基于抗飽和積分的APFC仿真研究

李 明，莘煒杰，于千越，盧建寧，趙梓羽

（上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，上海 201418）

0 引 言

電力電子器件中，開關(guān)電源多數(shù)是通過整流器與電力網(wǎng)相接[1]。在傳統(tǒng)的整流技術(shù)中，輸入電流含有高次諧波，功率因數(shù)無法調(diào)整，會(huì)降低電網(wǎng)的傳輸效率。無源功率因數(shù)校正（Power Factor Correction，PFC）和有源功率因數(shù)校正（APFC）這兩種新技術(shù)都可以消除電力系統(tǒng)的諧波。無源功率校正技術(shù)通過主電路中串入無源LC濾波器，但濾波效果不能保證，動(dòng)態(tài)特性較差，只能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)提高到0.7～0.8，一般應(yīng)用在中小型電源裝置[2]。有源功率因數(shù)校正（APFC）技術(shù)為了實(shí)現(xiàn)輸入電流與輸入電壓的同頻同相，一個(gè)DC/DC開關(guān)變換器被放置在整流器和濾波電路之間，從而達(dá)到了抑制諧波的產(chǎn)生和提高功率因數(shù)的作用。由于具有電壓反饋電路，可以更好地輸出直流電壓[3,4]。

控制器的Windup問題一般被認(rèn)為是當(dāng)控制器輸出和輸入之間存在飽和非線性特性時(shí)，產(chǎn)生于PID控制器積分部分的一種不良現(xiàn)象[5]。由于在系統(tǒng)調(diào)試過程中大都以小信號(hào)作為系統(tǒng)的調(diào)試信號(hào)，所以造成設(shè)計(jì)者對(duì)飽和特性非線性的認(rèn)識(shí)不足而忽略了它的存在[6]。在實(shí)際過程中，當(dāng)有大信號(hào)輸入或其他情況使控制系統(tǒng)進(jìn)入飽和狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)性能產(chǎn)生較大的降低，無法滿足要求。因此，引入適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償環(huán)節(jié)，使控制系統(tǒng)在出現(xiàn)飽和現(xiàn)象時(shí)仍然達(dá)到較好指標(biāo)，Anti-Windup技術(shù)已成為具有飽和特性的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本思路[7-9]。

1 基于Anti-Windup的APFC電路

1.1 Boost型APFC電路的主要參數(shù)計(jì)算

單相Boost型APFC電路的主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 APFC電路的主要性能指標(biāo)

1.1.1 升壓電感

（1）輸入電壓取最小值時(shí)，輸入電流取得最大峰值為：

式中，令PIN=Po。

（2）紋波系數(shù)取20%，即允許電感電流有20%的波動(dòng)：

（3）因?yàn)檩敵鲭妷菏呛愣ǖ模虼?，?yīng)在最小輸入電壓的峰值點(diǎn)處計(jì)算占空比為：

（4）計(jì)算升壓電感值為：

在本設(shè)計(jì)中升壓電感L取值為253 μH。

1.1.2 輸出電容C

采用按維持時(shí)間Δt來計(jì)算輸出電容值C的計(jì)算公式為：

1.2 基于Anti-Windup的PI控制器

基于Anti-Windup的PI控制器結(jié)構(gòu)如圖1所示。抗飽和積分是把計(jì)算的控制量超出其限幅范圍的偏差值通過反饋進(jìn)入積分器，從而迫使控制量返回到限幅值之內(nèi)[10]。當(dāng)電路的輸出超過上限，可以對(duì)PI控制器的積分部分進(jìn)行及時(shí)的控制，解決調(diào)節(jié)器飽和引起的非線性問題，加強(qiáng)抵抗噪聲的能力，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，有利于實(shí)現(xiàn)高頻率控制和提高功率密度[11,12]。

造成Windup現(xiàn)象的原因就是由于限幅使控制器的輸出un與被控對(duì)象的輸入us不等（un≠us），若將二者之差作為反饋信號(hào)構(gòu)成反饋支路來加以消除，就達(dá)到了抑制Windup現(xiàn)象的目的。針對(duì)PID控制器，消除積分飽和作用就是Anti-Windup算法的主要目的[13]。如下是抗飽和積分控制算法，積分項(xiàng)的自適應(yīng)調(diào)整通過系數(shù)η來實(shí)現(xiàn)，其自適應(yīng)變化率為：

式中，=(umin+umax)/2，α＞0，作為控制輸入信號(hào)的最大值umax，和控制輸入信號(hào)的最小值umin。基于Anti-windup的PI控制算法限幅前可控制輸入為：

限幅后控制輸入為：

當(dāng)un值超出飽和限幅時(shí)，由飽和限幅器的輸入與輸出的差值產(chǎn)生一個(gè)反饋信號(hào)來減小積分器的輸入，達(dá)到抑制積分Windup現(xiàn)象的目的[14]。

2 基于Anti-Windup的APFC仿真研究

為了驗(yàn)證AW-PI調(diào)節(jié)器的性能，本章利用MATLAB軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

2.1 未加入AW-PI調(diào)節(jié)器的APFC仿真

仿真模型中的主要參數(shù)如表2所示。

表2 仿真模型主要參數(shù)

在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建如圖2所示的仿真模型，圖2（a）為APFC主電路，圖2（b）為APFC控制電路，仿真時(shí)間設(shè)置為0.5 s。輸入電流電壓波形如圖3所示，圖4為輸出直流電壓波形，可以看出波形在0.13 s左右達(dá)到穩(wěn)定值，且最大超調(diào)量為40 V。

2.2 加入AW-PI調(diào)節(jié)器的APFC仿真

把圖2（b）控制電路中的PID控制器換成Anti-Windup PI調(diào)節(jié)器，如圖5所示，仿真時(shí)間設(shè)置為0.5 s。加入AW-PI調(diào)節(jié)器后的輸入電壓電流和輸出直流電壓分別如圖6、圖7所示，通過與圖3、圖4對(duì)比可以看出，加入AW-PI調(diào)節(jié)器后不僅可以保證輸入電流跟隨輸入電壓呈現(xiàn)正弦波變化，從而抑制了諧波的產(chǎn)生，而且輸出直流電壓最大超調(diào)量為15 V，在0.04 s就可以達(dá)到穩(wěn)定。這表明加入抗飽和積分后降低了控制器的飽和輸出值，縮短了控制器的輸出達(dá)到穩(wěn)定值所需時(shí)間，優(yōu)化了動(dòng)態(tài)性能。

3 結(jié) 論

在保證高功率因數(shù)的前提下，為了減小APFC電路輸出直流電壓的超調(diào)量，提高控制器的動(dòng)態(tài)性能，在控制電路中加入了抗飽和PI調(diào)節(jié)器。通過仿真結(jié)果對(duì)比分析，基于抗積分飽和的APFC電路不僅具有高輸入功率因數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，還大大減小了輸出直流電壓達(dá)到穩(wěn)定值所需時(shí)間，提高了控制器的性能。