。因此，如何实现有效的多目标控制，提升驱动系统综合性能具有重要的研究价值。

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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

* 国家自然科学基金资助项目(51877054)。

20210726收到初稿，20211022收到修改稿

丁大尉，男，1991年生，博士研究生。主要研究方向为永磁电机无电解电容驱动技术。E-mail：dingdawei_hit@foxmail.com

王高林(通信作者)，男，1978年生，博士，教授。主要研究方向为交流电机驱动与控制技术。E-mail：WGL818@hit.edu.cn