三電平BOOST電路在功率因數(shù)調(diào)節(jié)(PFC)方面的應(yīng)用

孫洲同，趙賀雍，陳百新

(1.東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012;2.興安供電公司，內(nèi)蒙古 烏蘭浩特 137400)

目前，電動(dòng)汽車、新能源、蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中直流電源、負(fù)荷會(huì)產(chǎn)生大量的諧波［1－2］，對(duì)電網(wǎng)造成了嚴(yán)重的諧波污染。而當(dāng)今，解決諧波污染問題的技術(shù)方法很多，文獻(xiàn)［3－5］提出了三電平功率因數(shù)校正電路，但是在應(yīng)用時(shí)存在場(chǎng)合器件的開關(guān)損耗和通態(tài)損耗過大、高電壓等級(jí)器件選擇困難、PFC變換器濾波器尺寸過大而成本過高等問題。研究具有低輸入電感電流紋波的PFC變換器具有主要意義［6－9］。因此，本文提出了高電壓等級(jí)PFC應(yīng)用的三電平級(jí)聯(lián)式BOOST電路，對(duì)基于三電平結(jié)構(gòu)、PFC功能的AC－DC變換器的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了論證和相關(guān)公式推導(dǎo)，并對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證，解決了電感電流波紋過大的問題，拓展了交流輸入電壓等級(jí)，實(shí)現(xiàn)了三電平結(jié)構(gòu)PFC應(yīng)用。

1 三電平boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

級(jí)聯(lián)型多電平BOOST電路適合高電壓等級(jí)的應(yīng)用，通過PWM載波移相調(diào)制技術(shù)和高頻開關(guān)管，能夠在高壓下提高電能質(zhì)量，多電平穩(wěn)定輸出，減小變換器體積。

級(jí)聯(lián)型多電平BOOST電路由基本的PCELL、N－CELL公共端串聯(lián)構(gòu)成，如圖1所示。

電路可以接入更高等級(jí)的輸入電壓，并在負(fù)載平衡時(shí)輸出兩個(gè)相同的輸出電壓。三電平結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)有4種:S1、S2都關(guān)斷，S1、S2中的一個(gè)導(dǎo)通，另一個(gè)關(guān)斷和S1、S2均導(dǎo)通。

決定電容C1、C2充放電過程的分別是主動(dòng)開關(guān)管S1、S2。當(dāng)S1斷開時(shí)，電容C1充電;當(dāng)S1閉合時(shí)，電容C1放電;S2和C2也有相同的關(guān)系。設(shè)兩輸出電壓分別為Uo1和Uo2，兩輸出電流為Io1和Io2，輸入電壓和電流分別為Uin和Iin，兩個(gè)主動(dòng)開關(guān)管占空比均為d，在三電平結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，針對(duì)電容充放電過程有以下公式:

圖1 三電平模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Three level module topology

式中:Iox為Io1、Io2中的任意一個(gè)。在兩輸出功率相等時(shí)，兩個(gè)開關(guān)的占空比能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電壓的控制，且兩占空比相等。

另一方面，為了減小電感波紋，需要采用載波移相調(diào)制技術(shù)［9］。應(yīng)用PWM技術(shù)生成兩個(gè)主動(dòng)開關(guān)管觸發(fā)信號(hào)時(shí)，將兩個(gè)載波移相，使二者相角相差180°，在一個(gè)開關(guān)周期中平均分配電感兩次充放電，能夠提高電感電流頻率，減小電感電流波紋。

電容波紋頻率，即為開關(guān)頻率，在占空比不等于0.5的情況下，電感波紋頻率為開關(guān)頻率的2倍;在占空比等于0.5的情況下，電感波紋由于載波移相調(diào)制方式，因此降低到可以忽略的程度。電容電壓波紋和電感電流波紋計(jì)算公式如下:

對(duì)式(4)和式(6)求導(dǎo)，二者的極大值點(diǎn)分別在d=0.25和d=0.75處取得。在設(shè)計(jì)三電平結(jié)構(gòu)中的電感時(shí)，應(yīng)考慮d在0.25或0.75處的電感波紋，使其滿足電能質(zhì)量要求。

2 基于三電平結(jié)構(gòu)的PFC整流器［6－9］

三電平結(jié)構(gòu)能夠完成PFC功能的整流器，在交流側(cè)呈現(xiàn)純電阻負(fù)載特性，其等效模型如圖2所示。

圖2 PFC變換器等效模型Fig.2 Equivalent model of PFC converter

圖2中Re所消耗的功率是交流側(cè)消耗的純有功功率，從交流側(cè)傳遞到直流側(cè)，而不是電阻器件消耗的熱損耗。

基于三電平的PFC整流器由不控整流電路后接三電平結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，其原理為不控整流輸出波形，經(jīng)過三電平整體升壓，輸出穩(wěn)定直流電壓，在三電平結(jié)構(gòu)兩輸出端負(fù)載平衡時(shí)將這一直流電壓平分給兩個(gè)輸出口。通過電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的整體控制，輸出調(diào)制比d，完成PFC整流功能。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。交流側(cè)電壓UAC、電流IAC波形、不控整流輸出電壓|UAC|波形、直流側(cè)電壓U及相應(yīng)調(diào)制比d變化曲線如圖4所示。

圖3 三電平boost電路的PFC應(yīng)用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 PFC topological structure of three level boost circuit

各電氣量之間關(guān)系及公式為

式中:UM為交流側(cè)電壓UAC峰值;Uo1、Uo2為直流側(cè)兩輸出端口電壓;IAC為交流側(cè)電流;I(t)為直流側(cè)電流瞬時(shí)值。

直流側(cè)電流含二倍頻分量，直流側(cè)兩電容可起到對(duì)此二倍頻分量進(jìn)行濾除的作用，使得直流側(cè)電流近似為

圖4 理想PFC整流電路中各電氣量波形圖Fig.4 Electric quantity ideal waveform in PFC rectifier circuit

三電平PFC整流電路控制系統(tǒng)原理如圖5所示。

圖5 PFC整流變換器控制框圖Fig.5 PFC rectifier converter control block diagram

電壓外環(huán)通過比例積分環(huán)節(jié)，以控制輸出直流電壓等級(jí)為目的給出電流幅值參考量im。幅值參考量im與波形信息相乘得到iref。iref作為電流內(nèi)環(huán)的參考量，通過另一比例積分環(huán)節(jié)使得電路完成純有功變換功能，得到控制環(huán)節(jié)對(duì)Re調(diào)節(jié)的公式:

三電平電路控制實(shí)現(xiàn)PFC整流功能，在本質(zhì)上對(duì)交流側(cè)功率進(jìn)行控制，控制交流側(cè)向直流側(cè)進(jìn)行能量輸送的過程。其核心就是通過電壓外環(huán)得到預(yù)想直流電壓，在此基礎(chǔ)上控制功率流動(dòng)，確定電流內(nèi)環(huán)中電流參考量的幅值。電流幅值參考量綜合了交流電壓波形及控制電路信息，具備了PFC變換器功能。

3 電路的仿真驗(yàn)證

電路的仿真驗(yàn)證為基于三電平結(jié)構(gòu)的PFC整流器所采用的控制策略在載波移相調(diào)制下進(jìn)行的。仿真環(huán)境為PSIM軟件，為了有效突出文中所述現(xiàn)象，對(duì)各原件進(jìn)行了選值:電感值為0.8 mH，電容為5 mF，輸入電壓峰值為400 V，兩輸出端口電壓均為200 V，功率等級(jí)4 kW。在仿真結(jié)果中能清晰看到上文所述電氣現(xiàn)象。

電感電流及調(diào)制比d仿真波形圖如圖6所示。

圖6 電感電流及調(diào)制比d仿真波形圖Fig.6 Inductor current and the modulation ratio d simulation waveform

在圖6中，由上到下分別為電感電流波形和調(diào)制比d變化波形，其電感波紋隨調(diào)制比d變化呈現(xiàn)了式(4)—式(6)所推導(dǎo)的電感波紋變化。在占空比為0、0.5、1.0時(shí)明顯能看到電感波紋減小到可忽略的程度。不控整流輸出側(cè)電壓電流波形圖如圖7所示。

圖7 不控整流輸出側(cè)電壓電流波形圖Fig.7 Uncontrolled rectifier output voltage and current waveforms

在圖7中，幅值較大的為不控整流輸出電壓波形，幅值較小的是電流波形，電壓、電流同相位，完成了功率因數(shù)校正(PFC)功能。三電平結(jié)構(gòu)輸入輸出電壓及調(diào)制比波形圖如圖8所示。

在圖8中，上圖為兩端口輸出直流電壓之和與不控整流輸出側(cè)電壓的波形，下圖為調(diào)制比d的波形。仿真結(jié)果證明了公式(8)推導(dǎo)的正確性。

圖8 三電平結(jié)構(gòu)輸入輸出電壓及調(diào)制比波形圖Fig.8 Input and output voltage and modulation ratio waveform of three level structure

在圖8中，上圖為兩端口輸出直流電壓之和與不控整流輸出側(cè)電壓的波形，下圖為調(diào)制比d的波形。其仿真結(jié)果證明了式(8)推導(dǎo)的正確性。

4 結(jié)論

1)載波移相調(diào)制技術(shù)和平均電流控制方法法適合三電平結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。

2)三電平結(jié)構(gòu)在載波移相調(diào)制法下電感波紋等效頻率加倍，電流波紋幅值減小到原來的1/2。

3)基于三電平Boost的PFC變換器電流環(huán)靈敏度高，易于控制，能有效實(shí)現(xiàn)PFC變換。

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