抑制電流畸變的無橋PFC控制策略仿真研究

于龍飛 于志超 王朋輝

摘? 要：分析無橋整流電路因交流側升壓電感而產生的輸入電流過零點畸變現象，對基于dq坐標變換的PI雙閉環控制策略進行了研究。通過仿真實現基于旋轉坐標系dq解耦的抑制輸入電流過零點畸變的改良型控制策略、驗證控制性能，同時與傳統控制系統相比較，驗證前者在抑制輸入電流過零點畸變的性能。

關鍵詞：無橋整流電路;dq變換;SOGI;輸入電流過零點畸變

中圖分類號：TM46 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）05-0061-02

Abstract： The zero-crossing distortion of the input current due to the AC side boost inductor of the bridgeless rectifier circuit is analyzed， and the PI double closed-loop control strategy based on the dq coordinate transformation is studied. An improved control strategy based on the rotation coordinate system dq decoupling to suppress the input current zero-crossing distortion is verified through simulation， and the control performance is verified. At the same time， compared with the traditional control system， the former is verified to suppress the input current zero-crossing distortion performance.

Keywords： bridgeless rectifier circuit; dq transform; SOGI; input current zero crossing distortion

1 無橋PFC輸入電流過零點畸變分析

1.1 無橋整流電路拓撲及工作狀態分析

如圖1所示為單相無橋整流電路拓撲結構圖，與全橋整流電路相比，無橋整流電路結構簡單，全控器件數量僅為前者的1/2。

在傳統的dq坐標變換中，通過虛擬一個滯后90°的交流電壓電流，可以得到dq坐標系下的電路模型：

（1）

1.2 輸入電流過零點畸變

無橋整流電路工作在單位功率因數時，因交流側升壓電感的存在，交流側合成電壓的相位始終滯后輸入電壓，因此在輸入電壓過零點到合成電壓過零點這段時間內，電感電流的相位與合成電壓相反，但由于二極管整流的不可控，這種工作狀態實際上是不存在的，所以會產生輸入電流過零點畸變。

在整個工頻周期內，輸入電流用分段函數表示如下：

2 控制算法結構

2.1 基于dq坐標變換的單相系統控制算法

本文通過坐標變換，將交流電壓和電流通過坐標變換轉變為直流量，進行閉環控制系統的設計，構成雙閉環控制系統，采用同步驅動的方式驅動開關管，實現控制策略。

可得如圖2所示的具體實現框圖，為實現單相系統dq坐標變換，需設計虛擬電壓產生電路。在傳統dq解耦控制中，虛擬電壓的產生一般使用延時算法。該方法動態響應較快，但穩態性能不佳;而本文使用的是基于二階廣義積分的虛擬電壓產生電路。

在產生虛擬電壓之后，進行dq坐標變換的相位與頻率信息由鎖相環提供。根據dq變換后的模型設計雙閉環系統，電壓與電流控制器采用PI控制器，使輸出直流電壓穩定在給定值附近。

2.2 針對輸入電流過零點畸變的控制算法

為抑制輸入電流過零點畸變，始終保持如圖3所示輸入電流Is*與交流側合成電壓Ucon*同相位，這樣不會發生輸入電流過零點畸變，但輸入電流Is*會滯后輸入電壓Us一個相角？漬。

即在鎖相控制電路中的相位信號中添加滯后環節，如圖4所示。

根據相量圖可得電感電流：

根據功率平衡可得：

由此得到輸入電流相位滯后于輸入電壓相位的相位角？漬的表達式如下：

可以看出滯后相角與升壓電感、輸入-輸出電壓比值以及電路負載有關，在實際的工作中，電路的輸入輸出電壓與升壓電感變化不大，而負載是波動的，需要實時觀測才能得到良好的控制效果。

3 改進型控制算法的仿真實現與對比

本文使用MATLAB/Simulink對控制算法進行仿真驗證。仿真電路的具體設計參數如表1所示。

在如表1所示的設計參數下，傳統的控制策略可以使交流側電壓、電流相位一致，但會導致輸入電流過零點畸變，而在添加滯后環節后，可得仿真波形如圖5所示。

在改進后，電流波形得到優化，消除輸入電流過零點畸變現象，并且保持了較高的功率因數，輸入電流的THD降低至1.19。

4 結束語

本文針對無橋整流電路的輸入電流過零點畸變，在dq坐標變換中添加滯后環節，調整輸入電流相位與交流側合成電壓一致，在較高的功率因數下，解決了輸入電流過零點畸變的問題。與傳統控制策略相比，更適于高功率因數、對電流波形與諧波含量要求較高的工作場合。

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