電網(wǎng)供電的AC-DC-AC電壓源型逆變器因結構簡單、效率高、成本低，被廣泛應用于電機驅動系統(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導致驅動系統(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）電機驅動系統(tǒng)可有效解決上述問題，受到業(yè)內(nèi)專家和學者的廣泛關注。但薄膜電容容量大幅度減小后，ECL驅動系統(tǒng)存在嚴重的直流母線電壓波動，電機性能和電網(wǎng)電能質量極易受工況變化影響等問題。因此，為實現(xiàn)高性能控制，必須對ECL驅動系統(tǒng)的電路結構和控制策略展開深入研究。

目前，ECL驅動系統(tǒng)的研究主要分為兩類：第一類是仍采用傳統(tǒng)驅動系統(tǒng)結構，僅通過改進控制策略來抑制直流母線電壓的脈動，進而提高電機運行性能。

• 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”方法降低驅動系統(tǒng)脈動功率幅值，實現(xiàn)電機驅動系統(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動系統(tǒng)的性能，但電機轉矩脈動大的問題依然突出，且電網(wǎng)側電流諧波含量較大，因此僅適用于高轉速、大轉動慣量及對轉矩脈動要求低的場合。

第二類是在原有電機驅動系統(tǒng)上通過新增有源功率解耦電路（Active Power Decoupling Circuit, APDC）實現(xiàn)對電網(wǎng)脈動功率的控制，以期同時提高驅動系統(tǒng)電網(wǎng)側電能質量和電機性能。

• 有研究基于PWM整流器構建有源功率解耦電路，ECL電機驅動系統(tǒng)具有較好的綜合運行性能。但是，該系統(tǒng)存在器件多、控制難度大等問題，限制了實際應用。
• 有研究設計升壓型功率解耦電路，通過提高薄膜電容的工作電壓達到增加電容存儲脈動能力的目的。但該方法導致電機逆變器功率器件的電壓應力和系統(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，克服了前述文獻功率器件電壓應力大的問題，但新增加的濾波電感導致電機動態(tài)性能大幅度下降，且存在成本高、體積大的缺點。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動系統(tǒng)的綜合性能，但是電路結構及控制相對復雜，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，并構建對應的無電解電容驅動系統(tǒng)。由于采用輸入串聯(lián)、輸出并聯(lián)的特殊結構，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、功率器件電壓應力高的缺點。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制范圍，進一步提高驅動系統(tǒng)輸入側電能質量。

同時，將母線電壓交流分量的總諧波畸變（Total Harmonic Distortion, THD）引入至驅動系統(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，簡化了控制器的設計，并有效克服了轉速、負載變換情況下直流母線電壓欠電壓及過電壓問題，在確保驅動系統(tǒng)安全工作的基礎上，有效提升電機運行性能。分析了該功率解耦電路的工作原理，推導設計參數(shù)的理論計算。設計基于微升壓功率解耦電路的控制器，構建電機實驗平臺，驗證了ECL電機驅動系統(tǒng)的有效性。

圖1 微升壓有源功率解耦電路結構

圖9 ECL電機驅動系統(tǒng)整體控制策略

圖10 微升壓有源功率解耦電路

圖11 ECL電機實驗平臺

總結

本文提出了一種微升壓有源功率解耦電路，在此基礎上構建了ELC電機驅動系統(tǒng)。與現(xiàn)有系統(tǒng)（變頻器）相比，該系統(tǒng)功率器件電壓應力大幅度降低，進一步提高了驅動系統(tǒng)的可靠性。此外，較低的直流母線電壓有利于電機較低轉速區(qū)域性能的提高。因此，本文所研究的ECL驅動系統(tǒng)可替代現(xiàn)有產(chǎn)品應用于低速、低成本、高性能領域。該系統(tǒng)突出特點有：

• 1）本文提出的有源功率解耦電路在電機運行范圍內(nèi)均能維持電壓增益略大于1，有助于ECL驅動系統(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制范圍，有效改善ECL驅動系統(tǒng)輸入側電網(wǎng)電流的功率因數(shù)和THD，對應指標均滿足IEC 61000 3 2的相關要求。
• 3）有源功率電路可以有效降低直流母線電壓波動，為電機高性能運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的EMF，避免現(xiàn)有ECL系統(tǒng)在高速時電機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，實現(xiàn)ELC驅動系統(tǒng)的高性能動態(tài)運行。