抑制電流畸變的無(wú)橋PFC控制策略仿真研究

于龍飛 于志超 王朋輝

摘? 要：分析無(wú)橋整流電路因交流側(cè)升壓電感而產(chǎn)生的輸入電流過(guò)零點(diǎn)畸變現(xiàn)象，對(duì)基于dq坐標(biāo)變換的PI雙閉環(huán)控制策略進(jìn)行了研究。通過(guò)仿真實(shí)現(xiàn)基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq解耦的抑制輸入電流過(guò)零點(diǎn)畸變的改良型控制策略、驗(yàn)證控制性能，同時(shí)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比較，驗(yàn)證前者在抑制輸入電流過(guò)零點(diǎn)畸變的性能。

關(guān)鍵詞：無(wú)橋整流電路;dq變換;SOGI;輸入電流過(guò)零點(diǎn)畸變

中圖分類(lèi)號(hào)：TM46 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）05-0061-02

Abstract： The zero-crossing distortion of the input current due to the AC side boost inductor of the bridgeless rectifier circuit is analyzed， and the PI double closed-loop control strategy based on the dq coordinate transformation is studied. An improved control strategy based on the rotation coordinate system dq decoupling to suppress the input current zero-crossing distortion is verified through simulation， and the control performance is verified. At the same time， compared with the traditional control system， the former is verified to suppress the input current zero-crossing distortion performance.

Keywords： bridgeless rectifier circuit; dq transform; SOGI; input current zero crossing distortion

1 無(wú)橋PFC輸入電流過(guò)零點(diǎn)畸變分析

1.1 無(wú)橋整流電路拓?fù)浼肮ぷ鳡顟B(tài)分析

如圖1所示為單相無(wú)橋整流電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，與全橋整流電路相比，無(wú)橋整流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，全控器件數(shù)量?jī)H為前者的1/2。

在傳統(tǒng)的dq坐標(biāo)變換中，通過(guò)虛擬一個(gè)滯后90°的交流電壓電流，可以得到dq坐標(biāo)系下的電路模型：

（1）

1.2 輸入電流過(guò)零點(diǎn)畸變

無(wú)橋整流電路工作在單位功率因數(shù)時(shí)，因交流側(cè)升壓電感的存在，交流側(cè)合成電壓的相位始終滯后輸入電壓，因此在輸入電壓過(guò)零點(diǎn)到合成電壓過(guò)零點(diǎn)這段時(shí)間內(nèi)，電感電流的相位與合成電壓相反，但由于二極管整流的不可控，這種工作狀態(tài)實(shí)際上是不存在的，所以會(huì)產(chǎn)生輸入電流過(guò)零點(diǎn)畸變。

在整個(gè)工頻周期內(nèi)，輸入電流用分段函數(shù)表示如下：

2 控制算法結(jié)構(gòu)

2.1 基于dq坐標(biāo)變換的單相系統(tǒng)控制算法

本文通過(guò)坐標(biāo)變換，將交流電壓和電流通過(guò)坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髁?，進(jìn)行閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，構(gòu)成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用同步驅(qū)動(dòng)的方式驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管，實(shí)現(xiàn)控制策略。

可得如圖2所示的具體實(shí)現(xiàn)框圖，為實(shí)現(xiàn)單相系統(tǒng)dq坐標(biāo)變換，需設(shè)計(jì)虛擬電壓產(chǎn)生電路。在傳統(tǒng)dq解耦控制中，虛擬電壓的產(chǎn)生一般使用延時(shí)算法。該方法動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快，但穩(wěn)態(tài)性能不佳;而本文使用的是基于二階廣義積分的虛擬電壓產(chǎn)生電路。

在產(chǎn)生虛擬電壓之后，進(jìn)行dq坐標(biāo)變換的相位與頻率信息由鎖相環(huán)提供。根據(jù)dq變換后的模型設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)，電壓與電流控制器采用PI控制器，使輸出直流電壓穩(wěn)定在給定值附近。

2.2 針對(duì)輸入電流過(guò)零點(diǎn)畸變的控制算法

為抑制輸入電流過(guò)零點(diǎn)畸變，始終保持如圖3所示輸入電流Is*與交流側(cè)合成電壓Ucon*同相位，這樣不會(huì)發(fā)生輸入電流過(guò)零點(diǎn)畸變，但輸入電流Is*會(huì)滯后輸入電壓Us一個(gè)相角？漬。

即在鎖相控制電路中的相位信號(hào)中添加滯后環(huán)節(jié)，如圖4所示。

根據(jù)相量圖可得電感電流：

根據(jù)功率平衡可得：

由此得到輸入電流相位滯后于輸入電壓相位的相位角？漬的表達(dá)式如下：

可以看出滯后相角與升壓電感、輸入-輸出電壓比值以及電路負(fù)載有關(guān)，在實(shí)際的工作中，電路的輸入輸出電壓與升壓電感變化不大，而負(fù)載是波動(dòng)的，需要實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)才能得到良好的控制效果。

3 改進(jìn)型控制算法的仿真實(shí)現(xiàn)與對(duì)比

本文使用MATLAB/Simulink對(duì)控制算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真電路的具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

在如表1所示的設(shè)計(jì)參數(shù)下，傳統(tǒng)的控制策略可以使交流側(cè)電壓、電流相位一致，但會(huì)導(dǎo)致輸入電流過(guò)零點(diǎn)畸變，而在添加滯后環(huán)節(jié)后，可得仿真波形如圖5所示。

在改進(jìn)后，電流波形得到優(yōu)化，消除輸入電流過(guò)零點(diǎn)畸變現(xiàn)象，并且保持了較高的功率因數(shù)，輸入電流的THD降低至1.19。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)無(wú)橋整流電路的輸入電流過(guò)零點(diǎn)畸變，在dq坐標(biāo)變換中添加滯后環(huán)節(jié)，調(diào)整輸入電流相位與交流側(cè)合成電壓一致，在較高的功率因數(shù)下，解決了輸入電流過(guò)零點(diǎn)畸變的問(wèn)題。與傳統(tǒng)控制策略相比，更適于高功率因數(shù)、對(duì)電流波形與諧波含量要求較高的工作場(chǎng)合。

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