学术简报｜无电解电容电机驱动系统谐振抑制控制策略
哈尔滨工业大学电气工程与自动化学院、广东美的制冷设备有限公司的研究人员霍军亚、王高林等，在2018年第24期《电工技术学报》上撰文指出，无电解电容功率变换系统具有成本与寿命上的优势，其应用领域正在逐步扩展到电机驱动控制领域。然而，无电解电容电机驱动系统在工作中，由于母线小容量薄膜电容与网测滤波电感易发生LC谐振现象，导致驱动器呈现弱阻尼特性，使得网侧输入电流中含有显著的高频谐波分量。
针对网侧输入电流谐波问题以及系统弱阻尼特性，提出一种针对单相输入无电解电容电机驱动系统的LC谐振抑制策略。通过采用微分反馈谐振抑制方法，可以显著降低网侧输入电流的谐波成分，提高无电解电容驱动器的网侧输入功率因数，并增强系统运行稳定性。
最后，在无电解电容空调压缩机系统上对所提出的控制策略的有效性进行验证，实验结果表明采用所提出的控制策略能有效抑制LC谐振，降低网侧输入电流谐波，使得网侧输入电流满足IEC 61000-3-2谐波标准。
变频空调器在节能和舒适性方面具备显著优势，目前中国变频空调器销售占比已超过空调总量的60%。其中，空调变频压缩机广泛采用内置式永磁同步电机（Interior Permanent Magnet Synchronous Machine, IPMSM），以实现节能、小型化。
常规变频空调驱动器通常使用1000-5000F的电解电容保持母线电压恒定，并通过功率因数校正（Power Factor Correction, PFC）电路提高网侧输入功率因数，降低网侧输入电流谐波。然而电解电容寿命受工作温度影响大，温度每升高10℃其寿命将降低一半。而且PFC电路增加了驱动器成本，且存在运行不可靠的风险。目前电解电容失效已成为变频空调驱动器失效的主要原因之一。
为了提高系统运行可靠性，并降低成本，无电解电容驱动技术已引起了产业界和学术界的关注。文献[13-17]提出了一种无电解电容驱动器的电路拓扑，利用小容值薄膜电容替代大容值电解电容，取消了PFC电路，通过控制算法实现了网侧输入的高功率因数。但由于电路中存在LC谐振现象，导致网侧输入电流含有高频谐振分量。
文献[14]提出了利用网侧输入电压相位信息调整q轴电流指令，实现了网侧输入电流正弦化，但同时也导致了压缩机电流峰值增加，容易出现过电流故障等问题。文献[17]详细分析了网侧输入电流与电机功率之间的关系，通过增加控制环路对电机瞬时功率进行调节，并采用重复控制方法提升动态性能和功率因数。
文献[18]提出了一种网侧输入电流正弦化控制方法，并通过直接转矩控制减少控制环节数量，但是未考虑网侧输入电流和电机功率之间的影响，所以无法得到理想的网侧输入电流品质。文献[19]采用比例谐振控制器实现电机输出功率的闭环控制，提高了无电解电容驱动系统的性能。
文献[20]通过采用电压补偿的瞬时功率控制技术，有效降低了网侧输入电流谐波成分。然而该方法直接将补偿分量加到电机定子电压上，使得电机电流偏离指令值，难以确保电机电流值被限制在电机安全退磁电流范围以内。文献[21]提出了一种基于梯形波的q轴电流指令控制方式，降低了电机电流的峰值，但同时也增加了网侧输入电流谐波成分。
上述文献提出了多种有效的无电解电容电机驱动控制方法，但未对谐振现象的产生机理进行深入分析。
针对无电解电容电机驱动系统因LC谐振导致的网侧输入电流谐波问题，本文在分析谐振产生机理的基础上，提出一种采用微分反馈的谐振抑制控制策略。对谐振抑制机理进行理论分析，并对算法的实现方式进行研究。最后，在1.5匹（1匹=735W）空调实验平台对基于逆变器输出功率控制的微分反馈谐振抑制策略进行实验验证。
图7 实验用1.5匹无电解电容空调驱动器
本文提出了一种针对无电解电容电机驱动系统的网侧输入电流谐波抑制方法。通过采用基于微分反馈的谐振抑制策略，能够有效消除系统内部的振荡模态，减小了网侧输入电流谐波，提高了系统运行稳定性。该方法无需增加额外硬件，便能实现对LC谐振所导致的网侧输入电流谐波的有效抑制，使得网侧输入电流能够满足相关谐波标准。通过在变频空调上实验验证了本文所提控制策略的有效性。