基于傳遞函數的APFC 控制策略研究

李 丹 張 超 蘭莎莎

（1、中國飛行試驗研究院改裝部，陜西 西安710000 2、中國飛行試驗研究院飛機所，陜西 西安710000）

1 概述

直接接入交流電網的無工頻變壓器開關電源是開關電源中應用最為廣泛的一種。傳統的無工頻變壓器開關電源直接把交流電源進行整流后，再經過DC/DC 變換和穩(wěn)壓措施得到所需的穩(wěn)定的直流輸出電壓。但是，由于整流環(huán)節(jié)后有大電容的存在，交流側只有在交流電壓大于直流電容兩端電壓時才有電流流過，所以交流輸入電壓是正弦波形，而輸入電流卻呈現脈沖狀。

輸入電流的嚴重畸變會對電網產生嚴重的諧波污染并且功率因數很低，這不僅影響了供電質量、增加了電網損耗，而且嚴重時還可能造成某些設備不能正常工作、甚至損壞。隨著這些問題的出現，對于接入電網設備的功率因數和總諧波含量提出了很高的要求。提高開關電源的功率因數，不僅可以減小開關電源對電網的無功污染和諧波污染，提高電網的供電質量同時可以降低線路損耗、節(jié)約能源。因此，如何消除電源裝置中的諧波污染并提高其功率因數，已成為電力電子技術的一項重大課題[1]。

2 有源功率因數校正策略分析

有源功率因數校正的目的是輸入電流必須調節(jié)到同輸入電壓成正比，且相位差為零，即，使輸入阻抗呈純阻性，需要反饋信號來控制輸入電流。

2.1 平均電流控制Boost APFC 控制原理分析

本文研究的基于Boost 型APFC 電路的平均電流型控制則在圍繞升壓功率級的反饋環(huán)路中用一個放大器使輸入電流以極小的誤差跟蹤調節(jié)信號，達到高功率因數。平均電流控制Boost APFC 變換器的電路原理圖如圖1 所示。主電路由單相整流橋和Boost 變換器等組成；控制電路由輸入電壓調節(jié)器、輸出電壓調節(jié)器、電流調節(jié)器、乘法器、PWM 調制器等組成。

平均電流控制Boost 型APFC 變換器控制電路主要是由電流環(huán)和電壓環(huán)組成的雙閉環(huán)系統。電流環(huán)為內環(huán)，它使輸入電流呈正弦波形；電壓環(huán)為外環(huán)，它使輸出電壓保持穩(wěn)定。

圖1 平均電流控制BoostAPFC 變換器電路原理圖

在閉環(huán)控制系統中電流環(huán)由電感電流采樣、電流調節(jié)器、PWM 調節(jié)器組成。主電路的輸出電壓Uo取樣和基準電壓比較后，輸入至輸出電壓調節(jié)器產生Uy。輸入電壓Uin檢測值經輸入電壓調節(jié)器后產生的Ux與Uy共同加到乘法器輸入端，乘法器的輸出信號Uz作為電流內環(huán)的反饋控制信號。電流環(huán)基準信號為雙半正弦波，它與電感電流IL比較后，經過電流調節(jié)器后加到PWM 發(fā)生器產生PWM 信號，以控制Boost DC/DC 變換器中開關S 的通斷，從而使輸入電流的波形與輸入電壓的波形基本一致，并且同相位，使電流諧波大為減少，從而提高了功率因數。

2.2 傳遞函數及控制結構

本文采用電流注入等效電路法[2]來建立Boost APFC 電路的小信號模型，并得出由控制到電感電流和由控制到輸出電壓的傳遞函數：

由自動控制原理可得出整體電路的控制結構如圖2。整體為雙環(huán)結構，外環(huán)為電壓環(huán)，用于使輸出直流電壓穩(wěn)在給定值；虛線框中為電流環(huán)，使電感電流跟隨雙半正弦波，提高電路功率因數。

圖2 整體電路控制結構圖

電流控制環(huán)開環(huán)傳遞函數為：

其中，UL為經過整流橋后的電壓，即雙半正弦波；GCB（s）為電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數。

根據推導出的整體電路傳遞函數，使用Simulink 中的PID Controller 模塊中的tune 功能分別進行電流內環(huán)及電壓外環(huán)PI參數的選取，并將該參數運用于Simulink 中搭建的Boost APFC電路中進行仿真。

本文所研究的單相Boost 有源功率因數校正電路，其技術指標為：

圖3 整體電路仿真模型

輸入電壓163V/400Hz，輸出功率1kW，輸出電壓350V,THD小于10%，功率因數達到0.98。主電路參數：升壓電感0.35mH，輸出電容0.3mF。

3 仿真結果與分析

為了驗證所建系統的穩(wěn)定性，仿真結果分析分為兩個部分：靜態(tài)結果分析和動態(tài)結果分析。

3.1 靜態(tài)分析

圖4(a)表示整流器前端的電壓電流波形。由圖可知，電壓、電流波形為嚴格的正弦波形，且為同頻同相，功率因數為0.988；輸入電流的總諧波畸變率為6.64%。輸入功率因數明顯提高，總諧波畸變率明顯減小。圖4(b)表示APFC 電路輸出電壓波形，輸出電壓穩(wěn)定在350V，紋波為0.77%。整體達到了技術指標要求。

圖4 APFC 電路輸入、輸出波形

3.2 動態(tài)分析

整個電路選擇在0.4s 時加載，為系統提供一定擾動。圖5為受到擾動后的輸入電壓、輸入電流波形以及輸出電壓波形。

圖5(a)表示動態(tài)過程中的整流器前端的電壓電流波形。由圖可知，0.4s前后電壓、電流波形為嚴格的正弦波形，且為同頻同相，0.4s 后輸入電流幅值增加，功率因數為0.981；輸入電流的總諧波畸變率7.71%。0.4s 后輸入功率因數有明顯提高，總諧波畸變率依然很小。圖5(b)表示APFC 電路輸出電壓波形，由圖可知，在0.4s 時電壓值有波動，但很快又穩(wěn)定在350V，穩(wěn)定后紋波為0.83%，整體達到了技術指標要求。

4 結論

本文基于Boost APFC 拓撲使用平均電流控制方法進行其控制策略的研究。分析了控制原理，并利用電流注入法對功率級電路進行了小信號建模，得出來由控制到電感電流和由控制到輸出電壓的傳遞函數，結合自動控制原理相關知識使用Simulink 工具得出電流環(huán)及電壓環(huán)的控制PI 參數，并搭建模型進行了仿真驗證。由靜態(tài)及動態(tài)仿真結果可知：該控制參數下的輸入電流波形是嚴格的正弦波，功率因數得到提高，諧波含量大大減少，整體滿足指標要求。

圖5 APFC 電路輸入、輸出波形(0.4s 加載)