直接功率控制的單相功率因數(shù)校正器

唐思文，李印龍，楊喜軍

(上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240)

0 引言

二極管整流橋后接濾波用電解電容，則無論后接何種負(fù)載，整個(gè)電路都屬于非線性負(fù)載[1]，使得網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低，諧波電流含量高，不符合諧波電流的標(biāo)準(zhǔn)[2－3]，為此需要采用有源功率因數(shù)校正(APFC)技術(shù)。單相APFC具有多種控制策略，如傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制，可以獲得良好的校正效果。但是對(duì)于雙閉環(huán)控制策略[4－6]，傳統(tǒng)電壓外環(huán)一般采用電壓誤差放大器，而不采用 PID調(diào)節(jié)器，其目的是為了穩(wěn)定輸出直流電壓。電壓誤差放大器的慣性較大，影響了雙閉環(huán)控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，不適用于快速負(fù)載變化的應(yīng)用場(chǎng)合。直接功率控制是一種根據(jù)功率需求的變化，實(shí)行砰砰控制，在三相PWM整流器[7]、三相有源濾波器等領(lǐng)域中得到了廣泛的研究，具有響應(yīng)快速的優(yōu)點(diǎn)。在單相有源PFC領(lǐng)域，尚沒有這方面應(yīng)用的先例?；谝陨峡紤]，本文提出了一種電壓平方外環(huán)的直接功率控制策略，克服了雙閉環(huán)控制中外環(huán)動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢的缺點(diǎn)，并且能獲得網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)和穩(wěn)定的直流輸出電壓，并通過MATLAB/Simulink的仿真分析，驗(yàn)證所提方案的正確性。

1 電路拓?fù)渑c工作原理

1.1 電路拓?fù)?/h3>

單相功率因數(shù)校正器的電路拓?fù)淙鐖D1所示，升壓電感L1、反向快速恢復(fù)二極管FRD1、斬波功率器件S1和電解電容E1構(gòu)成升壓電路;電阻R1為分流電阻，其端電壓反映升壓電感的瞬時(shí)電流;電阻R2為分流電阻，其端電壓反映負(fù)載的瞬時(shí)電流;電阻R3和R4為分壓電阻，分壓后可以得到反映網(wǎng)壓的正弦半波電壓;電阻R5和R6為分壓電阻，分壓后可以得到反映輸出電壓的電壓信號(hào)。

圖1 直接功率控制的單相APFC工作原理

1.2 控制原理

假定網(wǎng)側(cè)電壓方程為:

式中Uin為交流輸入電壓有效值。

假定得到的網(wǎng)側(cè)電流為純正弦波，其方程為:

式中Iin為交流輸入電流有效值。

功率開關(guān)S1只有兩種開關(guān)狀態(tài):

等效占空比函數(shù)為d。

輸出電壓的瞬時(shí)值為uout，平均值為Uout。當(dāng)忽略功率器件和分流電阻的壓降，Sd=1時(shí)，uS1=0;Sd=0時(shí)，uS1=uout。

根據(jù)APFC電路的工作原理，可得:

可以建立以下差分方程:

從平均角度，輸入功率等于輸出功率，

但是從瞬時(shí)角度，輸入功率不等于輸出功率，

對(duì)于采用雙閉環(huán)控制的傳統(tǒng)APFC而言，其電壓外環(huán)使用的目的是為了穩(wěn)定輸出電壓，一般采用電壓誤差放大濾波電路，響應(yīng)較慢，直接影響電流內(nèi)環(huán)的響應(yīng)速度。為此可以采用電壓平方外環(huán)，在電壓誤差小的情況下，可以得到較大的電壓平方誤差，進(jìn)而可以增加電流內(nèi)環(huán)的響應(yīng)速度。電壓平方可以看作具有“輸出功率”屬性，因此可以增加功率控制環(huán)，實(shí)現(xiàn)直接功率控制。

鑒于瞬時(shí)輸入功率不等于瞬時(shí)輸出功率，因此單相APFC的直接功率控制宜采用輸出功率，其直接功率控制原理如圖1的控制部分所示，其核心部分為控制程序部分。

電壓平方PI調(diào)節(jié)程序?qū)儆陔妷浩椒酵猸h(huán)，負(fù)責(zé)根據(jù)測(cè)量得到的直流輸出電壓瞬時(shí)值，對(duì)其求平方，然后將給定電壓(實(shí)際為已經(jīng)平方后得到的給定電壓)減去輸出電壓瞬時(shí)值的平方得到平方差，接著對(duì)平方差進(jìn)行比例積分調(diào)節(jié)(PI)，得到控制電壓平方的控制量，該控制量是反映輸出功率需求變化量的控制量，同時(shí)也是維持輸出電壓穩(wěn)定不變的控制量。

輸入電壓瞬時(shí)值計(jì)算程序負(fù)責(zé)根據(jù)測(cè)量得到的輸入電壓模擬量，轉(zhuǎn)換為電壓數(shù)字量。

輸出功率瞬時(shí)值計(jì)算程序負(fù)責(zé)將測(cè)量得到的輸出電壓有效值和輸出電流有效值進(jìn)行相乘，得到實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的當(dāng)前實(shí)際輸出功率。

輸出功率期望值計(jì)算程序負(fù)責(zé)將輸出功率瞬時(shí)值計(jì)算程序得到的當(dāng)前實(shí)際輸出功率和電壓平方PI調(diào)節(jié)程序輸出的反映輸出功率需求變化量的控制量相加，得到當(dāng)前需要從電網(wǎng)獲取的總功率需求，為直流量。

電感電流期望值計(jì)算程序是將當(dāng)前需要從電網(wǎng)獲取的總功率需求，除以輸入電壓瞬時(shí)值，得到輸入電流的瞬時(shí)值，即電流內(nèi)環(huán)的參考電流。該參考電流被送入電流PI調(diào)節(jié)程序。

電流PI調(diào)節(jié)程序?qū)⑸鲜鰠⒖茧娏鳒p去輸入電流檢測(cè)值，得到偏差電流，再進(jìn)行比例積分調(diào)節(jié)，得到最終類似倒正弦波的占空比函數(shù)，送入驅(qū)動(dòng)脈沖形成程序。

驅(qū)動(dòng)脈沖形成程序負(fù)責(zé)將得到的占空比函數(shù)轉(zhuǎn)換為原始PWM信號(hào)，該信號(hào)送入輔助電路的驅(qū)動(dòng)脈沖放大電路。

驅(qū)動(dòng)脈沖放大電路輸出具有驅(qū)動(dòng)能力的PWM脈沖，送入功率電路，驅(qū)動(dòng)第一功率器件的通斷運(yùn)行，最終完成PFC的功能。

2 仿真分析

根據(jù)圖1，利用MATLAB/Simulink建立了直接功率控制的單相APFC仿真電路，如圖2所示，并進(jìn)行了較為全面的仿真分析。

仿真參數(shù):單相輸入交流電壓有效值220 V，期望額定輸出直流電壓平均值為385 V，紋波電壓峰峰值為10 V。交流電容 C1為 0.47 μF，電感 L1為 0.5 mH，電解電容 E1為 1 410 μF，電阻R1、R2為 10 mΩ，R3、R4分別為 99 kΩ 和 1 kΩ，R5、R6分別為 222 kΩ和1 kΩ，參考電壓平方為 3 V2，開關(guān)頻率 35 kHz。

圖2 直接功率控制的單相APFC仿真電路

經(jīng)過反復(fù)的參數(shù)調(diào)整，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)，在任何輸出功率條件下，都可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流波形與電壓波形一致且同步，波形正弦度很高，說明獲得滿意的功率因數(shù)校正效果。當(dāng)輸出功率分別為1.0 kW、2.5 kW 時(shí)，網(wǎng)側(cè)電壓與電流的仿真波形分別如圖 3、圖4所示。

穩(wěn)態(tài)時(shí)，直流回路電壓的平均值為385 V，紋波電壓峰峰值為6 V，輸出功率2.5 kW時(shí)直流回路電壓波形如圖5所示。

圖3 穩(wěn)態(tài)時(shí)網(wǎng)側(cè)電壓與電流的仿真波形(1.0 kW)

圖4 穩(wěn)態(tài)時(shí)網(wǎng)側(cè)電壓與電流的仿真波形(2.5 kW)

圖5 直流回路電壓的仿真波形(2.5 kW)

直接功率控制的優(yōu)點(diǎn)就是對(duì)輸出功率變化的響應(yīng)速度較快。但是當(dāng)突加突瀉負(fù)載時(shí)，由于外環(huán)控制量突變，使得內(nèi)環(huán)電流的給定量同步上升，造成輸入過流。為了消除該缺陷，需要在電壓平方外環(huán)和功率外環(huán)的輸出增加阻尼環(huán)節(jié)，抑制內(nèi)環(huán)電流給定量的陡增。為此，仿真中增加了一個(gè)時(shí)間常數(shù)為0.03 s的一階慣性環(huán)節(jié)。

圖6和圖7分別給出了當(dāng)輸出功率由0.5 kW→1.0 kW→1.5 kW→2.0 kW→2.5 kW的網(wǎng)側(cè)電流波形和直流回路電壓波形，這是最嚴(yán)酷的情況。

顯然，負(fù)載突變時(shí)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較快，當(dāng)然其代價(jià)是負(fù)載突變后的前幾個(gè)周期中，輸入電流出現(xiàn)較大的變化率。由圖7可見，負(fù)載較重時(shí)，穩(wěn)定狀態(tài)下輸出電壓平均值維持在給定值附近，紋波峰峰值較大。負(fù)載較輕時(shí)，紋波峰峰值較小，但是平均值略有下降。其原因是，輕載下，輸出電壓誤差較小，外環(huán)產(chǎn)生的控制量偏低，致使電流內(nèi)環(huán)輸出的控制量偏低，APFC的整體占空比也就較低。

圖6 變載時(shí)網(wǎng)側(cè)電流的仿真波形

圖7 變載時(shí)直流回路電壓的仿真波形

3 結(jié)束語

提出一種基于電壓平方外環(huán)的APFC直接功率控制策略，外環(huán)采用誤差放大調(diào)節(jié)器，電流內(nèi)環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，提高了APFC系統(tǒng)的整體響應(yīng)速度。但是也會(huì)造成在負(fù)載突變情況下，輸入電流會(huì)出現(xiàn)電流尖峰，引起過流故障。為此，需要對(duì)電壓平方外環(huán)和直接功率控制外環(huán)采取阻尼措施，限制其輸出控制量的變化率，在快速性和不出現(xiàn)系統(tǒng)過流情況下獲得平衡。該結(jié)論得到了MATLAB/Simulink仿真分析結(jié)果的驗(yàn)證。

[1]林海雪，孫樹勤.電力網(wǎng)中的諧波[M].北京:中國電力出版社，1998.

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[3]IEC61000－3－12:2005，Electromagnetic compatibility(EMC)Part3－2:limits-limits for harmonic currents produced by equipment connected to public low－voltage systems with input current＞16 A and(75 A per phase[S].Switerland.IEC.

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[5]鄭越，張代潤(rùn)，石曉麗，等.雙環(huán)控制策略的有源功率因數(shù)校正電源研究[J].電源世界，2007，10(11):36 －39.

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