Boost型APFC電路的雙閉環(huán)控制研究

楚冰清， 郭琳

(商洛學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院， 商洛 726000)

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展和電力電子裝置的廣泛應(yīng)用，再加上一些非線性用電設(shè)備接入電網(wǎng)，給電網(wǎng)帶來(lái)了越來(lái)越嚴(yán)重的諧波危害[1-3]。解決諧波污染問(wèn)題主要有以下途徑[4]：一是對(duì)電網(wǎng)采用諧波補(bǔ)償；二是通過(guò)在整流裝置和負(fù)載之間增加功率因數(shù)校正(Power Factor Correction，PFC)電路，以消除由于整流裝置的使用產(chǎn)生的諧波。

PFC技術(shù)主要有兩種，即無(wú)源功率因數(shù)校正(Passive Power Factor Correction，PPFC)和有源功率因數(shù)校正(Active Power Factor Correction，APFC)。PPFC電路要在整流電路中增加電感、電容等濾波器件，雖然價(jià)格相對(duì)較低，但功率因數(shù)只能提高到0.7至0.8左右，因此通常在中小功率電源中使用較多；而APFC電路則是在整流裝置和

1 APFC電路的工作原理

APFC電路的基本原理就是通過(guò)采取一定的控制方法使得交流輸入電流追蹤交流輸入電壓，使得交流輸入電流與交流輸入電壓同相，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的提高[8-10]。單相Boost型有源功率因數(shù)校正電路的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 Boost型APFC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

由橋式整流電路和Boost型升壓電路兩部分組成.橋式整流電路的輸出電壓ug為正弦半波。而Boost升壓電路為整流電路和負(fù)載之間的功率變換器，通過(guò)控制Boost型升壓電路中開(kāi)關(guān)管VT的通斷(即控制Boost電路的占空比D)，達(dá)到控制電感電流iL的目的，使得iL與ud相位相同。

2 APFC電路的數(shù)學(xué)模型

為了實(shí)現(xiàn)APFC電路的控制，需要對(duì)其數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，建立穩(wěn)態(tài)模型和小信號(hào)模型，進(jìn)而求得從輸出至輸入的傳遞函數(shù)，為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。根據(jù)圖1可得，在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間(0≤t≤dTs)和截止期間(dTs≤t≤Ts)電路的狀態(tài)方程分別為式(1)和式(2)。

(1)

(2)

對(duì)式(1)和式(2)進(jìn)行拉普拉斯變換可得[11-12]式(3)。

(3)

式(3)中D′=1-D，因此可得Boost型APFC電路的穩(wěn)態(tài)等效模型和小信號(hào)等效模型，如圖2和圖3所示。

圖2 Boost型APFC電路的穩(wěn)態(tài)等效模型

圖3 Boost型APFC電路的小信號(hào)等效模型

可求得系統(tǒng)的各個(gè)傳遞函數(shù)：

3 APFC電路的雙閉環(huán)控制

3.1 控制原理

單相Boost型APFC電路采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制[13-15]，控制原理圖如圖4所示。

圖4 APFC控制原理圖

電壓外環(huán)的作用是穩(wěn)定輸出電壓，電流內(nèi)環(huán)的作用是使iL追蹤ug相位。

具體過(guò)程為：對(duì)輸出電壓uo進(jìn)行采樣，與給定電壓uref進(jìn)行比較，得到的差值通過(guò)PI調(diào)節(jié)器后輸出電感電流的幅值參考值ILref。而整流器的輸出電壓ug除以其幅值是為了獲得與ug相位相同幅值為1的波形，再與ILref相乘得到電感電流的參考值iLref。再將iLref和iL的差值通過(guò)PI調(diào)節(jié)器經(jīng)過(guò)PWM調(diào)制器控制開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷，使得iL和ug相位相同，并且實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。

3.2 電流內(nèi)環(huán)控制

電流內(nèi)環(huán)的控制框圖如圖5所示。

圖5 電流內(nèi)環(huán)控制框圖

可求得電流環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

Φi(s)=Gi-PI(s)Gm(s)Gid(s)

Gm(s)=1/Um，為PWM調(diào)制器的傳遞函數(shù)，Um為鋸齒波的幅值；

3.3 電壓外環(huán)控制

電壓外環(huán)的控制框圖如圖6所示。

圖6 電壓外環(huán)控制框圖

電壓環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

為了達(dá)到控制要求，一般將電流內(nèi)環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的穿越頻率取為開(kāi)關(guān)頻率的1/10，而電壓外環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的穿越頻率通常取10-15 Hz，相角裕度為45°，據(jù)此可求得電流調(diào)節(jié)器和電壓調(diào)節(jié)器的PI參數(shù)。

4 MATLAB仿真

根據(jù)單相Boost型APFC電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制原理，在MATLAB中搭建系統(tǒng)的仿真模型.其中，電網(wǎng)電壓有效值為220 V，頻率為50 Hz；電感為2 mH，電容為6 000 μF，電阻為5 000 Ω；輸出電壓要求穩(wěn)定為400 V。

輸出電壓波形，如圖7所示。

圖7 輸出電壓波形

通過(guò)觀察可看到輸出電壓波形穩(wěn)定在400 V左右，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓的穩(wěn)定。

交流輸入電流和交流輸入電壓波形(為明顯看到結(jié)果仿真時(shí)間取0.2 s)，如圖8所示。

圖8 交流輸入電流和交流輸入電壓波形

可以看出，電流半波和電壓半波的相位基本相同。

電網(wǎng)注入電流和電網(wǎng)電壓波形，如圖9所示。

圖9 電網(wǎng)注入電流和電網(wǎng)電壓波形

從圖9中可以看出，網(wǎng)側(cè)的電流波形與電網(wǎng)電壓波形同頻同相，通過(guò)進(jìn)行傅里葉可得功率因數(shù)為0.99左右，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的提高。

5 總結(jié)

為減小電網(wǎng)的諧波污染，本文對(duì)單相Boost型APFC電路進(jìn)行了研究，控制電路采用了電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，通過(guò)在Matlab中搭建仿真模型，證明了單相Boost型APFC電路的雙閉環(huán)控制能有效抑制諧波，提高網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)，得到穩(wěn)定的直流電壓。為進(jìn)一步研究APFC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改近以及控制方法的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。