功率因數(shù)校正技術(shù)的新型控制策略綜述

1  引言

PFC電路在提高電力電子裝置網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)、降低電網(wǎng)諧波污染方面起著很重要的作用。隨著PFC技術(shù)應(yīng)用的普及，PFC電路拓?fù)淙諠u成熟。關(guān)于PFC控制系統(tǒng)與控制策略的研究目前仍然十分活躍，這從側(cè)面反映出該領(lǐng)域還有許多問題尚待解決[1]。PFC技術(shù)的每一種控制策略都有其優(yōu)缺點，本節(jié)簡單總結(jié)了PFC技術(shù)的經(jīng)典控制策略，對比分析了幾種新型控制策略的優(yōu)缺點，指出了PFC控制技術(shù)的發(fā)展趨勢。

2  PFC整流器的經(jīng)典控制策略

電力電子電路的六種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（Buck、Boost、Buck-boost、Flyback、Sepic、Cuk）原則上都可以構(gòu)成PFC，但因Boost電路的獨特優(yōu)點，在實際中應(yīng)用最多。PFC的控制策略按照輸入電感電流是否連續(xù)，PFC分為不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）和連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）。DCM的控制可以采用恒頻、變頻、等面積等多種方式。CCM模式根據(jù)是否直接選取瞬態(tài)電感電流作為反饋和被控制量，有直接電流控制和間接電流控制之分。直接電流控制有峰值電流控制（PCMC）、滯環(huán)電流控制（HCC）、平均電流控制（ACMC）、預(yù)測瞬態(tài)電流控（PICC）、線性峰值電流控制（LPCM）、非線性載波控制（NLC）等方式。電流的控制也

可以通過控制整流橋輸入端電壓的方式間接實現(xiàn)，稱為間接電流控制或電壓控制[2]。

2.2.1  DCM控制模式

DCM控制又稱電壓跟蹤方法，它是PFC中簡單而實用的一種控制方式， 應(yīng)用較為廣泛。DCM控制模式的特點：(1)、輸入電流自動跟蹤電壓并保持較小的電流畸變率；(2)、功率管實現(xiàn)零電流開通（ZCS）且不承受二極管的反向恢復(fù)電流；(3)、輸入輸出電流紋波較大，對濾波電路要求較高；(4)、峰值電流遠(yuǎn)高于平均電流，器件承受較大的應(yīng)力；(5)、單相PFC功率一般小于200W，三相PFC功率一般小于10kW。

2.2.2 CCM控制模式

CCM相對DCM其優(yōu)點為：(1)、輸入和輸出電流紋波小、THD和EMI小、濾波容易；(2)、RMS電流小、器件導(dǎo)通損耗小；(3)、適用于大功率應(yīng)用場合。CCM模式下有直接電流控制與間接電流控制兩種方式。直接電流控制的優(yōu)點是電流瞬態(tài)特性好，自身具有過流保護(hù)能力，但需要檢測瞬態(tài)電流，控制電路復(fù)雜。間接電流控制的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、開關(guān)機理清晰。

3  PFC整流器的新型控制策略

3.1  單周控制技術(shù)

單周期控制技術(shù)(One-Cycle Control)[3]是九十年代初由美國加州大學(xué)的Keyue M Smedley提出的，它是一種不需要乘法器的新穎控制方法，將這種控制方法應(yīng)用于功率因數(shù)校正是近年來一種新的嘗試。單周控制是一種非線性控制技術(shù)，它同時具有調(diào)制和控制的雙重性，通過復(fù)位開關(guān)、積分器、觸發(fā)電路、比較器達(dá)到跟蹤指令信號的目的。它的基本思想是在每一個開關(guān)周期內(nèi)使受控量的平均值恰好等于或者正比于控制參考量，單周期控制術(shù)在控制回路中不需要誤差綜合，它能在一個周期內(nèi)自動消除穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)誤差，前一周期的誤差不會帶到下一周期，同時單周期控制技術(shù)還具有優(yōu)化系統(tǒng)響應(yīng)、開關(guān)頻率恒定、減小畸變、抑制電源干擾和易于實現(xiàn)等優(yōu)點。這種控制技術(shù)可廣泛應(yīng)用于非線性系統(tǒng)的場合，現(xiàn)已在DC-DC變換器、開關(guān)功率放大器、有源電力濾波器、靜止無功發(fā)生器以及單相、三相功率因數(shù)校正等方面得到大量應(yīng)用。

將單周控制的基本原理應(yīng)用于各種電流控制上，就可以得到電荷控制(Charge Control)，準(zhǔn)電荷控制(Quasi-Charge Control)，非線性載波控制(Nonlinear carrier Control) 和輸入電流整形技術(shù)(Input Current Control)等功率因數(shù)校正的新型控制技術(shù)。

從形式上看電荷控制是電流型的單周期控制，其控制思想是控制開關(guān)的電流量，使之在一個周期內(nèi)達(dá)到期望值。

準(zhǔn)電荷控制也是一種電流型的單周控制。準(zhǔn)電荷控制是在電荷控制的基礎(chǔ)上,用RC網(wǎng)絡(luò)代替電荷控制中電路中的C網(wǎng)絡(luò)。

非線性載波控制的控制電流可為開關(guān)電流、二極管電流或電感電流，從電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上講非線性載波控制技術(shù)是在電荷控制的基礎(chǔ)上增加了一個外加的非線性補償，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在非線性載波控制中當(dāng)電路工作在電流連續(xù)狀態(tài)下，系統(tǒng)就是穩(wěn)定的，而電路工作在斷續(xù)狀態(tài)下，系統(tǒng)是小信號穩(wěn)定的。另外非線性載波控制工作在斷續(xù)條件下會產(chǎn)生輸入電流的畸變。

輸入電流整形技術(shù)檢測二極管上的電流，從形式上說是一種類似于非線性載波控制的控制方案，從控制的實質(zhì)上講它是平均電流控制的一種反用。

3.2  空間矢量調(diào)制

空間矢量調(diào)制(Space Vector Modulation)[4]是80年代中后期發(fā)展起來的，最初的應(yīng)用是使電機獲得圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，稱為“磁鏈跟蹤”。目前，空間矢量調(diào)制的概念遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了電機調(diào)速的范疇，成為與SPWM相并行的一種PWM調(diào)制技術(shù)?？臻g矢量調(diào)制也是矩陣式變換器的最佳調(diào)制方式，三相功率因數(shù)校正電路的數(shù)字化實現(xiàn)也可用此方式。在模擬控制中，用abc三相對稱坐標(biāo)系，控制量是分段正弦的；在數(shù)字化實現(xiàn)時，用同步旋轉(zhuǎn)的d-q正交坐標(biāo)系，此時，控制量在穩(wěn)態(tài)時為常量，容易保證好的穩(wěn)態(tài)特性。模擬控制時，控制變量是時變的，在電壓、電流過零時，可能出現(xiàn)不連續(xù)，并且由于模擬控制器的工頻增益有限，電流畸變通常比數(shù)字控制大。數(shù)字控制的帶寬主要受運算速度和采樣延遲的限制。隨著微控制器的性能價格比不斷提高，基于SVM的數(shù)字化實現(xiàn)會越來越具吸引力?？臻g矢量在理論分析上也有優(yōu)點，用其描述三相電路的狀態(tài)軌跡，非常直觀。

3.3  無差拍控制

無差拍控制(Deadbeat control)[5]是一種在電流滯環(huán)比較控制技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的全數(shù)字化的控制技術(shù)。它的基本思想是將輸出參數(shù)等間隔的劃分為若干個取樣周期。根據(jù)電路在每一取樣周期的起始值，預(yù)測在關(guān)于取樣周期對稱的方波脈沖作用下某電路變量在取樣周期末尾時的值。適當(dāng)控制方波脈沖的極性與寬度，就能使輸出波形與要求的參數(shù)波形重合。不斷調(diào)整每一取樣周期內(nèi)方波脈沖的極性與寬度，就能獲得波形失真小的輸出。

無差拍控制的最顯著的優(yōu)點就是數(shù)學(xué)推導(dǎo)嚴(yán)密、跟蹤無過沖、系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快、易于計算機執(zhí)行等，缺點是它要求建立精確的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)理想模型與實際對象有差異時，劇烈的控制動作會引起輸出電壓的振蕩，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定運行。隨著數(shù)字信號處理單片機(DSP)應(yīng)用的不斷普及，這是一種很有前途的控制方法

基于空間電壓矢量PWM的電流無差拍控制方法，開關(guān)頻率恒定，調(diào)節(jié)性能良好，代表了目前國際上PFC技術(shù)的先進(jìn)水平。

3.4   滑模變結(jié)構(gòu)控制

滑模變結(jié)構(gòu)控制[6]適應(yīng)了電力電子變換器的開關(guān)非線性特性，能夠根據(jù)變換器運行狀態(tài)，有效的控制變換器工作狀態(tài)的切換，實現(xiàn)變換器的控制目標(biāo)，動態(tài)性能好且魯棒性強，這樣，滑模變結(jié)構(gòu)控制就能很容易地應(yīng)用于整流器、逆變器等相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用研究，從而最有望成為電力電子變換器實用的控制技術(shù)。

變流器的時變參數(shù)問題是人們一直努力解決的問題?？紤]到開關(guān)變換器的開關(guān)切換動作與變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的運動點沿切換面高頻切換有動作上的對應(yīng)關(guān)系。因而可以考慮用滑模變結(jié)構(gòu)這種方法來控制變流器。

在整流器的功率因數(shù)校正系統(tǒng)中，輸入電流的穩(wěn)態(tài)特性和輸出電壓暫態(tài)特性之間存在著矛盾的關(guān)系，應(yīng)用滑模變結(jié)構(gòu)控制方法，可以在輸入電流的穩(wěn)態(tài)特性和輸出電壓暫態(tài)特性之間進(jìn)行協(xié)調(diào)，使輸入電流滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的前題下，盡可能地提高輸出電壓動態(tài)響應(yīng)。

3.5 基于Lyapunov非線性大信號方法控制

傳統(tǒng)控制方法的數(shù)學(xué)建模一般是基于系統(tǒng)的小信號線性化處理，這種方法的缺點是對系統(tǒng)的大信號擾動不能保證其穩(wěn)定性?；谶@種考慮，文獻(xiàn)[7]提出了用大信號方法直接分析這種非線性系統(tǒng)。仿真和實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)對大信號擾動具有很強的魯棒性。

3.6  dqo變換控制

dqo變換控制[8]是根據(jù)瞬時無功功率理論，將電源電流分解到dqo坐標(biāo)系下，得到兩個直流量Id 、Iq。指令電流Id*、Iq*由電壓控制環(huán)給出，由于參考值和反饋值在穩(wěn)態(tài)時都是直流信號，所以可以做到無穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤，這種方法的控制精度高，但控制中涉及的計算復(fù)雜，隨著高性能的單片機及專用的矢量轉(zhuǎn)換芯片的出現(xiàn)，其實現(xiàn)也是可行的。

4   控制策略的總結(jié)與展望

DCM控制盡管簡單，但由于器件承受較大的開關(guān)應(yīng)力。限制了其功率應(yīng)用范圍。CCM控制中，直接電流控制應(yīng)是發(fā)展的主流，它適用于對系統(tǒng)性能指標(biāo)和快速性要求較高的大功率場合。CCM模式下的電流控制需要乘法器和對輸入電壓、輸入電流進(jìn)行檢測，控制電路復(fù)雜且成本高，乘法器的非線性失真也增加了輸入電流的諧波含量。因此，不帶乘法器的簡化控制成為PFC研究的一個熱點。

尋求更加簡化的控制策略、降低PFC成本、減小THD和EMI、降低器件開關(guān)應(yīng)力、提高整機效率仍然是今后PFC控制策略的發(fā)展趨勢。中大功率的電力電子設(shè)備在電網(wǎng)中占有很大比重，因此三相PFC應(yīng)是PFC研究的重心。隨著三相PFC整機成本的提高和開關(guān)頻率的降低，依托高速的數(shù)字處理器，數(shù)字控制成為發(fā)展的主流。由于各種控制策略都有優(yōu)缺點，將各種控制策略合理搭配，取長補短，可以收到理想的控制效果，這也是控制技術(shù)發(fā)展的一個方向。

與現(xiàn)代控制理論相關(guān)的控制方法如狀態(tài)反饋控制(極點配置)、二次型最優(yōu)控制、非線性狀態(tài)反饋、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，都可以用在PFC電路中。但這些方法還不成熟，處于積極的探索之中。基于大功率電子設(shè)備的要求，目前多電平變換器和各種簡單拓?fù)涞拇?lián)、并聯(lián)等拓?fù)湎嗬^提出，對于這些電路的控制，除采用現(xiàn)有的控制策略外，還嘗試發(fā)展更有針對性的控制技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

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