基于傳遞函數(shù)的APFC 控制策略研究

李 丹 張 超 蘭莎莎

（1、中國飛行試驗研究院改裝部，陜西 西安710000 2、中國飛行試驗研究院飛機所，陜西 西安710000）

1 概述

直接接入交流電網(wǎng)的無工頻變壓器開關(guān)電源是開關(guān)電源中應(yīng)用最為廣泛的一種。傳統(tǒng)的無工頻變壓器開關(guān)電源直接把交流電源進行整流后，再經(jīng)過DC/DC 變換和穩(wěn)壓措施得到所需的穩(wěn)定的直流輸出電壓。但是，由于整流環(huán)節(jié)后有大電容的存在，交流側(cè)只有在交流電壓大于直流電容兩端電壓時才有電流流過，所以交流輸入電壓是正弦波形，而輸入電流卻呈現(xiàn)脈沖狀。

輸入電流的嚴重畸變會對電網(wǎng)產(chǎn)生嚴重的諧波污染并且功率因數(shù)很低，這不僅影響了供電質(zhì)量、增加了電網(wǎng)損耗，而且嚴重時還可能造成某些設(shè)備不能正常工作、甚至損壞。隨著這些問題的出現(xiàn)，對于接入電網(wǎng)設(shè)備的功率因數(shù)和總諧波含量提出了很高的要求。提高開關(guān)電源的功率因數(shù)，不僅可以減小開關(guān)電源對電網(wǎng)的無功污染和諧波污染，提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量同時可以降低線路損耗、節(jié)約能源。因此，如何消除電源裝置中的諧波污染并提高其功率因數(shù)，已成為電力電子技術(shù)的一項重大課題[1]。

2 有源功率因數(shù)校正策略分析

有源功率因數(shù)校正的目的是輸入電流必須調(diào)節(jié)到同輸入電壓成正比，且相位差為零，即，使輸入阻抗呈純阻性，需要反饋信號來控制輸入電流。

2.1 平均電流控制Boost APFC 控制原理分析

本文研究的基于Boost 型APFC 電路的平均電流型控制則在圍繞升壓功率級的反饋環(huán)路中用一個放大器使輸入電流以極小的誤差跟蹤調(diào)節(jié)信號，達到高功率因數(shù)。平均電流控制Boost APFC 變換器的電路原理圖如圖1 所示。主電路由單相整流橋和Boost 變換器等組成；控制電路由輸入電壓調(diào)節(jié)器、輸出電壓調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、乘法器、PWM 調(diào)制器等組成。

平均電流控制Boost 型APFC 變換器控制電路主要是由電流環(huán)和電壓環(huán)組成的雙閉環(huán)系統(tǒng)。電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，它使輸入電流呈正弦波形；電壓環(huán)為外環(huán)，它使輸出電壓保持穩(wěn)定。

圖1 平均電流控制BoostAPFC 變換器電路原理圖

在閉環(huán)控制系統(tǒng)中電流環(huán)由電感電流采樣、電流調(diào)節(jié)器、PWM 調(diào)節(jié)器組成。主電路的輸出電壓Uo取樣和基準電壓比較后，輸入至輸出電壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生Uy。輸入電壓Uin檢測值經(jīng)輸入電壓調(diào)節(jié)器后產(chǎn)生的Ux與Uy共同加到乘法器輸入端，乘法器的輸出信號Uz作為電流內(nèi)環(huán)的反饋控制信號。電流環(huán)基準信號為雙半正弦波，它與電感電流IL比較后，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器后加到PWM 發(fā)生器產(chǎn)生PWM 信號，以控制Boost DC/DC 變換器中開關(guān)S 的通斷，從而使輸入電流的波形與輸入電壓的波形基本一致，并且同相位，使電流諧波大為減少，從而提高了功率因數(shù)。

2.2 傳遞函數(shù)及控制結(jié)構(gòu)

本文采用電流注入等效電路法[2]來建立Boost APFC 電路的小信號模型，并得出由控制到電感電流和由控制到輸出電壓的傳遞函數(shù)：

由自動控制原理可得出整體電路的控制結(jié)構(gòu)如圖2。整體為雙環(huán)結(jié)構(gòu)，外環(huán)為電壓環(huán)，用于使輸出直流電壓穩(wěn)在給定值；虛線框中為電流環(huán)，使電感電流跟隨雙半正弦波，提高電路功率因數(shù)。

圖2 整體電路控制結(jié)構(gòu)圖

電流控制環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為：

其中，UL為經(jīng)過整流橋后的電壓，即雙半正弦波；GCB（s）為電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)。

根據(jù)推導出的整體電路傳遞函數(shù)，使用Simulink 中的PID Controller 模塊中的tune 功能分別進行電流內(nèi)環(huán)及電壓外環(huán)PI參數(shù)的選取，并將該參數(shù)運用于Simulink 中搭建的Boost APFC電路中進行仿真。

本文所研究的單相Boost 有源功率因數(shù)校正電路，其技術(shù)指標為：

圖3 整體電路仿真模型

輸入電壓163V/400Hz，輸出功率1kW，輸出電壓350V,THD小于10%，功率因數(shù)達到0.98。主電路參數(shù)：升壓電感0.35mH，輸出電容0.3mF。

3 仿真結(jié)果與分析

為了驗證所建系統(tǒng)的穩(wěn)定性，仿真結(jié)果分析分為兩個部分：靜態(tài)結(jié)果分析和動態(tài)結(jié)果分析。

3.1 靜態(tài)分析

圖4(a)表示整流器前端的電壓電流波形。由圖可知，電壓、電流波形為嚴格的正弦波形，且為同頻同相，功率因數(shù)為0.988；輸入電流的總諧波畸變率為6.64%。輸入功率因數(shù)明顯提高，總諧波畸變率明顯減小。圖4(b)表示APFC 電路輸出電壓波形，輸出電壓穩(wěn)定在350V，紋波為0.77%。整體達到了技術(shù)指標要求。

圖4 APFC 電路輸入、輸出波形

3.2 動態(tài)分析

整個電路選擇在0.4s 時加載，為系統(tǒng)提供一定擾動。圖5為受到擾動后的輸入電壓、輸入電流波形以及輸出電壓波形。

圖5(a)表示動態(tài)過程中的整流器前端的電壓電流波形。由圖可知，0.4s前后電壓、電流波形為嚴格的正弦波形，且為同頻同相，0.4s 后輸入電流幅值增加，功率因數(shù)為0.981；輸入電流的總諧波畸變率7.71%。0.4s 后輸入功率因數(shù)有明顯提高，總諧波畸變率依然很小。圖5(b)表示APFC 電路輸出電壓波形，由圖可知，在0.4s 時電壓值有波動，但很快又穩(wěn)定在350V，穩(wěn)定后紋波為0.83%，整體達到了技術(shù)指標要求。

4 結(jié)論

本文基于Boost APFC 拓撲使用平均電流控制方法進行其控制策略的研究。分析了控制原理，并利用電流注入法對功率級電路進行了小信號建模，得出來由控制到電感電流和由控制到輸出電壓的傳遞函數(shù)，結(jié)合自動控制原理相關(guān)知識使用Simulink 工具得出電流環(huán)及電壓環(huán)的控制PI 參數(shù)，并搭建模型進行了仿真驗證。由靜態(tài)及動態(tài)仿真結(jié)果可知：該控制參數(shù)下的輸入電流波形是嚴格的正弦波，功率因數(shù)得到提高，諧波含量大大減少，整體滿足指標要求。

圖5 APFC 電路輸入、輸出波形(0.4s 加載)