单相有源功率校正电路

实验五：单相有源功率校正电路（一）实验目的1.掌握单相有源功率校正电路的工作原理，要求输出电压达到给定值，且网侧电流正弦化，功率因数为1；2.掌握电压外环和电流内环的设计方法。（二）实验原理有源功率因数校正(ActivePowerFactorCorrectionAPFC)电路，是指在传统的不控整流中融入有源器件，使得交流侧电流在一定程度上正弦化，从而减小装置的非线性、改善功率因数的一种高频整流电路。基本的单相APFC电路在单相桥式不可控整流器和负载电阻之间增加一个DC-DC功率变换电路，通常采用Boost电路。通过适当的控制Boost电路中开关管的通断，将整流器的输入电流校正成为与电网电压同相位的正弦波，消除谐波和无功电流，将电网功率因数提高到近似为1。其电路原理图如图1所示。假定开关频率足够高，保证电感L的电流连续;输出电容C足够大，输出电压uo可认为是恒定直流电压。电网电压ui为理想正弦，即ui=Umsinωt，则不可控整流桥的输出电压ud为正弦半波，ud=|ui|=Um|sinωt|。图1.APFC电路原理图当开关管Q导通时，ud对电感充电，电感电流iL增加，电容C向负载放电;当Q关断、二极管D导通时，电感两端电压uL反向，ud和uL对电容充电，电感电流iL减小。电感电流满足下式。通过控制Q的通断，即调节占空比D，可以控制电感电流iL。若能控制iL近似为正弦半波电流，且与ud同相位，则整流桥交流侧电流ii也近似为正弦电流，且与电网电压ui同相位，即可达到功率因数校正的目的。为此需要引入闭环控制。控制器必须实现以下两个要求:一是实现输出直流电压uo的调节，使其达到给定值;二是保证网侧电流正弦化，且功率因数为1。即在稳定输出电压uo的情况下，使电感电流iL与ud波形相同。采用电压外环、电流内环的单相APFC双闭环控制原理如图2所示。电压外环的任务是得到可以实现控制目标的电感电流指令值iL∗。给定输出电压uo∗减去测量到的实际输出电压uo的差值，经PI调节器后输出电感电流的幅值指令IL∗测量到的整流桥出口电压ud除以其幅值Um后，可以得到表示ud波形的量ud′,ud′为幅值为1的正弦半波，相位与ud相同。IL∗与ud′相乘，便可以得到电感电流的指令值iL∗。iL∗为与ud′同相位的正弦半波电流，其幅值可控制直流电压uo的大小。图2.APFC控制框图电流内环的任务是通过控制开关管Q的通断，使实际的电感电流气跟踪其指令值iL∗。此处采用滞环电流控制方法。根据电感电流的公式，当Q导通时电感电流增大，而当Q关断时电感电流减小。令iL∗减去iL，若差值∆iL大于规定的上限∆iLmax，则令Q导通，以增大iL;若差值∆iL小于规定的下限∆iLmin(∆iLmin0)，则令Q关断，以减小iL。通过滞环控制，可以保证实际的电感电流iL在其指令值iL∗附近波动，波动的大小与滞环宽度有关，即与设定的∆iLmax和∆iLmin有关。（三）实验内容1.在MATLAB/Simulink中构建单相有源功率校正电路；2.测量输入、输出电压波形，输入电流波形，并进行谐波分析。（四）实验过程与结果分析1．仿真系统MATLAB平台2．仿真参数直流电压指令为400V的constant模块。输入电压有效值为220V,频率5OHz；输出直流电压指令uo∗为400V；电感L=6mH；电容C=320uF；负载电阻R=160Ω；在二极管整流桥中，Rs=1e5Ω，Cs=le-6F，Ron=le-3Ω，Lon=O，Vf=O；开关管Q采用MOSFET，Ron=0.OO1Ω，Lon=0，Rd=0.01Ω，Vf=O,Ic=0,Rs=1e5Ω，Cs=inf；Boost电路中二极管参数，Ron=0.001Ω，Lon=0，Vf=0.8V，Ic=0，Rs=5OOΩ，Cs=250e-9F。滞环比较器与PID模块的参数设置，如图3所示。图3.滞环比较器与PID模块的参数设置3．仿真波形与分析采用Boost电路的单相有源功率因数校正电路的仿真模型，如图4所示。图4.APFC仿真模型利用powergui将仿真设置为离散模型，Ts=1e-6。起始结束时间为0~0.5s。其他为默认参数。直流电压波形如图5所示。平均值为402V，如图6所示，基本满足控制器实现输出直流电压调节的要求。对波形进行FFT分析，如图7所示，可知电压波动周期为0.01s，基本为工频的两倍。图5.直流电压波形图6.直流电压平均值图7.FFT分析设置对话框及结果输出iL与ud的波形、ii与ui的波形分别如图8、图9所示。图8.iL与ud的波形图9.ii与ui的波形从图8可以看出电压电流基本同相位，即功率因数基本为1。也可以通过观察fourier模块的相角，来判断电压电流是否同相位，如图9（左图）所示。交流侧电流THD及基波功率，如图9（右图）所示。图5.9电压电流相角、电流THD及基波功率ii的THD=0.1252，P=1061W，Q=-23.29Var。有公式得，ν=1√1+THD2=1√1+0.12522=0.9923DPF=cosφ1=P√P2+Q2=1061√10612+(−23.29)2=0.9998可计算总的功率因数为λ=νcosφ1=0.9921≈1。4．结论本实验所搭仿真模型，符合实验原理，满足控制器实现网侧电流正弦化，且功率因数为1的要求。