改善低直流母線電容電機驅動系統(tǒng)穩(wěn)定性方法

陳發(fā)毅，錢振天，姚文熙，呂征宇

（浙江大學電氣工程學院，杭州 310027）

在AC-DC-AC電機驅動系統(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]。因此國內外許多學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）就要進行調整；針對此問題，文獻[14]提出了一種重構直流母線電壓參考信號的有源阻尼方法，將其應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電機的SDCDS系統(tǒng)，設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周期內由直流側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電機可假設為恒功率負載，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的有源阻尼法。

2 重構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電機，直流電機負載，負載大小通過直流電機控制柜調節(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和網側電流波形如圖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，還存在由網側電感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，網側電流的功率因數(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）時的實驗結果Fig.7 Experimental results with active damping（kv=2,kd=0,kq=0.5）

4 結語

本文針對SDCDS系統(tǒng)，對其穩(wěn)定性問題進行了理論分析。在此基礎上，采用基于直流母線電壓重構的有源阻尼法，有效地抑制了由網側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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