基于單周期控制的高功率因數(shù)整流器仿真

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，帶非線性負(fù)載的電力電子裝置在電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用并產(chǎn)生大量電流諧波，電力系統(tǒng)的波形畸變及由此產(chǎn)生的諧波不僅大大降低了系統(tǒng)的功率因數(shù)，而且也給系統(tǒng)帶來(lái)了危害。
    尋求更加簡(jiǎn)單的控制策略，降低PFC成本，減少總諧波含量(THD)和EMI，目前對(duì)三相功率因數(shù)校正方面的研究主要集中在控制策略和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面?？刂撇呗缘难芯恐饕性陔娏餍涂刂?、多環(huán)控制、單周期控制、矢量控制等方面。采用單周期控制技術(shù)控制三相整流器以減小電流畸變，使輸入電流在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期都能很好跟蹤參考電流，使直流輸出端存在大量電流諧波時(shí)，也能實(shí)現(xiàn)較小的輸入電流畸變，從而實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)整流。

1 整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
    三相三開(kāi)關(guān)PFC電路如圖1所示，主要有兩電平和三電平2種結(jié)構(gòu)。圖1(a)為三電平結(jié)構(gòu)，兩電容中點(diǎn)電位與電網(wǎng)中點(diǎn)的電位基本相同，通過(guò)雙向開(kāi)關(guān)Sa、Sb、Sc分別控制對(duì)應(yīng)相的電流。開(kāi)關(guān)合上時(shí)對(duì)應(yīng)相的電流幅值增大，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)對(duì)應(yīng)橋臂上的二極管導(dǎo)通電路，在輸出電壓的作用下Boost電感上的電流減小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制。圖1(b)所示的電路為兩電平結(jié)構(gòu)，通過(guò)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，可以控制相間的電流。開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感儲(chǔ)能，電感電流增大；開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電源和電感共同向負(fù)載供電，電流減小。

    可以看出，以上兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)。這里選擇兩電平的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用分區(qū)間控制的方法，讓其工作在雙端并聯(lián)Boost態(tài)，這種控制方法的特點(diǎn)是在任何時(shí)刻只有兩只開(kāi)關(guān)管工作在高頻狀態(tài)下，故損耗較小。當(dāng)電路工作在連續(xù)導(dǎo)電模式下，該結(jié)構(gòu)電路使輸入電壓和輸入電流同相位，能夠?qū)崿F(xiàn)單位功率因數(shù)，并且輸入電流總諧波含量較低。

2 單周期控制(0CC)技術(shù)
    0CC技術(shù)是90年代初發(fā)展起來(lái)的一種非線性大信號(hào)PWM控制理論，也是一種模擬PWM控制技術(shù)。它通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的占空比，使每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中開(kāi)關(guān)變量的平均值嚴(yán)格等于或正比于控制參考量。平均輸入電流跟蹤參考電流且不受負(fù)載電流的約束，即使負(fù)載電流具有很大的諧波也不會(huì)使輸入電流發(fā)生畸變。因而將單周期控制技術(shù)應(yīng)用于三相整流器中可以實(shí)現(xiàn)低電流畸變和高功率因數(shù)，這種控制方法取消了傳統(tǒng)控制方法中的乘法器，使整個(gè)控制電路的復(fù)雜程度降低，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、開(kāi)關(guān)頻率恒定、魯棒性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，是一種很好的控制方法。
2．1 OCC技術(shù)基本原理
    圖2為固定開(kāi)關(guān)頻率的單周期控制降壓變換器原理圖。

    為對(duì)單周期控制技術(shù)進(jìn)行說(shuō)明，現(xiàn)以單周期控制降壓變換器為例進(jìn)行說(shuō)明。圖2中，電路工作時(shí)，由控制器以恒定頻率產(chǎn)生開(kāi)通脈沖開(kāi)通開(kāi)關(guān)S，二極管VD的電壓VS經(jīng)積分器后輸出電壓Vinf，當(dāng)Vinf達(dá)到給定電壓Vref時(shí)比較器輸出翻轉(zhuǎn)，控制器發(fā)出關(guān)斷信號(hào)關(guān)斷開(kāi)關(guān)S；與此同時(shí)，控制器發(fā)出的復(fù)位信號(hào)使實(shí)時(shí)積分器復(fù)位至零，為下一周期做好準(zhǔn)備?？梢钥闯?，降壓變換器的輸出電壓是二極管電壓的平均值，即被開(kāi)關(guān)周期斷開(kāi)的二極管電壓波形曲線下的面積：
   
    如果給定信號(hào)Vref為常數(shù)，二極管的平均電壓VS就為常數(shù)，從而輸出電壓就為常數(shù)。積分值連續(xù)的與恒定的控制參考量相比較，如果輸入電壓變高，積分值能很快達(dá)到控制參考量，占空比隨之變??；若輸入電壓降低，則占空比將變大。如果控制參考量是變化的，那么在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，二極管電壓的平均值等于變化的控制參考量，輸出電壓等于控制參考量。控制參考量在每個(gè)階躍期間內(nèi)改變它的值，二極管電壓的積分值會(huì)立即跟蹤控制參考量，對(duì)于這個(gè)控制原理，占空比d由式(2)確定。
   
    可見(jiàn)，占空比d是輸入電壓Vg和給定電壓Vref的非線性函數(shù)。因此這種控制方式屬非線性控制。由于這種非線性控制，使得VS的電壓平均值在每一開(kāi)關(guān)周期內(nèi)都與Vref完全相同，并且與輸入電壓Vg無(wú)關(guān)。這樣，輸出電壓V0便是給定電壓Vref的線性函數(shù)：
   
2．2 單周期控制在PFC整流器中的應(yīng)用
    單周期控制是一種不需要乘法器的新穎控制方法，將整個(gè)周期每隔60°進(jìn)行劃分，共分為6個(gè)區(qū)間。依據(jù)PWM控制技術(shù)的工作原理，三相整流器可以在每個(gè)60°區(qū)間內(nèi)只控制2個(gè)開(kāi)關(guān)的通斷實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)。電路等效成2個(gè)單相Boost電路并聯(lián)，可以用單相PFC的控制技術(shù)對(duì)電路進(jìn)行控制?，F(xiàn)以固定開(kāi)關(guān)頻率的單相Boost型PFC為例，來(lái)論述單周期控制技術(shù)在高功率岡數(shù)整流器中的應(yīng)用。

    圖3所示為單周期控制的PFC整流器，省去了線電壓檢測(cè)器和乘法器，是一種比較簡(jiǎn)單的電流控制模式，電流檢測(cè)電路與傳統(tǒng)的乘法器控制方式中所使用電流檢測(cè)電路不同。檢測(cè)電流為電感電流的Boost功率因數(shù)校正器，電流檢測(cè)采用電感回路串聯(lián)一只精密無(wú)感電阻RS實(shí)現(xiàn)。RS可位于流經(jīng)電感電流的任意位置。通常，將RS設(shè)置在直流側(cè)，這樣檢測(cè)電路就比較簡(jiǎn)單，且不需要進(jìn)行隔離。
    設(shè)定脈沖信號(hào)由Q端取出作為觸發(fā)信號(hào)，采用下降沿調(diào)制時(shí)的控制規(guī)律為：
   
    在Boost變換器中，假設(shè)輸入阻抗為理想電阻，則輸入電流的平均值等于電感電流的平均值，即：
   
    式中，Re為等效輸入阻抗，vg為輸入電壓。
    穩(wěn)態(tài)狀態(tài)時(shí)，單相PFC整流器的輸出電壓V0與輸入電壓vg的關(guān)系為：
   
    將單相Boost變換器中電壓轉(zhuǎn)換率M(d)=1／(1-d)代入式(7)，所得方程兩邊同乘以常數(shù)RS，并令vm=V0RS／Re，整理可得：
   
    式(8)表示了平均電感電流的控制規(guī)律。若忽略紋波，平均電感電流等于瞬時(shí)電感電流，故電感電流的控制規(guī)律可表示為：
   
    式(9)為通用的單相PFC控制方程，該方程右邊主要由PWM調(diào)制器實(shí)現(xiàn)，而左邊則由電流檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)。

3 基于Saber的整流器仿真
3．1 Saber軟件
    Saber軟件是由美國(guó)Analogy公司開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)仿真軟件，可用于電子、電力電子、機(jī)電一體化、機(jī)械、光電、光學(xué)、控制等不同類(lèi)型系統(tǒng)構(gòu)成的混合系統(tǒng)仿真，它為復(fù)雜的混合信號(hào)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證提供了一個(gè)功能強(qiáng)大的混合仿真器，可解決從系統(tǒng)開(kāi)發(fā)到詳細(xì)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證等一系列問(wèn)題。Saber支持自頂向下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和由底向上的具體設(shè)計(jì)、驗(yàn)證，它具有很大的通用模型庫(kù)和較為精確的具體型號(hào)器件模型。專(zhuān)門(mén)為Saber仿真器設(shè)計(jì)的Saber Sketch是建立系統(tǒng)的平臺(tái)，它提供了友好的用戶(hù)圖形界面，使得仿真非常直觀。在Saber Scope中可觀察波形，并有多種測(cè)量、分析、比較的方法，可以滿(mǎn)足多種實(shí)驗(yàn)要求。因此，在Saber Sketch中建立系統(tǒng)的模型，仿真各種控制策略，模擬現(xiàn)實(shí)的各種穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)情況，有利于降低開(kāi)發(fā)費(fèi)用和縮短研究周期。
3．2 整流器的Saber仿真
    為了驗(yàn)證理論的正確性，按照單周期控制原理和圖4所示的三相PFC的核心控制框圖，利用Saber軟件對(duì)該電路進(jìn)行仿真。利用Saber Ske-tch提供的電力電子和控制系統(tǒng)模塊以及信號(hào)轉(zhuǎn)換接口模塊，并用Saber中具體型號(hào)的器件模型，搭建了系統(tǒng)的仿真模型。仿真具體參數(shù)如下：輸入電壓為三相交流115 V，400 Hz，輸出直流電壓為350 V，輸出功率為5 kW，輸入電感為0．5 mH，濾波電容為2 200μF，電壓反饋電路中KP=20，KI=0．25，開(kāi)關(guān)頻率為100 kHz。通過(guò)仿真得到A相輸入電壓和電流波形以及直流側(cè)輸出電壓波形圖，如圖5所示。對(duì)該A相輸入電流進(jìn)行傅里葉分析，測(cè)得該相電流的THD為3．852％，將所得的數(shù)據(jù)運(yùn)用LabVIEW軟件編寫(xiě)的功率因數(shù)分析軟件進(jìn)行分析，得到整流器的功率因數(shù)為0．993。由此可見(jiàn)，該系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)
    基于單周期控制技術(shù)的高功率因數(shù)整流器的三相三開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，研究了控制策略。在工頻周期每60°的區(qū)間中，只有2個(gè)開(kāi)關(guān)工作在高頻開(kāi)關(guān)頻率，減少了開(kāi)關(guān)損耗，并用Saber軟件進(jìn)行仿真，結(jié)果顯示輸入電壓和輸入電流同相位，驗(yàn)證了采用單周期控制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高功率因數(shù)。這種控制方法能在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，有效抵制電源側(cè)的擾動(dòng)，并使整個(gè)控制電路的復(fù)雜程度得到降低，有很好的應(yīng)用前景。