基于直接电流控制的并联型PFC变换器研究

摘要：提出了并联型功率因数校正(PFC)的概念，揭示了基于直接电流控制的并联型有源电力滤波器(APF)和传统PFC技术的内在联系。并联型PFC兼具并联型APF和传统PFC的优点，即只需处理谐波和无功功率，装置容量小，效率高，且无需计算谐波及无功电流，就能实现单位PFC，且控制简单。在此详细分析了并联型PFC变换器的工作原理，建立了系统的小信号模型，并对系统参数进行优化，最后通过1 kW，20 kHz的原理样机验证了并联型PFC系统具有良好的谐波补偿效果和PFC性能。
关键词：功率因数校正；有源电力滤波器；直接电流控制；谐波补偿

1 引言
随着电力电子装置的大量应用，电力系统中谐波污染问题日益严重。PFC技术和APF作为抑制入网电流谐波的有效手段得到了广泛研究。
文献提出了APF的直接电流控制方法，该方案的实质为并联型PFC意即将并联APF的拓扑与PFC的控制策略相结合，使输入端电流的波形跟踪输入正弦电压波形，实现单位PFC。
此处详细分析了基于直接电流控制的并联型PFC变换器工作原理，提出了变换器直流侧稳压、网侧电流跟踪电压波形的电压电流双闭环控制方案，并建立了系统的小信号模型。在此基础上，对系统参数进行了优化设计，改善了系统的补偿性能，并通过一台1 kW，20 kHz的原理样机验证了参数设计的合理性。

2 并联型PFC的工作原理及控制方案
单相并联型PFC变换器的基本拓扑结构为单相全桥逆变器，如图1中虚线框1所示。逆变器通过滤波电感L与单相电网相连，直流侧接C，电容电压Udc在一个开关周期内可视作恒定。
交流输出侧接电感有两个作用：①保证电流可控，逆变器交流侧为等效电压，并联型PFC输出为受控电流，所以电感起到控制量转换的作用；②作为一阶低通滤波器滤除开关谐波。直流侧电容作用在于：缓冲逆变器直流侧与交流侧间的能量交换，稳定直流侧电压，抑制直流侧谐波电压。

图1中虚线框2为谐波源负载，其iL中含有基波电流和谐波电流。设基波电流的有功分量为iLf，基波电流的无功分量及谐波电流之和为iLh。并联型PFC的控制目标是控制电源电流跟踪电源电压波形，实现单位PFC。若直接控制电源电流is为iLf，则逆变器输出的电流ic即为iLh。

并联型PFC系统采用电压、电流双闭环控制，控制框图如图2所示。采样逆变桥的直流侧电压Udc与基准值Uref比较送入电压控制器，输出电源电流的指令电流幅值，采样电源电压us得到与其同频同相的单位幅值正弦信号S，将S与相乘作为电源电流的指令信号，与实际电流比较经电流控制器后作为调制信号，和三角波交截产生SPWM开关控制信号。逆变器的开关控制策略采用单极倍频SPWM技术。
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3 主电路参数设计
3．1 直流侧电容
直流侧电压的稳定是保证PFC系统具有良好补偿性能的一个重要因素。因此设计时主要考虑直流侧电压稳定的需要。
直流侧电压的脉动主要来自于逆变器补偿电流中的谐波及无功分量造成的能量脉动，以及开关损耗和交流电感储能引起的能量脉动，其中以无功电流引起的脉动最为明显，设计直流侧电容：

式中：Us为电源电压有效值；Iq为单桥无功电流有效值；δ为允许的电压脉动比例；ω为电网角频率。
为保证主电路能够实时跟踪电流，应满足电源电压峰值Usp≤MUdc，M为幅度调制比。
3．2 交流侧电感
交流侧电感及其等效串联电阻RESR组成一个低通滤波器，设计时应保证其通频带尽量远离开关频率，避免开关噪声的干扰。先设定噪声容限，只有小于噪声容限的谐波才被认为不干扰信号。取容限β=I(n)／I(1)=10％，其中I(n)为谐波电流幅值，I(1)为基波电流幅值。

由于补偿电流是通过高频开关产生的，因此含有大量的开关纹波。考虑电流纹波，令谐波电流脉动幅值最大值为△Imax，则电感应满足：
L≥Usp(Udc-Usp)／(fs△ImaxUdc) (4)
从PFC系统的补偿性能角度而言，电感越小，系统的传输带宽越宽，动态响应速度越快；从减小电流纹波的角度，电感越大越好。故应兼顾两方面要求，根据式(3)和式(4)选取合适的电感值。

4 控制系统参数设计
图3示出并联型PFC系统框图。对基波而言，含SPWM环节逆变桥可等效为比例环节K。

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4．1 电流内环设计
电流环若加入积分调节会引起谐波相位的滞后，影响主电路谐波补偿效果，因此电流环采用P控制器，如图4所示。

内环的开环传递函数为：
G(s)=PUref／(sLUcm) (5)
当Uref，L，Ucm均为定值，参数P从零变到无穷时，电流内环根轨迹不会穿越虚轴进入s右半平面，因此系统对所有的P值都是稳定的。P越大，则系统响应越快，但P过大，会影响其稳态性能，引起振荡。
4．2 电压外环设计
图5a示出电压外环控制框图。Uref和Udc的误差经PI调节后作为，相当于引入了基波有功分量，使得电网与主电路交换有功能量。

电压环PI调节后的误差在直流侧电压稳态工作点附近相当于一阶积分环节。由此可得直流侧电压控制的闭环传递函数框图，如图5b所示。其闭环传递函数为：

Kp，K1取值时主要考虑系统的稳定性。Kp值较大，会使电源电流指令信号畸变，从而使实际电流波形畸变。因此Kp值不宜大，主要靠积分调节得到平滑的误差调节信号，消除系统静差。
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5 实验验证
样机相关参数如下：电源电压220 V／50 Hz，直流侧电容2 200μF，交流侧电感1 mH，直流侧电压基准400 V，开关频率20 kHz，负载由线性负载(cosφ=0．75)和非线性负载(二极管整流桥接感容滤波负载)组成。
图6示出电源电压us、补偿后电源电流ic、负载电流iL、逆变器补偿电流ic的实验波形。

由图可见，系统带不同性质的负载时，补偿前电源电流与电源电压存在相位差，或者电源电流本身波形有畸变，或两种问题兼而有之。补偿后电源电流与电源电压相位一致且电源电流正弦化，提高了输入端功率因数。

表1示出不同负载情况下实验结果对比。可见，系统接感性负载时，逆变器引入了开关次谐波，补偿后THD大于补偿前，但在允许范围内；接其他负载时，补偿后THD大幅降低。补偿后功率因数λ接近于1，能够实现单位PFC。

6 结论
此处阐述了并联型PFC的工作原理，对主电路、控制电路参数的选取进行了详细分析与设计，并进行了实验研究。实验结果表明，并联型PFC系统具有良好的补偿效果和PFC性能。
直接电流控制的并联型PFC系统具有以下优点：①由于采用直接电流控制，无需对谐波和无功电流进行检测分析，控制电路简单；②并联型结构中，PFC变换器无需处理AC／DC变换的全部功率，只需处理谐波和无功功率，装置容量小，损耗低；③由于采用并联型结构，可采用多个逆变桥并联或级联，通过适当的控制策略在较低的开关频率即可达到较高的等效开关频率。