基于直接電流控制的并聯(lián)型PFC變換器研究

摘要：提出了并聯(lián)型功率因數(shù)校正(PFC)的概念，揭示了基于直接電流控制的并聯(lián)型有源電力濾波器(APF)和傳統(tǒng)PFC技術(shù)的內(nèi)在聯(lián)系。并聯(lián)型PFC兼具并聯(lián)型APF和傳統(tǒng)PFC的優(yōu)點(diǎn)，即只需處理諧波和無功功率，裝置容量小，效率高，且無需計(jì)算諧波及無功電流，就能實(shí)現(xiàn)單位PFC，且控制簡單。在此詳細(xì)分析了并聯(lián)型PFC變換器的工作原理，建立了系統(tǒng)的小信號模型，并對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最后通過1 kW，20 kHz的原理樣機(jī)驗(yàn)證了并聯(lián)型PFC系統(tǒng)具有良好的諧波補(bǔ)償效果和PFC性能。
關(guān)鍵詞：功率因數(shù)校正；有源電力濾波器；直接電流控制；諧波補(bǔ)償

1 引言
隨著電力電子裝置的大量應(yīng)用，電力系統(tǒng)中諧波污染問題日益嚴(yán)重。PFC技術(shù)和APF作為抑制入網(wǎng)電流諧波的有效手段得到了廣泛研究。
文獻(xiàn)提出了APF的直接電流控制方法，該方案的實(shí)質(zhì)為并聯(lián)型PFC意即將并聯(lián)APF的拓?fù)渑cPFC的控制策略相結(jié)合，使輸入端電流的波形跟蹤輸入正弦電壓波形，實(shí)現(xiàn)單位PFC。
此處詳細(xì)分析了基于直接電流控制的并聯(lián)型PFC變換器工作原理，提出了變換器直流側(cè)穩(wěn)壓、網(wǎng)側(cè)電流跟蹤電壓波形的電壓電流雙閉環(huán)控制方案，并建立了系統(tǒng)的小信號模型。在此基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善了系統(tǒng)的補(bǔ)償性能，并通過一臺1 kW，20 kHz的原理樣機(jī)驗(yàn)證了參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。

2 并聯(lián)型PFC的工作原理及控制方案
單相并聯(lián)型PFC變換器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為單相全橋逆變器，如圖1中虛線框1所示。逆變器通過濾波電感L與單相電網(wǎng)相連，直流側(cè)接C，電容電壓Udc在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)可視作恒定。
交流輸出側(cè)接電感有兩個(gè)作用：①保證電流可控，逆變器交流側(cè)為等效電壓，并聯(lián)型PFC輸出為受控電流，所以電感起到控制量轉(zhuǎn)換的作用；②作為一階低通濾波器濾除開關(guān)諧波。直流側(cè)電容作用在于：緩沖逆變器直流側(cè)與交流側(cè)間的能量交換，穩(wěn)定直流側(cè)電壓，抑制直流側(cè)諧波電壓。

圖1中虛線框2為諧波源負(fù)載，其iL中含有基波電流和諧波電流。設(shè)基波電流的有功分量為iLf，基波電流的無功分量及諧波電流之和為iLh。并聯(lián)型PFC的控制目標(biāo)是控制電源電流跟蹤電源電壓波形，實(shí)現(xiàn)單位PFC。若直接控制電源電流is為iLf，則逆變器輸出的電流ic即為iLh。

并聯(lián)型PFC系統(tǒng)采用電壓、電流雙閉環(huán)控制，控制框圖如圖2所示。采樣逆變橋的直流側(cè)電壓Udc與基準(zhǔn)值Uref比較送入電壓控制器，輸出電源電流的指令電流幅值，采樣電源電壓us得到與其同頻同相的單位幅值正弦信號S，將S與相乘作為電源電流的指令信號，與實(shí)際電流比較經(jīng)電流控制器后作為調(diào)制信號，和三角波交截產(chǎn)生SPWM開關(guān)控制信號。逆變器的開關(guān)控制策略采用單極倍頻SPWM技術(shù)。