数字控制的单周期PFC整流器的设计与分析

第34卷第21期中国电机工程学报Vol.34No.21Jul.25,20142014年7月25日ProceedingsoftheCSEE©2014Chin.Soc.forElec.Eng.3423DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.21.004文章编号：0258-8013(2014)21-3423-09中图分类号：TM46数字控制的单周期PFC整流器的设计与分析王智，方炜，刘晓东(安徽工业大学电气信息学院，安徽省马鞍山市243032)DesignandAnalysisofDigitallyControlledHighPowerFactorRectifiersBasedonOne-cycleControlWANGZhi,FANGWei,LIUXiaodong(InstituteofElectricalandInformation,AnhuiUniversityofTechnology,Ma’anshan243032,AnhuiProvince,China)ABSTRACT:Theone-cyclecontrolisasimpleandeffectivenon-linearcontrolmethod,whichhasbeenwidelyusedinhighpowerfactorrectifiers.Thispaperproposedathree-phasethree-switchpowerfactorcorrection(PFC)rectifierwithone-cyclecontrol.Firstly,usingthestate-spaceaveragingmethod,theoperationmethodofthethree-phaserectifierandthecurrentoddharmonicswereanalyzedindetail.Basedontheanalysis,animprovedpulsewidthmodulation(PWM)methodwasintroduced.Withthemodifiedmodulatedsignalofthecomparator,theoddharmonicsininputcurrentswerereducedsignificantly.Moreover,thesteady-statestabilityanalysisandthedigitalcontrolstrategywereexplainedrespectively.Thesimulationresultsandexperimentalinvestigationsverifythetheoreticalanalysis.KEYWORDS:powerfactorcorrection(PFC);one-cyclecontrol(OCC);three-phaserectifier;digitalimplementation摘要：单周期控制作为一种简单有效的非线性控制方法，广泛应用于高功率因数整流器。该文研究一种基于单周期控制的三相三开关功率因数校正(powerfactorcorrection，PFC)整流器，基于状态空间平均法研究了三相整流器的控制规律，针对单周期控制下输入电流的奇次谐波问题，提出一种改进的脉冲宽度调制(pulsewidthmodulation，PWM)方法，通过改变比较器的输入调制信号，消除了传统单周期控制方法所带来的输入平均电流中的奇次谐波，并进行了稳定性分析。最后，提出一种数字控制的PFC实现方案。实验结果表明，该文所提出的控制方法使三相整流器输入电流的谐波含量明显降低，功率因数和电能质量得到提高，且有良好的动态响应性能。关键词：功率因数校正；单周期控制；三相整流器；数字实现基金项目：国家自然科学基金项目(51207001)。ProjectSupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(51207001).0引言单周期控制是一种不需要乘法器的非线性控制方法[1-2]。该方法无需对输入电压进行采样，无论系统处于稳态或暂态时，都能保持受控量恰好等于或正比于控制参考信号，具有控制算法简单、抗输入和输出干扰性强的优点，因而受到越来越多的关注，广泛应用于功率因数校正技术中。目前，在对三相单周期功率因数校正(powerfactorcorrection，PFC)的研究中，大多数考虑的是三相电源平衡情况下的脉冲宽度调制(pulsewidthmodulation，PWM)整流器控制问题，且主要以模拟控制为主[3-5]，而对于供电系统在电源电压不平衡条件下的单周期控制方法研究不多。文献[6-7]给出单周期控制在不平衡条件下三相三线制整流器的控制研究，但需要对单周期控制下的输入电压进行采样分析，且控制方法较复杂。采用三相四线VIENNA结构[8]，可以实现三相之间的解耦关系，有效抑制输入电压不平衡带来的影响，但文献[8]所采用的单周期控制是一种峰值电流控制方式。为了减小电流纹波对输入电流畸变的影响，文献[9-10]采用较高的开关频率，文献[11,13]则使用较大感值的输入滤波电感，由此增加系统的开关损耗或增大系统的体积。文献[12]则提出一种以三角波作为载波的双边调制方法，降低了单相VIENNA整流器中输入电流奇次谐波，然而PWM的产生需要进行实时比较，仅局限于模拟电路实现，电路较复杂。在基于单周期控制的三相PFC研究中，为了改善整流系统控制精度和稳定性，文献[13]分析了闭环系统占空比收敛问题，文献[14]则对电压外环补偿网络进行了研究。数字控制技术具有调试方便、可实现3424中国电机工程学报第34卷较复杂算法、抗噪声能力强等优点，已逐渐成为电力电子领域的研究重点之一。但基于数字控制技术的单周期PFC的研究，目前仍集中在单相PFC控制算法的研究[15-17]，文献[12]所采用的方案存在信号采样速度与实时比较之间矛盾，因此难以实现数字控制。本文研究了一种基于单周期控制的三相三开关PFC整流器，其拓扑结构能够实现三相电路之间的解耦，有效抑制三相输入不对称带来的影响。另外，提出一种适合于数字控制的改进PWM调制方法，通过改变单周期内环比较器的输入调制信号，有效降低传统单周期控制方法所带来的电流奇次谐波。同时，电压外环采用比例-积分(proportionintegration，PI)补偿网络进行设计，改善了整流器的控制精度和稳定性。最后，基于数字信号处理器(TMS320F2812)研制了一台3.6kW的实验样机，并对本文所提方法进行了实验验证，证明理论分析的正确性和有效性。1单周期控制的工作原理及其分析基于单周期控制的三相三开关PFC整流器的电路结构如图1所示。aU单周期控制器电压环PI调节驱动电路aibUcUbiciaLbLcLABCapDbpDcpDanDbnDcnDpiniOaSbScSpCnCoioRFB1RFB2Rourefu()vASmuiauibuicu电流采样−+图1单周期控制的三相三开关PFC整流器Fig.1Circuitofthethree-phasethree-switchPFCrectifierwithone-cyclecontrol电路工作在连续电流(continuouscurrentmode，CCM)模式下，其中，Ua、Ub、Uc为三相输入电源，ia、ib、ic为三相输入电流，设Di(i=a，b，c)分别为3个开关管在一个开关周期所对应的占空比，由此可以得到A、B、C这3点的开关周期平均电压为aaAOaPNbbBObPNccCOcPN11(1)()2211(1)()2211(1)()22kkUDUUkkUDUUkkUDUU+−⎧=−+⎪⎪+−⎪=−+⎨⎪+−⎪=−+⎪⎩(1)式中：ki(i=a,b,c)表示输入电压状态(ki=1，表示输入相电压为正；ki=−1表示输入相电压为负)，当电路达到稳定状态时，两电容上的电压均衡，且为输出电压的一半(即UP=UN=0.5Uo)，式(1)可进一步简化为式(2)AOaaoBObboCOcco0.5(1)0.5(1)0.5(1)UkDUUkDUUkDU=−⎧⎪=−⎨⎪=−⎩(2)因此，每个开关周期内的平均电路模型如图2所示。aao0.5(1)kDU−OABCaUcUbUaLbLcLbbo0.5(1)kDU−cco0.5(1)kDU−O+−+−+−图2开关周期内的平均电路模型Fig.2Averagemodelinswitchingcycle稳态时，由电感电压伏秒平衡可得aAOaaobBObbocCOcco0.5(1)0.5(1)0.5(1)UUkDUUUkDUUUkDU==−⎧⎪==−⎨⎪==−⎩(3)因为Ui与ki(i=a,b,c)同号，式(3)可以进一步简化为aaobbocco0.5(1)0.5(1)0.5(1)UDUUDUUDU⎧=−⎪=−⎨⎪=−⎩(4)由式(4)可以看出，任意相开关管的占空比大小只与其输入相电压值及输出电压有关，与其他两相无关，实现了三相之间的解耦。为实现三相功率因数校正，各相输入阻抗应为纯阻性，则各相输入电压、电流应满足aeabebcecURiURiURi=×⎧⎪=×⎨⎪=×⎩(5)式中Re为等效输入阻抗。将式(5)代入式(4)，等式两边同时乘以电流取样比Rs，记um=0.5RsUo/Re，可得asbscssamamsm0sbmbmsm0scmcmsm0(1)1/d(1)1/d(1)1/dDTDTDTRiuDuTutRiuDuTutRiuDuTut⎧=−=−⎪⎪=−=−⎨⎪⎪=−=−⎩∫∫∫(6)式中Ts为开关周期。式(6)为单周期控制的核心函数，不难看出三相三开关PFC整流器的控制相互独第21期王智等：数字控制的单周期PFC整流器的设计与分析3425立，每一相等效视为独立的控制回路。2改进PWM调制的控制方案与稳定性分析2.1改进PWM调制的控制方案单周期控制的核心是通过实时比较输入电感电流与调制波信号，从而得到每个周期内占空比信号，但这种峰值电流调制方法会导致电感电流中存在较大的低频奇次谐波[12]。为了有效改善输入电流质量，降低奇次谐波的含量，并且适合于数字控制的实现，现提出一种改进的PWM调制方法。以A相为例，如果能够使输入电流ia(即电感电流)的平均值ia_avr跟随输入电压呈正弦变化，即可实现降低奇次谐波含量的目的。因此，本文拟改变与载波信号进行比较的输入调制信号u′ia，使其正比于输入电流ia的平均值iavalpksa_vala_pk()(||)ukuukRii′=+=+(7)式中：ia_val、ia_pk分别为一个周期内电感电流的谷值和峰值，k为比例系数，待系统稳定后，新稳态下电压环输出为u′m。当比较器输入信号u′ia与积分器的输出信号相等时，有sa_vala_pkma(||)(1)kRiiuD′′+=−(8)式中D′a为改进PWM调制下的占空比大小。再结合式(3)，可得sa_vala_pkamo(||)/0.5kRiiUuU′+=(9)在开关周期内，输入电流的平均值ia_avr可近似看成电感电流的谷值和峰值的平均值，则a_avramso2/0.5kiUuRU′=(10)式中u′m、Uo为恒定值，比例系数k可选取为1，新的PWM调制下输入等效阻抗为R′e=RsUo/u′m，则a_avraeame/sin/iURURθ′′==(11)式中Uam为A相输入电压的峰值。因此，输入平均电流ia_avr正比于输入电压Ua。式(11)中，电感电流的平均值已无低频奇次谐波分量，达到了提高输入电流质量的目的。根据上述理论分析，本文所提出的改进方法主要是控制并使比较器的输入信号u′ia等于每个开关周期初始电流值与电感电流实时值之和，即iavaliasa_vala(||)uuuRii′=+=+(12)式中：uval为一个周期内电感电流谷值采样值；uia为电感电流实时采样值；ia为输入电感电流值。PWM信号产生的逻辑如图3所示。sa_val