預(yù)測(cè)平均電流控制PFC Boost變換電路

葉滿園

（華東交通大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院，南昌 330013）

隨著變頻器、開關(guān)電源等各種電力電子設(shè)備在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛，電網(wǎng)的電流諧波問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，諧波污染給系統(tǒng)本身和周圍的電磁環(huán)境帶來(lái)了一系列的危害。因此功率因數(shù)校正（power factor correction，PFC）技術(shù)已成為電力電子技術(shù)領(lǐng)域一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。

目前，常用的功率因數(shù)矯正技術(shù)主要包括：電流峰值控制、電流滯環(huán)控制、平均電流控制、單周期控制、基于無(wú)差拍和預(yù)測(cè)的混合控制等[1-3]。文獻(xiàn)[4]對(duì)平均電流控制PFC Boost變換電路進(jìn)行了研究，但平均電流控制系統(tǒng)中因?yàn)椴捎昧顺朔ㄆ?，這會(huì)因?yàn)槌朔ㄆ鞯姆蔷€性失真而增加輸入電流的諧波含量；文獻(xiàn)[5]對(duì)單周期控制PFC Boost變換電路進(jìn)行了建模與仿真研究，但是單周期控制需要采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制，控制電路比較復(fù)雜。本文在分析比較了各種控制方法的基礎(chǔ)上，給出了一種新穎的預(yù)測(cè)平均電流控制（predictive averaged current control，PACC）策略，該策略采用了預(yù)測(cè)電流控制的思想和單周期控制策略的原理對(duì)PFC Boost變換電路進(jìn)行控制。該策略消除了傳統(tǒng)控制方法中的乘法器，并且無(wú)需檢測(cè)輸入電壓，無(wú)需內(nèi)環(huán)電流PI調(diào)節(jié)器。具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、輸入電流諧波成分低、適應(yīng)輸入電壓和負(fù)載變化范圍寬等優(yōu)點(diǎn)[6-8]。同時(shí)，仿真結(jié)果證明了該方法是正確可行的。

1 預(yù)測(cè)平均電流控制原理

根據(jù)功率因數(shù)的定義可知，要實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，必須滿足式（1），即

式中：為整流后電壓；為變換器的輸入端等效電阻；為電感電流函數(shù)，采用不同的控制方法，的表達(dá)式有所不同。

控制目標(biāo)是在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，使電感上的電流的平均值跟電感電流函數(shù)的平均值相同[6]。由于開關(guān)頻率比電網(wǎng)頻率大的多，我們假設(shè)在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)輸入和輸出電壓都為常數(shù)。故在Boost電路連續(xù)導(dǎo)通時(shí)，能夠在開關(guān)導(dǎo)通期間預(yù)測(cè)開關(guān)關(guān)斷期間電感電流的斜率，于是我們可以得到預(yù)測(cè)開關(guān)調(diào)制控制方程表達(dá)式[6]。

式（3）就是本文采用的一種新型控制策略，即預(yù)測(cè)平均電流控制技術(shù)的控制方程。當(dāng)Boost變換器在連續(xù)導(dǎo)通模式下，我們可以得到

將式（4）帶入到式（3）可得預(yù)測(cè)平均電流控制策略的載波函數(shù)表達(dá)式

根據(jù)上述分析，可以得出預(yù)測(cè)平均電流控制的單相PFC Boost功率因數(shù)校正器的控制框圖，如圖2所示。

2 仿真研究

為了驗(yàn)證預(yù)測(cè)平均電流PFC Boost變換器控制方法的正確性，本文利用Matlab仿真軟件下的Simulink和Simpowersystems工具箱對(duì)該電路進(jìn)行了建模和仿真研究，仿真模型圖及子模型封裝圖如圖3和圖4所示。

仿真參數(shù)為：交流電源Vs=220 V；交流電源頻率為50 Hz；IGBT的開關(guān)頻率為50 kHz；輸出電壓為400 V；負(fù)載電阻R=450 Ω；平波電感L1=2.5 mH；輸出濾波電容C=470 uF。檢測(cè)輸出電壓的分壓電阻R1=1 580 kΩ；R2=20 kΩ；電流采樣電阻Rs=0.02 Ω。系統(tǒng)仿真步長(zhǎng)h=10 us，仿真算法采用4階的龍格庫(kù)塔算法。圖5給出了交流側(cè)電壓、電流的仿真波形；圖6給出了輸入電流的頻譜含量波形圖；圖7給出了直流側(cè)電壓Vdc的電壓波形圖。

圖3的仿真模型圖中主要包括Simpowersystems工具箱中的交流電源模塊、通用橋式電路模塊（Universal Bridge）、開關(guān)器件IGBT模塊（IGBT）、二極管模塊（Diode）、電壓和電流檢測(cè)模塊等。其中通用橋模塊是一個(gè)封裝好的單項(xiàng)二極管橋式整流電路，Powergui模塊是用來(lái)對(duì)系統(tǒng)輸出電流做FFT分析的模型。

圖4給出了圖3中的脈沖生成電路的內(nèi)部封裝電路。由圖4可見(jiàn)，Rs上的檢測(cè)電壓V02與電壓參考值Vref進(jìn)行比較，然后經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)與三角載波進(jìn)行調(diào)制。三角載波發(fā)生器（Carry wave Generage）的輸出信號(hào)與檢測(cè)電壓V01進(jìn)行比較，比較結(jié)果作為S-R觸發(fā)器（S-R Flip-Flop）R端的控制信號(hào)，S-R觸發(fā)器的S端信號(hào)有時(shí)鐘模塊（Clock）提供。S-R觸發(fā)器的Q端輸出信號(hào)送給開關(guān)器件IGBT做為觸發(fā)脈沖信號(hào)，而S-R觸發(fā)器Qˉ端的信號(hào)送給載波發(fā)射器做為載波生成的控制信號(hào)。

圖5給出了基于預(yù)測(cè)平均電流控制策略下的PFC Boost變換器交流側(cè)輸入電壓和電流的仿真波形圖，從圖5中可以看出，電壓和電流能夠?qū)崿F(xiàn)同相位，這就說(shuō)明了預(yù)測(cè)平均電流控制策略能夠使得PFC Boost變換器實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行。另外由電流波形可以看出，交流側(cè)輸入電流基本上接近于正弦，這說(shuō)明了采用預(yù)測(cè)平均電流控制策略能夠使得交流側(cè)輸入電流的諧波失真（THD）很小，從而減少對(duì)電網(wǎng)的污染。

圖6給出了基于預(yù)測(cè)平均電流控制策略下的PFC Boost變換器在穩(wěn)態(tài)時(shí)的直流側(cè)電壓Vdc的仿真波形，由圖6看見(jiàn)，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)的直流側(cè)電壓Vdc能夠保持跟給定參考電壓相同，基本穩(wěn)定在400 V左右。

圖7給出了基于預(yù)測(cè)平均電流控制策略下的PFC Boost變換器電感電流的頻譜分析圖，圖7（a）為電感電流波形，圖7（b）為電廠電流的頻譜圖。從圖7可以看出，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的電感電流的諧波失真（THD=3.46%）很小，完全滿足電網(wǎng)對(duì)并網(wǎng)電流THD小于5%的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

本文紹了一種新穎的預(yù)測(cè)平均電流PFC Boost變換器控制策略，對(duì)其控制原理進(jìn)行了詳細(xì)分析，通過(guò)仿真研究表明，采用預(yù)測(cè)平均電流控制的PFC Boost變換器具有控制電路簡(jiǎn)單可靠、輸入功率因數(shù)高、電流諧波失真小、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，為有源功率因數(shù)校正提供了一種簡(jiǎn)單可行的控制方法。

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