空間核電源電力系統(tǒng)功率因數(shù)校正技術(shù)的研究

靳 洋，劉世超，何小斌，劉繪瑩，鄭 奕

(上海空間電源研究所，上海 200245)

0 引言

由太陽(yáng)能電池陣與鋰離子蓄電池聯(lián)合組成的電源系統(tǒng)因性能可靠，工作壽命長(zhǎng)，電功率可達(dá)數(shù)十千瓦，故在航天器上得到廣泛應(yīng)用。隨著深空探測(cè)任務(wù)難度增大，航天器對(duì)電源系統(tǒng)的要求越來(lái)越苛刻，傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池-蓄電池電源系統(tǒng)難以滿足更高的任務(wù)需求。空間核電源具有能量密度大、功率調(diào)節(jié)范圍大(百千瓦級(jí)至兆瓦級(jí))、壽命長(zhǎng)、機(jī)動(dòng)性高、質(zhì)量輕、體積小、不依賴太陽(yáng)光照等特點(diǎn)，已成為未來(lái)深空探測(cè)、星表基地等空間任務(wù)中不可替代的能源系統(tǒng)[1-2]。

空間核電源動(dòng)態(tài)熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)，其輸出交流信號(hào)含有諧波畸變，會(huì)造成發(fā)電機(jī)發(fā)熱加劇，運(yùn)行噪聲、振動(dòng)增大，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)效率下降。發(fā)電機(jī)輸出的電壓電流發(fā)生畸變，會(huì)造成電源品質(zhì)下降，給后端功率變換電路帶來(lái)嚴(yán)重負(fù)擔(dān)。因此，需采用功率因數(shù)校正技術(shù)來(lái)抑制和消除諧波，盡可能使輸入電流始終保持正弦化趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸出交流信號(hào)與直流信號(hào)的轉(zhuǎn)換功能，滿足不同負(fù)載的供電需求。

百千瓦級(jí)空間核電源熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)輸出電壓為200 V交流電，與目前航天器最高供電母線電壓100 V相比，呈現(xiàn)出高壓特性；其輸出頻率為1 kHz，與傳統(tǒng)的電網(wǎng)供電交流頻率50 Hz相比，呈現(xiàn)出高頻特性。發(fā)電機(jī)輸出的交流電中含有更高奇次諧波，致使系統(tǒng)的功率因數(shù)下降嚴(yán)重，極大影響了空間核電源系統(tǒng)的供電品質(zhì)[3]。

傳統(tǒng)的無(wú)源功率因數(shù)校正技術(shù)(PPFC)將LC濾波電路置于橋式整流器后端，通過增加二極管的導(dǎo)通角對(duì)基波相位進(jìn)行補(bǔ)償。PPFC技術(shù)因可實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)功率因數(shù)較低，故不能滿足大部分設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量的需求。航天器電源系統(tǒng)對(duì)功率因數(shù)要求極高，一般的有源功率因數(shù)校正技術(shù)(APFC)之所以采用Boost變換器是因?yàn)椋?)電感串聯(lián)在輸入端，輸入電流連續(xù)，電流紋波小；2)輸出電壓高，輸出濾波電容儲(chǔ)能大，體積小；3)電路簡(jiǎn)單可靠，成本低。Boost PFC技術(shù)采用平均電流控制模式，在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)可保持較高的功率因數(shù)，且恒頻控制易于實(shí)現(xiàn)濾波器的優(yōu)化[4-5]。

如今，無(wú)橋PFC變換器結(jié)構(gòu)中不存在整流橋電路，變換器的效率得以提升。但需要2個(gè)開關(guān)管根據(jù)輸入電壓的極性通過利用復(fù)雜的柵極驅(qū)動(dòng)電路來(lái)傳遞電流，這無(wú)疑增加了控制策略的復(fù)雜性和電路的整體成本。此外，相比于普通的PFC電路，無(wú)橋PFC電路的電磁干擾(EMI)更為嚴(yán)重。因此，半橋PFC電路逐漸成為研究熱點(diǎn)[6-8]。半橋PFC變換器的EMI指標(biāo)與傳統(tǒng)的PFC變換器相似，但其結(jié)構(gòu)中存在2個(gè)開關(guān)管。對(duì)高功率因數(shù)校正器的研究目前正處于發(fā)展階段，新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略將是未來(lái)的研究方向。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單、可靠，且能實(shí)現(xiàn)多種用途[9]。

本文提出了一種新型交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC變換器。該型變換器只使用1個(gè)功率開關(guān)管，共計(jì)使用8個(gè)二極管，其中與功率開關(guān)管相連的2個(gè)二極管用于防止變換器短路，2個(gè)并聯(lián)二極管用于保護(hù)開關(guān)管和減小浪涌電壓。變換器包括2條控制環(huán)路。電壓外環(huán)用于穩(wěn)定直流輸出，為電流內(nèi)環(huán)正弦化控制提供參考值；電流內(nèi)環(huán)用于控制輸入電流與輸入電壓，實(shí)現(xiàn)零相位、正弦化追蹤。本文首先對(duì)變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和不同模式下的工作狀態(tài)進(jìn)行分析，然后采用狀態(tài)空間模型法對(duì)基于Boost電路的輸出電壓、輸入電流與占空比的關(guān)系進(jìn)行小信號(hào)線性動(dòng)態(tài)建模研究，最后對(duì)計(jì)算的控制環(huán)路及電路工作原理進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 電路拓?fù)浜凸ぷ髟?/h2>

本文提出的新型交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。在此拓?fù)渲校皇褂?個(gè)開關(guān)管S。電路中二極管D3和D4反偏截止，可防止輸入電壓正負(fù)半周工作時(shí)的干擾；二極管D7和D8的作用是在開機(jī)瞬間或負(fù)載短路，PFC輸出電壓低于輸入電壓等非正常狀況下為電容提供充電路徑，防止PFC電感磁飽和對(duì)PFC開關(guān)管造成危險(xiǎn)，同時(shí)減輕PFC電感和升壓二極管的負(fù)擔(dān)，起到保護(hù)作用。在開機(jī)正常工作后，由于并聯(lián)二極管右側(cè)的輸出電壓比輸入電壓高，二極管呈反偏截止?fàn)顟B(tài)，對(duì)電路工作沒有影響，因而可選用能承受大浪涌電流的普通大電流的整流二極管[10]。

圖1 提出的Boost PFC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of proposed Boost PFC converter

根據(jù)開關(guān)狀態(tài)和輸入電壓極性，變換器將在4種等效模式下工作，工作原理如圖2～5所示。

圖2 輸入電壓正半周開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的等效電路Fig.2 Equivalent circuit of positive half cycle when switch is on

圖3 輸入電壓正半周開關(guān)管關(guān)斷時(shí)的等效電路Fig.3 Equivalent circuit of positive half cycle when switch is off

圖4 輸入電壓負(fù)半周開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的等效電路Fig.4 Equivalent circuit of negative half cycle when switch is on

圖5 輸入電壓負(fù)半周開關(guān)管關(guān)斷時(shí)的等效電路Fig.5 Equivalent circuit of negative half cycle when switch is off

由圖2可知，輸入電壓Ui工作于正半周，開關(guān)管S閉合。輸入電流Ii流經(jīng)電感L1、二極管D3、開關(guān)管S和二極管D6，二極管D2、D4和D5反向偏置，輸入電壓Ui給電感L1充電。此時(shí)，輸出電容Co給負(fù)載供電，電感L1上的電壓和輸出電流可表示為

(1)

(2)

式中：UL1為L(zhǎng)1電壓；L1為電感量；IL1為流經(jīng)電感的電流；IC為流過電容的電流；Co為輸出電容值；UC為電容兩端電壓；Io為輸出電流；Uo為變換器輸出電壓；Ro為負(fù)載。

由圖3可知，輸入電壓Ui仍工作于正半周，開關(guān)管S斷開。電流流經(jīng)電感L1、二極管D1和二極管D6，電路中其他半導(dǎo)體器件反向偏置。存儲(chǔ)在電感L1上的能量給輸出電容Co和負(fù)載供電。此時(shí)，電路的工作原理與傳統(tǒng)的升壓變換器相似，電感L1上的電壓和輸出電流可表示為

(3)

(4)

由圖4、5可知，輸入電壓工作于負(fù)半周，開關(guān)管S閉合。電路工作原理與正半周相似，電流流經(jīng)電感L2、二極管D4、開關(guān)管S和二極管D5。電感L2上的電流大小與輸入電流Ii相等但極性相反。對(duì)應(yīng)的電感L2上的電壓和輸出電流分別為

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：Ui為輸入電壓；UL2為L(zhǎng)2電壓；L2為電感量；IL2為流過電感的電流；

2 非線性模型建立

利用狀態(tài)空間平均法構(gòu)建非線性模型，以便更好地對(duì)變換器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析。分別用兩個(gè)狀態(tài)線性非時(shí)變方程來(lái)表示一個(gè)開關(guān)周期的兩個(gè)狀態(tài)。利用電路中的動(dòng)態(tài)元件列寫電路動(dòng)態(tài)方程，并通過占空比將兩個(gè)狀態(tài)非時(shí)變方程用一個(gè)平均化的方程來(lái)表示。假設(shè)一個(gè)開關(guān)周期為一個(gè)線性微元，并設(shè)定在一個(gè)開關(guān)周期結(jié)束后，動(dòng)態(tài)元件的狀態(tài)恢復(fù)為初始狀態(tài)[11]。在一個(gè)開關(guān)周期結(jié)束后，電感電流的變化量為零，電容電壓的變化量為零。由此導(dǎo)出狀態(tài)方程的穩(wěn)態(tài)解，在方程穩(wěn)態(tài)量的基礎(chǔ)上施加擾動(dòng)，去除線性二階無(wú)窮小，進(jìn)行線性化。方程經(jīng)拉氏變換，多元函數(shù)求偏導(dǎo)，解得方程組表達(dá)形式，即Boost變換器的數(shù)學(xué)模型[12]。

2.1 輸入電流與輸出電壓關(guān)于占空比的建模

PFC采用平均電流控制策略，控制環(huán)路主要由電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)組成。為更好地設(shè)計(jì)電流內(nèi)環(huán)控制參數(shù)，依據(jù)電感兩端的伏秒平衡原理建立模型。假定電感L1和L2具有相同的電感值，則電感電流等于輸入電流，輸入電壓與電容電壓相等[13]。通過使用狀態(tài)空間平均法可得以下狀態(tài)變量，在開關(guān)管閉合的情況下，由式(1)、(6)的狀態(tài)方程，可得

(9)

(10)

由式(3)、(8)的狀態(tài)方程，可得

(11)

(12)

假定M和N為狀態(tài)空間常數(shù)矩陣，可得

(13)

式中：d為變換器的占空比。由于電路中存在開關(guān)器件，隨著開關(guān)狀態(tài)的切換，電路的拓?fù)湎鄳?yīng)地發(fā)生變換，整個(gè)系統(tǒng)可以被看作一個(gè)非線性電路。通過采用線性變量平衡點(diǎn)，輸入電流Ii和輸出電容電壓UC可表示為

X=-M-1NUi

(14)

式(14)是狀態(tài)變量，輸入電壓Ui是輸入電壓最大值。通過使用拉普拉斯變換可得

(N1-N2)Ui]

(15)

由系統(tǒng)狀態(tài)方程可推導(dǎo)出輸入電流Ii和輸出電容電壓UC的傳遞函數(shù)為

(16)

(17)

2.2 系統(tǒng)控制策略

變換器的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。電壓環(huán)主要由電壓采樣電阻、電壓補(bǔ)償環(huán)XU(s)和乘法器組成。電壓環(huán)的主要作用是調(diào)整輸出電壓以保持其穩(wěn)定。電流環(huán)主要由電流采樣電阻、電流補(bǔ)償環(huán)XI(s)和PWM發(fā)生器組成。電流環(huán)的主要作用是對(duì)輸入電流進(jìn)行調(diào)整，使其與輸入電壓同頻同相位，并實(shí)現(xiàn)正弦化追蹤。控制電路的基本原理為：采樣電阻對(duì)輸入電壓進(jìn)行采樣，輸出電壓采樣后進(jìn)入電壓誤差放大器，與采樣后的輸入電壓作為乘法器的輸入端；流經(jīng)整流橋的輸入電流進(jìn)行采樣后與乘法器輸出一同進(jìn)入電流誤差放大器，再與三角波進(jìn)行比較產(chǎn)生PWM調(diào)制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變換器開關(guān)管的控制。通過調(diào)整輸入電壓和輸入電流的相位差，減少電流諧波含量，從而提高變換器的功率因數(shù)[14-15]。

3 仿真分析

根據(jù)航天器供電母線與其負(fù)載功率之間的關(guān)系，百千瓦級(jí)航天器供電母線電壓應(yīng)大于333 V。功率變換器輸出電壓實(shí)際取值為400 V。交流輸入頻率為1 kHz的功率變換器往往采用數(shù)字控制方式，但因數(shù)字芯片存在單粒子翻轉(zhuǎn)、閂鎖等問題，故數(shù)字控制方式無(wú)法在空間應(yīng)用，而模擬控制方式只適用于交流頻率幾十赫茲的應(yīng)用場(chǎng)合。因此，需加入交-交變頻器，將發(fā)電機(jī)輸出的1 kHz交流電變換成電壓等級(jí)相同，頻率為50 Hz的交流電。此外，百千瓦級(jí)功率變換器往往通過多路并聯(lián)輸出實(shí)現(xiàn)。

圖6 變換器控制策略結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Control structure of proposed converter

為進(jìn)一步驗(yàn)證和研究功率變換器的特性參數(shù)，利用PLECS軟件對(duì)小功率(1 kW)變換電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真參數(shù)如表1所示。

表1 變換器參數(shù)指標(biāo)

為得到400 V的輸出電壓，占空比可設(shè)為0.222。將表1中的變換器參數(shù)代入式(14)，可得輸入電流關(guān)于占空比的傳遞函數(shù)表達(dá)式為

(18)

為提高相角裕度，將補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)零點(diǎn)選在諧振頻率點(diǎn)附近，同時(shí)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)增益設(shè)計(jì)，使電流環(huán)穿越頻率為5 kHz，相角裕度為60°，可得電流環(huán)PI控制器參數(shù)Kp和Ki分別為0.2和2 130。由計(jì)算好的電流內(nèi)環(huán)PI參數(shù)，可推導(dǎo)出電壓環(huán)PI控制器參數(shù)Kp和Ki分別為1.6和333。

圖7為額定功率1 kW波形圖。圖8為在額定負(fù)載下的輸入電流與輸入電壓波形圖，可以清晰地看出，輸入電流呈正弦波形，且與輸入電壓保持零相位。圖9為變換器輸入平均電流，平均電流呈正弦半波波形，且與輸入電壓保持一致。圖10為負(fù)載由滿載切換到半載時(shí)輸出電壓的瞬態(tài)響應(yīng)。

圖7 輸出功率1 kW波形圖Fig.7 Waveform of 1 kW output power

圖8 額定負(fù)載下輸入電壓與輸入電流Fig.8 Input voltage and input current at nominal load

圖9 變換器輸入平均電流Fig.9 Average input current of converter

圖10 負(fù)載變換時(shí)輸出電壓的瞬態(tài)響應(yīng)(滿載-半載)Fig.10 Transient response of output voltage for load variation

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種新型交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC電路拓?fù)洹Ｅc傳統(tǒng)的交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC電路相比，該型變換器只使用1個(gè)功率開關(guān)管。拓?fù)渲?個(gè)二極管中與功率開關(guān)管相連接的2個(gè)二極管用于防止變換器短路，另外2個(gè)并聯(lián)二極管用于保護(hù)開關(guān)管和減小浪涌電壓。采用狀態(tài)空間模型法研究了變換器雙環(huán)控制策略，設(shè)計(jì)的控制補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)降低了輸入電流中的諧波含量，實(shí)現(xiàn)了輸入電流對(duì)輸入電壓的零相位、正弦化追蹤。研究結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的新型交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC電路可有效降低空間核電源熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)發(fā)電機(jī)輸出交流信號(hào)的諧波含量，既能保證發(fā)電機(jī)工作于峰值效率下，又可滿足負(fù)載直流供電特性。目前，空間核電源系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)還處于攻關(guān)階段，在變換效率、體積、重量等方面，離工程化應(yīng)用要求還存在很大差距。為滿足未來(lái)空間應(yīng)用的需求，后續(xù)還需對(duì)超高壓電力電子器件，以及如何提升拓?fù)潆娐纷儞Q效率，如何提高變換器功率密度等問題進(jìn)行進(jìn)一步研究。