電網(wǎng)供電的AC-DC-AC電壓源型逆變器因結(jié)構(gòu)簡單、效率高、成本低，被廣泛應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。此類逆變器采用大容量電解電容作為系統(tǒng)功率解耦器件，具有穩(wěn)定的直流母線電壓。然而，電解電容固有的缺點(diǎn)導(dǎo)致驅(qū)動系統(tǒng)故障率居高不下。

采用小容量薄膜電容替代電解電容的無電解電容（Electrolytic Capacitor-Less, ECL）電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)可有效解決上述問題，受到業(yè)內(nèi)專家和學(xué)者的廣泛關(guān)注。但薄膜電容容量大幅度減小后，ECL驅(qū)動系統(tǒng)存在嚴(yán)重的直流母線電壓波動，電機(jī)性能和電網(wǎng)電能質(zhì)量極易受工況變化影響等問題。因此，為實(shí)現(xiàn)高性能控制，必須對ECL驅(qū)動系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)和控制策略展開深入研究。

目前，ECL驅(qū)動系統(tǒng)的研究主要分為兩類：第一類是仍采用傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，僅通過改進(jìn)控制策略來抑制直流母線電壓的脈動，進(jìn)而提高電機(jī)運(yùn)行性能。

• 有研究向電網(wǎng)注入3次諧波電流，通過降低電網(wǎng)功率脈動抑制直流母線電壓脈動。
• 有研究分別利用“平均電壓約束”和“阻尼電流注入”方法降低驅(qū)動系統(tǒng)脈動功率幅值，實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)母線電壓脈動的抑制。此方法雖可在一定程度上提高無電解電容驅(qū)動系統(tǒng)的性能，但電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動大的問題依然突出，且電網(wǎng)側(cè)電流諧波含量較大，因此僅適用于高轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)動慣量及對轉(zhuǎn)矩脈動要求低的場合。

第二類是在原有電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)上通過新增有源功率解耦電路（Active Power Decoupling Circuit, APDC）實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)脈動功率的控制，以期同時(shí)提高驅(qū)動系統(tǒng)電網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量和電機(jī)性能。

• 有研究基于PWM整流器構(gòu)建有源功率解耦電路，ECL電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)具有較好的綜合運(yùn)行性能。但是，該系統(tǒng)存在器件多、控制難度大等問題，限制了實(shí)際應(yīng)用。
• 有研究設(shè)計(jì)升壓型功率解耦電路，通過提高薄膜電容的工作電壓達(dá)到增加電容存儲脈動能力的目的。但該方法導(dǎo)致電機(jī)逆變器功率器件的電壓應(yīng)力和系統(tǒng)成本增加。
• 有研究基于Buck變換器提出降壓型功率解耦電路，克服了前述文獻(xiàn)功率器件電壓應(yīng)力大的問題，但新增加的濾波電感導(dǎo)致電機(jī)動態(tài)性能大幅度下降，且存在成本高、體積大的缺點(diǎn)。此外，基于Z源逆變器、多端口電路的有源功率解耦電路雖然能夠改善無電解電容驅(qū)動系統(tǒng)的綜合性能，但是電路結(jié)構(gòu)及控制相對復(fù)雜，均存在可靠性低、成本較高、功率密度低、效率低、動態(tài)性能差等一系列問題。

本文提出一種微升壓有源功率解耦電路，并構(gòu)建對應(yīng)的無電解電容驅(qū)動系統(tǒng)。由于采用輸入串聯(lián)、輸出并聯(lián)的特殊結(jié)構(gòu)，該有源功率解耦電路電壓增益近似為1，克服了現(xiàn)有升壓型解耦電路成本高、功率器件電壓應(yīng)力高的缺點(diǎn)。與傳統(tǒng)Boost電路相比，較低電壓增益下該有源功率解耦電路功率器件擁有更寬的占空比調(diào)制范圍，進(jìn)一步提高驅(qū)動系統(tǒng)輸入側(cè)電能質(zhì)量。

同時(shí)，將母線電壓交流分量的總諧波畸變（Total Harmonic Distortion, THD）引入至驅(qū)動系統(tǒng)控制中，將功率因數(shù)控制（Power Factor Correction, PFC）、母線電壓控制合二為一，簡化了控制器的設(shè)計(jì)，并有效克服了轉(zhuǎn)速、負(fù)載變換情況下直流母線電壓欠電壓及過電壓問題，在確保驅(qū)動系統(tǒng)安全工作的基礎(chǔ)上，有效提升電機(jī)運(yùn)行性能。分析了該功率解耦電路的工作原理，推導(dǎo)設(shè)計(jì)參數(shù)的理論計(jì)算。設(shè)計(jì)基于微升壓功率解耦電路的控制器，構(gòu)建電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺，驗(yàn)證了ECL電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的有效性。

圖1 微升壓有源功率解耦電路結(jié)構(gòu)

圖9 ECL電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)整體控制策略

圖10 微升壓有源功率解耦電路

圖11 ECL電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺

總結(jié)

本文提出了一種微升壓有源功率解耦電路，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了ELC電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。與現(xiàn)有系統(tǒng)（變頻器）相比，該系統(tǒng)功率器件電壓應(yīng)力大幅度降低，進(jìn)一步提高了驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性。此外，較低的直流母線電壓有利于電機(jī)較低轉(zhuǎn)速區(qū)域性能的提高。因此，本文所研究的ECL驅(qū)動系統(tǒng)可替代現(xiàn)有產(chǎn)品應(yīng)用于低速、低成本、高性能領(lǐng)域。該系統(tǒng)突出特點(diǎn)有：

• 1）本文提出的有源功率解耦電路在電機(jī)運(yùn)行范圍內(nèi)均能維持電壓增益略大于1，有助于ECL驅(qū)動系統(tǒng)成本、體積的降低。
• 2）較低電壓增益工況下，該解耦電路具有更寬的占空比調(diào)制范圍，有效改善ECL驅(qū)動系統(tǒng)輸入側(cè)電網(wǎng)電流的功率因數(shù)和THD，對應(yīng)指標(biāo)均滿足IEC 61000 3 2的相關(guān)要求。
• 3）有源功率電路可以有效降低直流母線電壓波動，為電機(jī)高性能運(yùn)行提供良好的工作條件。此外，直流母線的最低工作電壓大于電機(jī)的EMF，避免現(xiàn)有ECL系統(tǒng)在高速時(shí)電機(jī)弱磁控制造成的系統(tǒng)效率下降。
• 4）將母線電壓交流分量THD引入驅(qū)動系統(tǒng)控制器，在變速、變載工況下仍然能維持直流母線電壓穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)ELC驅(qū)動系統(tǒng)的高性能動態(tài)運(yùn)行。