学术简报｜基于预测控制的无电解电容功率变换器电机驱动系统
江苏大学电气信息工程学院的研究人员张超、胡鑫等，在2018年第24期《电工技术学报》上撰文，研究一种无电解电容功率解耦电路及对应的控制策略。该电路根据电网脉动功率和电机功率之间的关系，实现电网侧和电机侧功率解耦，有效抑制直流母线电压波动。
基于该电路工作特性，提出预测控制算法以提高无电解电容驱动系统的功率因数，并简化控制器设计。推导并分析电机转矩脉动的原因，提出一种主动阻尼算法抑制电机转矩脉动，进而提高系统的稳定性。构建基于该新型功率解耦电路的永磁同步电机驱动系统，通过仿真和实验，验证了理论分析的有效性和优越性。
交-直-交供电模式广泛应用于交流调速系统，为稳定直流母线电压，三相逆变器直流母线侧需并联几百至几千F的电解电容。然而，使用电解电容的电机驱动系统存在两个突出缺点：一是电容电解液随温度升高蒸发后，导致电容寿命缩短，继而造成驱动系统可靠性和寿命降低。据统计，全球60%的驱动系统故障是由电解电容损坏而导致的。二是该电容导致驱动系统输入电流断续，产生大量谐波，影响电能质量。因此，高可靠性并符合相关国际标准的无电解电容驱动系统成为当下的研究热点。
近年来，国内外学者关于无电解电容驱动系统的研究大致可分为两种：第一种是基于单相无电解电容驱动系统控制策略研究，即在单相交流电源供电下，直接将单相不控整流电路和三相电压源型逆变器之间的电容替换为容值为几十F的小电容。这种方案电路结构简单，但是存在功率因数低、直流母线电压波动大等缺点。
为解决功率因数低的问题，文献[9,10]在电机转速环与电流环之间加入了一个功率环，使用重复控制器对逆变器的理想输入功率进行跟踪，控制输入功率为2倍电网频率的正弦信号，输入电流因此能够跟踪输入电压的相位，提高了驱动系统的功率因数。
文献[10,11]通过比例谐振控制器实现了功率跟踪控制，并且运用逆变器功率补偿算法，进一步提高电网侧功率因数。然而，由于逆变器跟踪和补偿算法需要增加额外的控制环，增加了成本并且降低了驱动系统的整体稳定性。为克服这一问题，有学者提出了一种仅通过调节dq轴电流指令，实现高功率因数的控制策略。
但上述文献中驱动系统母线电压波动较为严重，导致电机性能下降。为此，有学者提出了母线电压波动抑制控制策略以提高电机性能。文献[13]在直接转矩控制策略下使用梯形波信号作为转矩参考值，减小了母线电压的峰峰值，部分抑制电机的转矩脉动。文献[14]采用了一种母线电压前馈补偿策略，使得母线电压一直大于电机的反电动势，解决了电压波动而导致的欠电压问题，保障了电机的平稳运行。
第二种方案在单相不控整流桥与逆变器之间添加一个功率解耦电路，通过改变驱动系统拓扑结构，以期兼顾无电解电容驱动系统多性能指标。文献[15]设计了一种类Z源的功率解耦电路，并通过谐波注入减小直流母线电压的波动量，然而其控制算法复杂且仅适用于高速大转矩场合。文献[16,17]在直流母线电容两端并联补偿器对电网输入、电机输出进行功率解耦，并提高直流母线电压的波谷值。但是，该驱动系统存在部分器件电压应力高、系统效率低等问题。
本文分析了一种单位电压增益的功率解耦电路。由于可实现较低的输出电压，显著降低无电解电容驱动系统中电机逆变器的成本。基于该电路，提出了功率因数校正的预测控制算法，相比传统的PI控制，具有响应速度快、不需要参数整定的优势。同时，该方法能够改善驱动系统输入电流的功率因数，减小谐波含量。提出一种主动阻尼方法，有效抑制母线电压波动造成电机转矩脉动的问题，确保了电机的平稳运行。最后，通过仿真和实验验证了本文无电解电容驱动控制系统的有效性。
图10 系统控制框图
本文在功率平衡理论的基础上介绍了一种新型功率解耦电路。首先分析了该电路的工作模式，基于该电路提出了预测控制算法，相比传统的PI控制，该算法不需要进行参数整定，且具有响应速度快的优点。其次，分析了无电解电容系统中母线电压波动和电机性能之间的关系，据此提出主动阻尼控制策略，有效抑制永磁同步电机转矩脉动，提高系统的稳定性。仿真和实验结果验证了本文提出的无电解电容驱动系统的有效性。