無(wú)橋PFC新型控制算法

王 暢，王 聰，王克峰，程 紅，楊 亮

(1．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京100083;2．中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京100192)

無(wú)橋PFC新型控制算法

王 暢1，王 聰1，王克峰1，程 紅1，楊 亮2

(1．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京100083;2．中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京100192)

針對(duì)無(wú)橋功率因數(shù)校正(PFC)電路在傳統(tǒng)控制算法下，由于升壓電感位于電網(wǎng)交流側(cè)而存在輸入電流過(guò)零點(diǎn)畸變問(wèn)題，提出了一種新的高功率因數(shù)控制策略。在新控制策略下，避免了無(wú)橋PFC電路在輸入電壓過(guò)零點(diǎn)處輸入電流畸變，同時(shí)使輸入端達(dá)到很高的功率因數(shù)。論文詳細(xì)分析了傳統(tǒng)控制算法下無(wú)橋PFC輸入電流過(guò)零點(diǎn)畸變的原因，推導(dǎo)了輸入電流畸變的時(shí)間范圍，討論了影響輸入電流THD的相關(guān)因素，然后比較了兩種控制策略下電源的PF值和輸入電流THD，最后通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新型控制策略在抑制電流諧波畸變率方面的正確性和優(yōu)越性。

無(wú)橋PFC;控制算法;THD

1 引言

隨著電力電子裝置的大量使用，電網(wǎng)中的諧波和無(wú)功功率污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，不僅降低了電能質(zhì)量，還威脅著電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞設(shè)備，甚至造成電力系統(tǒng)事故［1，2］。功率因數(shù)校正技術(shù)可以減少網(wǎng)側(cè)電流諧波含量，提高電源的功率因數(shù)，是電網(wǎng)供用電設(shè)備中不可或缺的組成部分［3，4］。其中Boost變換器因其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、變換效率高、控制策略容易等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作電源功率因數(shù)校正電路［5，6］。傳統(tǒng)Boost功率因數(shù)校正電路由于整流橋的存在而無(wú)法進(jìn)一步提高整機(jī)的效率，特別在低壓大電流的場(chǎng)合，存在開(kāi)關(guān)器件發(fā)熱嚴(yán)重、電感體積急劇增加、變換器效率和功率密度嚴(yán)重下降等問(wèn)題［7，8］。無(wú)橋Boost變換器取消了輸入的整流橋，減少了電流導(dǎo)通路徑中半導(dǎo)體的數(shù)量，有效地減少了開(kāi)關(guān)損耗，提高了系統(tǒng)的效率，同時(shí)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)方便而成為了近幾年的研究熱點(diǎn)［9，10］。但是在傳統(tǒng)控制策略下，由于無(wú)橋PFC升壓電感位于交流網(wǎng)側(cè)和二極管單向?qū)◣?lái)的電流方向不可控性，使其輸入電流在輸入交流電壓過(guò)零點(diǎn)附近產(chǎn)生不可避免的畸變，特別在低壓大電流的情況下畸變程度加重。本文提出一種新的無(wú)橋PFC電源控制策略，一方面消除了傳統(tǒng)控制策略下電流過(guò)零點(diǎn)畸變問(wèn)題，另一方面保證了較高的電源功率因數(shù)。

2 煤礦井下無(wú)橋PFC電路分析

2.1 PFC電路分析

圖1為無(wú)橋PFC變換器主電路。為了分析方便做如下假設(shè):①所有器件均為理想元件;②功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)高于輸入電壓的頻率，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)二極管整流電路直流側(cè)電壓近似不變;③輸出電容足夠大，直流輸出電壓近似不變。

圖1 無(wú)橋PFC電路拓?fù)鋱DFig．1 Bridgeless PFC topology

圖2為無(wú)橋PFC變換器電路的等效電路圖。電路工作過(guò)程中，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管(S1，S2)有4種可能的工作狀態(tài)，即:(1，1)，(0，1)，(1，0)，(0，0)，其中“1”表示導(dǎo)通，“0”表示截止。

圖2 無(wú)橋PFC電路等效電路圖Fig．2 Equivalent circuit of bridgeless PFC

(1)在輸入交流電壓和電流正半周

1)模態(tài)一(S1，S2)=(1，1)或(1，0)

開(kāi)關(guān)管S1導(dǎo)通，S2導(dǎo)通或關(guān)斷。電路電流流經(jīng)電感L、開(kāi)關(guān)管S1和開(kāi)關(guān)管S2回到電源負(fù)極。無(wú)橋PFC整流橋交流側(cè)等效電壓ucon等于0。

2)模態(tài)二(S1，S2)=(0，1)或(0，0)

開(kāi)關(guān)管S1關(guān)斷，S2導(dǎo)通或關(guān)斷。電路電流流經(jīng)二極管D1對(duì)電容C和電阻R供電;然后經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)管S2、電感L直接回到電源負(fù)極。無(wú)橋PFC整流橋交流側(cè)等效電壓ucon等于1pu。

(2)在輸入交流電壓和電流負(fù)半周

1)模態(tài)三(S1，S2)=(1，1)或(0，1)

開(kāi)關(guān)管S1導(dǎo)通或關(guān)斷，S2導(dǎo)通。電路電流流經(jīng)開(kāi)關(guān)管S2、開(kāi)關(guān)管S1、電感L回到電源正極。無(wú)橋PFC整流橋交流側(cè)等效電壓ucon等于0。

2)模態(tài)四(S1，S2)=(0，0)或(1，0)

開(kāi)關(guān)管S1導(dǎo)通或關(guān)斷，S2關(guān)斷。電路電流經(jīng)過(guò)二極管D2對(duì)電容C和電阻R供電，然后經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)管S1、電感L直接回到電源正極。無(wú)橋PFC整流橋交流側(cè)等效電壓ucon等于－1pu。

2.2 PFC電流分析

圖3為無(wú)橋PFC滿足單位功率因數(shù)整流時(shí)圖1所示電路對(duì)應(yīng)的相量圖。由圖3可知，無(wú)橋PFC單位功率因數(shù)運(yùn)行時(shí)，電感電流與電源電壓同相位，無(wú)橋H橋輸入端交流電壓必須滯后于電感電流。按照此相位關(guān)系可知，在輸入交流電壓過(guò)零點(diǎn)到無(wú)橋H橋輸入端電壓過(guò)零點(diǎn)的一定時(shí)間段，電感電流和各級(jí)聯(lián)二極管H橋輸入端交流電壓方向相反。但由于二極管的不可控性，這種工作狀態(tài)不存在。例如當(dāng)輸入交流電壓為正、電感電流為正方向時(shí)，無(wú)橋整流橋交流側(cè)兩端電壓只能為正電平或者零電平，而無(wú)法輸出負(fù)電平。因此在此區(qū)間內(nèi)無(wú)橋H橋交流側(cè)兩端電壓只能輸出零電平，即無(wú)橋電路開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通。

圖3 傳統(tǒng)控制算法下無(wú)橋PFC相量圖Fig．3 Conventional phase diagram of PFC topology

當(dāng)無(wú)橋H橋交流側(cè)電壓等于零時(shí)，電感電流相位和電源電壓相位不再相同，而是滯后電源電壓90°。由于電感電流不能突變，電感電流緩慢上升，其波形如圖4所示。因此輸入單位功率因數(shù)條件下，電感電流在輸入交流電壓過(guò)零點(diǎn)后，輸入電流波形不可避免地產(chǎn)生畸變。為了計(jì)算方便，令輸入電壓，則電感電流表達(dá)式為:

圖4 傳統(tǒng)控制算法下無(wú)橋PFC波形圖Fig．4 Waveforms under traditional algorithm

由以上分析可知，無(wú)橋結(jié)構(gòu)在本質(zhì)上無(wú)法達(dá)到單位功率因數(shù)。若強(qiáng)迫使電感電流與輸入電壓同相位，電感電流在輸入交流電壓過(guò)零點(diǎn)處必然會(huì)產(chǎn)生較大的畸變。

根據(jù)控制策略相量圖可得電感電流:

根據(jù)系統(tǒng)功率平衡可得:

整理式(3)可得:

將式(4)代入式(2)，整理后即可得到電感電流在輸入交流電壓過(guò)零點(diǎn)后發(fā)生畸變的角度表達(dá)式:

整理式(5)得到電感電流發(fā)生畸變的時(shí)間t0表達(dá)式:

結(jié)合式(1)、式(4)、式(6)和圖4得到工頻周期內(nèi)電感電流表達(dá)式:

3 無(wú)橋PFC新型控制算法

為了解決無(wú)橋結(jié)構(gòu)滿足單位功率因數(shù)的過(guò)程中電感電流畸變的問(wèn)題，提出一種新的控制策略，即在負(fù)載變化過(guò)程中始終保持電感電流IL與無(wú)橋整流器交流側(cè)電壓Ucon同相位，其相量圖如圖5所示。按此相量圖進(jìn)行控制，在交流側(cè)電壓過(guò)零點(diǎn)附近，輸入電流波形不會(huì)發(fā)生畸變。但是電感電流會(huì)滯后電源電壓Us一個(gè)角度φ。隨著負(fù)載的增加，滯后的角度φ也會(huì)增大。其電壓電流波形如圖6所示。

圖5 新型控制算法下無(wú)橋PFC相量圖Fig．5 New phase diagram of PFC topology

圖6 新型控制算法下PFC波形圖Fig．6 Waveforms under new algorithm

根據(jù)新的控制策略相量圖可得電感電流:

根據(jù)系統(tǒng)功率平衡可得:

整理式(9)可得:

將式(10)代入式(8)，整理后即可得到電感電流相位滯后于輸入電壓相位的角度的表達(dá)式:

由式(11)可知，滯后角度與升壓電感值、直流升壓比及負(fù)載電導(dǎo)成正比。在實(shí)際應(yīng)用中，電感一般不變，而負(fù)載與輸入電壓均是波動(dòng)的，所以需要實(shí)時(shí)測(cè)量來(lái)滿足控制的需求。

4 無(wú)橋PFC控制算法對(duì)比

4.1 控制算法對(duì)比

傳統(tǒng)PFC變換器中，控制器能夠隨著負(fù)載的變化調(diào)整輸入電流的相位，使其相位始終與整流器輸入電壓相位保持相同。同時(shí)通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通占空比的調(diào)節(jié)，使其輸出直流電壓相等且等于給定值。其控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖7所示。

圖7 傳統(tǒng)控制算法結(jié)構(gòu)圖Fig．7 Traditional control algorithm

根據(jù)傳統(tǒng)PFC電路控制策略，輸入電流跟隨輸入電壓的變化而變化，在調(diào)節(jié)過(guò)程中，勢(shì)必在電壓過(guò)零點(diǎn)后電感電流產(chǎn)生一定程度的畸變。

針對(duì)PFC變換器提出一種基于電壓反饋的直流電壓和電源高功率因數(shù)的控制方案?？刂瓶驁D如圖8所示。

圖8 新控制算法結(jié)構(gòu)圖Fig．8 New control algorithm

各級(jí)聯(lián)單元調(diào)制比配置方法如下:輸出實(shí)際電壓與給定電壓相比較，經(jīng)過(guò)電壓PI調(diào)節(jié)器，再乘以移相后的輸入電壓us，將得到的電流瞬時(shí)給定值與實(shí)際電流值相比較，經(jīng)過(guò)電流PI調(diào)節(jié)器，就得到調(diào)節(jié)輸出電壓總和的占空比d。其中電源電壓的移相角度，即滯后角度由式(11)計(jì)算得出。

4.2 功率因數(shù)、諧波對(duì)比

傳統(tǒng)控制算法下，輸入電流的相位與輸入交流電壓相位相同。對(duì)輸入電流表達(dá)式(7)進(jìn)行分別求解其視在功率和有功功率:

由式(6)、式(12)～式(15)以及諧波計(jì)算表達(dá)式和功率計(jì)算式可得輸入電流畸變率和輸入端功率因數(shù)，傳統(tǒng)控制算法下輸入電流畸變率隨負(fù)載變化趨勢(shì)如圖9所示。由式(11)～式(14)可得傳統(tǒng)算法及新型控制算法下電源輸入功率因數(shù)變化趨勢(shì)圖，如圖10所示。圖中實(shí)線為傳統(tǒng)算法PF值，分離點(diǎn)為新型算法PF值。

圖9 傳統(tǒng)控制算法電流畸變率變化曲線Fig．9 THD curves of traditional control algorithm

由圖9可知，傳統(tǒng)控制算法下，輸入電流畸變率隨負(fù)載的加重和輸入電感的增加而加大，而新型控制算法下，輸入電流畸變率幾乎等于零。由圖10可知，傳統(tǒng)控制算法和新型控制算法下，無(wú)橋PFC電路的輸入功率因數(shù)隨著負(fù)載的加重和輸入電感的增加而增大;同時(shí)相同輸入電感和負(fù)載的情況下，新型控制算法的輸入功率因數(shù)大于傳統(tǒng)控制算法下輸入功率因數(shù)。

由此可知，新型控制算法提高了輸入功率因數(shù)，同時(shí)大大降低了輸入電流的畸變率。

圖10 傳統(tǒng)控制算法及新型控制算法PF變化曲線Fig．10 PF curves of new control algorithm and traditional control algorithm

5 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)用Matlab仿真軟件，對(duì)無(wú)橋PFC整流電路拓?fù)溥M(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證新控制策略的可行性，同時(shí)對(duì)傳統(tǒng)控制策略和新控制策略進(jìn)行對(duì)比，仿真電路參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 級(jí)聯(lián)二極管橋整流拓?fù)渥儞Q器仿真參數(shù)Tab．1 Parameters of AC-DC converter

在傳統(tǒng)的采用無(wú)滯后角的控制策略下，電感電流相位與輸入交流電壓相位相同，但其波形在輸入交流電壓過(guò)零點(diǎn)后產(chǎn)生畸變，如圖11所示。采用增加滯后角的控制策略后，電感電流相位滯后于輸入交流電壓相位，但其波形接近于正弦波，如圖12所示。通過(guò)文中所給的電壓控制策略，電容直流電壓與給定值相等，如圖13所示。仿真驗(yàn)證了新型拓?fù)涞目尚行院涂刂撇呗缘恼_性。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證控制算法的正確性以及仿真結(jié)果的有效性，建立了無(wú)橋PFC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)以TMS320F2812DSP為核心芯片構(gòu)成控制器。實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)為:交流電源電壓220V，輸出直流電容2200μF，模塊負(fù)載15Ω，開(kāi)關(guān)頻率10kHz。電感值L=0.5mH。

圖14為采用傳統(tǒng)控制策略時(shí)，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在輸出直流電壓220V情況下，輸入交流電壓和電感電流波形圖。由圖可知，輸入交流電壓和輸入電流的相位相同，但在輸入交流電壓過(guò)零點(diǎn)后發(fā)生一定程度的畸變。

圖15為采用增加滯后角控制策略后的輸入交流電壓和電感電流波形圖。由圖可知，電感電流波形接近正弦波，電感電流相位滯后于輸入交流電壓相位。圖中陰影部分得出電感電流波形在輸入交流電壓過(guò)零點(diǎn)后無(wú)畸變。經(jīng)數(shù)字測(cè)量?jī)x得出其功率因數(shù)等于0.985，電流畸變率THD=2%。

圖11 傳統(tǒng)控制算法輸入電壓和電流仿真波形Fig．11 Input voltage and current waveforms under traditional control algorithm

圖12 新控制算法輸入電壓和電流仿真波形Fig．12 Input voltage and current simulation waveforms under new control algorithm

圖13 新控制算法輸出電容直流電壓仿真波形Fig．13 Output voltage simulation waveform

圖14 傳統(tǒng)控制算法輸入電壓和輸入電流波形Fig．14 Input voltage and current waveforms

圖15 新控制算法輸入電壓和輸入電流波形Fig．15 Input voltage and current waveforms

6 結(jié)論

針對(duì)無(wú)橋PFC整流電路在傳統(tǒng)控制算法下在交流電壓過(guò)零點(diǎn)附近輸入電流畸變的問(wèn)題，提出了新型控制算法，即在傳統(tǒng)控制策略中加入電流滯后控制環(huán)節(jié)，使電感電流滯后于電源電壓，從而解決電感電流過(guò)零點(diǎn)畸變的問(wèn)題，同時(shí)系統(tǒng)還具有較高的功率因數(shù)。新型控制策略使得無(wú)橋PFC整流電路在要求低諧波畸變率、高功率因數(shù)的場(chǎng)合更加具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值和前景。

［1］謝苗苗(Xie Miaomiao)．基于Android平臺(tái)的煤礦井下電力諧波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究(Study on monitoring system of underground coal mine electric power harmonic based on Android platform)［J］．煤炭工程(Coal Engineering)，2014，46(11):144-146．

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New control algorithm of bridgeless PFC

WANG Chang1，WANG Cong1，WANG Ke-feng1，CHENG Hong1，YANG Liang2
(1．School of Mechanical Electronic＆Information Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China;2．China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China)

A new high power factor control strategy is discussed with the aim of avoiding the distortion problem of input current of bridgeless PFC when the input voltage is crossing zero line due to the boost inductor on the AC side of the grid．Under the new control strategy input current distortion is avoided and high power factor is achieved．The reasons of the distortion are discussed．The input current THD and PF expressions are derived．The performance of the novel control strategy is investigated through experiment and simulation．

bridgeless PFC;control algorithm;THD

TM46

:A

:1003-3076(2015)11-0018-06

2015-01-08

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51077125)

王 暢(1985-)，男，河南籍，博士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng);

王 聰(1955-)，男，北京籍，教授，博士，研究方向?yàn)檐涢_(kāi)關(guān)電力電子變換技術(shù)。