Boost型APFC電路的雙閉環控制研究

楚冰清， 郭琳

(商洛學院 電子信息與電氣工程學院， 商洛 726000)

0 引言

隨著電力電子技術的飛速發展和電力電子裝置的廣泛應用，再加上一些非線性用電設備接入電網，給電網帶來了越來越嚴重的諧波危害[1-3]。解決諧波污染問題主要有以下途徑[4]：一是對電網采用諧波補償；二是通過在整流裝置和負載之間增加功率因數校正(Power Factor Correction，PFC)電路，以消除由于整流裝置的使用產生的諧波。

PFC技術主要有兩種，即無源功率因數校正(Passive Power Factor Correction，PPFC)和有源功率因數校正(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，雖然價格相對較低，但功率因數只能提高到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，實現功率因數的提高[8-10]。單相Boost型有源功率因數校正電路的電路拓撲結構圖如圖1所示。

圖1 Boost型APFC電路拓撲結構圖

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載之間的功率變換器，通過控制Boost型升壓電路中開關管VT的通斷(即控制Boost電路的占空比D)，達到控制電感電流iL的目的，使得iL與ud相位相同。

2 APFC電路的數學模型

為了實現APFC電路的控制，需要對其數學模型進行分析，建立穩態模型和小信號模型，進而求得從輸出至輸入的傳遞函數，為控制系統的設計奠定基礎。根據圖1可得，在開關管導通期間(0≤t≤dTs)和截止期間(dTs≤t≤Ts)電路的狀態方程分別為式(1)和式(2)。

(1)

(2)

對式(1)和式(2)進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電路的穩態等效模型和小信號等效模型，如圖2和圖3所示。

圖2 Boost型APFC電路的穩態等效模型

圖3 Boost型APFC電路的小信號等效模型

可求得系統的各個傳遞函數：

3 APFC電路的雙閉環控制

3.1 控制原理

單相Boost型APFC電路采用電壓外環電流內環的雙閉環控制[13-15]，控制原理圖如圖4所示。

圖4 APFC控制原理圖

電壓外環的作用是穩定輸出電壓，電流內環的作用是使iL追蹤ug相位。

具體過程為：對輸出電壓uo進行采樣，與給定電壓uref進行比較，得到的差值通過PI調節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PI調節器經過PWM調制器控制開關管的關斷，使得iL和ug相位相同，并且實現輸出電壓的穩定。

3.2 電流內環控制

電流內環的控制框圖如圖5所示。

圖5 電流內環控制框圖

可求得電流環的開環傳遞函數為：

Φi(s)=Gi-PI(s)Gm(s)Gid(s)

Gm(s)=1/Um，為PWM調制器的傳遞函數，Um為鋸齒波的幅值；

3.3 電壓外環控制

電壓外環的控制框圖如圖6所示。

圖6 電壓外環控制框圖

電壓環的開環傳遞函數為：

為了達到控制要求，一般將電流內環開環傳遞函數的穿越頻率取為開關頻率的1/10，而電壓外環的開環傳遞函數的穿越頻率通常取10-15 Hz，相角裕度為45°，據此可求得電流調節器和電壓調節器的PI參數。

4 MATLAB仿真

根據單相Boost型APFC電路的系統結構和控制原理，在MATLAB中搭建系統的仿真模型.其中，電網電壓有效值為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

通過觀察可看到輸出電壓波形穩定在400 V左右，實現了輸出電壓的穩定。

交流輸入電流和交流輸入電壓波形(為明顯看到結果仿真時間取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。

電網注入電流和電網電壓波形，如圖9所示。

圖9 電網注入電流和電網電壓波形

從圖9中可以看出，網側的電流波形與電網電壓波形同頻同相，通過進行傅里葉可得功率因數為0.99左右，實現了網側功率因數的提高。

5 總結

為減小電網的諧波污染，本文對單相Boost型APFC電路進行了研究，控制電路采用了電壓外環電流內環的雙閉環控制策略，通過在Matlab中搭建仿真模型，證明了單相Boost型APFC電路的雙閉環控制能有效抑制諧波，提高網側的功率因數，得到穩定的直流電壓。為進一步研究APFC電路拓撲結構的改近以及控制方法的優化奠定了基礎。