基于单周期控制的高功率因数整流器仿真

随着电力电子技术的不断发展，带非线性负载的电力电子装置在电网中得到广泛应用并产生大量电流谐波，电力系统的波形畸变及由此产生的谐波不仅大大降低了系统的功率因数，而且也给系统带来了危害。
    寻求更加简单的控制策略，降低PFC成本，减少总谐波含量(THD)和EMI，目前对三相功率因数校正方面的研究主要集中在控制策略和拓扑结构方面。控制策略的研究主要集中在电流型控制、多环控制、单周期控制、矢量控制等方面。采用单周期控制技术控制三相整流器以减小电流畸变，使输入电流在每个开关周期都能很好跟踪参考电流，使直流输出端存在大量电流谐波时，也能实现较小的输入电流畸变，从而实现高功率因数整流。

1 整流器的拓扑结构
    三相三开关PFC电路如图1所示，主要有两电平和三电平2种结构。图1(a)为三电平结构，两电容中点电位与电网中点的电位基本相同，通过双向开关Sa、Sb、Sc分别控制对应相的电流。开关合上时对应相的电流幅值增大，开关断开时对应桥臂上的二极管导通电路，在输出电压的作用下Boost电感上的电流减小，从而实现对电流的控制。图1(b)所示的电路为两电平结构，通过开关动作，可以控制相间的电流。开关管导通时，电感储能，电感电流增大；开关管关断时，电源和电感共同向负载供电，电流减小。

    可以看出，以上两种拓扑结构各有优缺点。这里选择两电平的拓扑结构，采用分区间控制的方法，让其工作在双端并联Boost态，这种控制方法的特点是在任何时刻只有两只开关管工作在高频状态下，故损耗较小。当电路工作在连续导电模式下，该结构电路使输入电压和输入电流同相位，能够实现单位功率因数，并且输入电流总谐波含量较低。

2 单周期控制(0CC)技术
    0CC技术是90年代初发展起来的一种非线性大信号PWM控制理论，也是一种模拟PWM控制技术。它通过控制开关的占空比，使每个开关周期中开关变量的平均值严格等于或正比于控制参考量。平均输入电流跟踪参考电流且不受负载电流的约束，即使负载电流具有很大的谐波也不会使输入电流发生畸变。因而将单周期控制技术应用于三相整流器中可以实现低电流畸变和高功率因数，这种控制方法取消了传统控制方法中的乘法器，使整个控制电路的复杂程度降低，具有动态响应快、开关频率恒定、鲁棒性强、易于实现等优点，是一种很好的控制方法。
2．1 OCC技术基本原理
    图2为固定开关频率的单周期控制降压变换器原理图。

为对单周期控制技术进行说明，现以单周期控制降压变换器为例进行说明。图2中，电路工作时，由控制器以恒定频率产生开通脉冲开通开关S，二极管VD的电压VS经积分器后输出电压Vinf，当Vinf达到给定电压Vref时比较器输出翻转，控制器发出关断信号关断开关S；与此同时，控制器发出的复位信号使实时积分器复位至零，为下一周期做好准备。可以看出，降压变换器的输出电压是二极管电压的平均值，即被开关周期断开的二极管电压波形曲线下的面积：
   
    如果给定信号Vref为常数，二极管的平均电压VS就为常数，从而输出电压就为常数。积分值连续的与恒定的控制参考量相比较，如果输入电压变高，积分值能很快达到控制参考量，占空比随之变小；若输入电压降低，则占空比将变大。如果控制参考量是变化的，那么在一个开关周期内，二极管电压的平均值等于变化的控制参考量，输出电压等于控制参考量。控制参考量在每个阶跃期间内改变它的值，二极管电压的积分值会立即跟踪控制参考量，对于这个控制原理，占空比d由式(2)确定。
   
    可见，占空比d是输入电压Vg和给定电压Vref的非线性函数。因此这种控制方式属非线性控制。由于这种非线性控制，使得VS的电压平均值在每一开关周期内都与Vref完全相同，并且与输入电压Vg无关。这样，输出电压V0便是给定电压Vref的线性函数：
   
2．2 单周期控制在PFC整流器中的应用
    单周期控制是一种不需要乘法器的新颖控制方法，将整个周期每隔60°进行划分，共分为6个区间。依据PWM控制技术的工作原理，三相整流器可以在每个60°区间内只控制2个开关的通断实现单位功率因数。电路等效成2个单相Boost电路并联，可以用单相PFC的控制技术对电路进行控制。现以固定开关频率的单相Boost型PFC为例，来论述单周期控制技术在高功率冈数整流器中的应用。

    图3所示为单周期控制的PFC整流器，省去了线电压检测器和乘法器，是一种比较简单的电流控制模式，电流检测电路与传统的乘法器控制方式中所使用电流检测电路不同。检测电流为电感电流的Boost功率因数校正器，电流检测采用电感回路串联一只精密无感电阻RS实现。RS可位于流经电感电流的任意位置。通常，将RS设置在直流侧，这样检测电路就比较简单，且不需要进行隔离。
    设定脉冲信号由Q端取出作为触发信号，采用下降沿调制时的控制规律为：
   
    在Boost变换器中，假设输入阻抗为理想电阻，则输入电流的平均值等于电感电流的平均值，即：
   
    式中，Re为等效输入阻抗，vg为输入电压。
稳态状态时，单相PFC整流器的输出电压V0与输入电压vg的关系为：
   
    将单相Boost变换器中电压转换率M(d)=1／(1-d)代入式(7)，所得方程两边同乘以常数RS，并令vm=V0RS／Re，整理可得：
   
    式(8)表示了平均电感电流的控制规律。若忽略纹波，平均电感电流等于瞬时电感电流，故电感电流的控制规律可表示为：
   
    式(9)为通用的单相PFC控制方程，该方程右边主要由PWM调制器实现，而左边则由电流检测电路实现。

3 基于Saber的整流器仿真
3．1 Saber软件
    Saber软件是由美国Analogy公司开发的系统仿真软件，可用于电子、电力电子、机电一体化、机械、光电、光学、控制等不同类型系统构成的混合系统仿真，它为复杂的混合信号设计与验证提供了一个功能强大的混合仿真器，可解决从系统开发到详细设计、验证等一系列问题。Saber支持自顶向下的系统设计和由底向上的具体设计、验证，它具有很大的通用模型库和较为精确的具体型号器件模型。专门为Saber仿真器设计的Saber Sketch是建立系统的平台，它提供了友好的用户图形界面，使得仿真非常直观。在Saber Scope中可观察波形，并有多种测量、分析、比较的方法，可以满足多种实验要求。因此，在Saber Sketch中建立系统的模型，仿真各种控制策略，模拟现实的各种稳态瞬态情况，有利于降低开发费用和缩短研究周期。
3．2 整流器的Saber仿真
    为了验证理论的正确性，按照单周期控制原理和图4所示的三相PFC的核心控制框图，利用Saber软件对该电路进行仿真。利用Saber Ske-tch提供的电力电子和控制系统模块以及信号转换接口模块，并用Saber中具体型号的器件模型，搭建了系统的仿真模型。仿真具体参数如下：输入电压为三相交流115 V，400 Hz，输出直流电压为350 V，输出功率为5 kW，输入电感为0．5 mH，滤波电容为2 200μF，电压反馈电路中KP=20，KI=0．25，开关频率为100 kHz。通过仿真得到A相输入电压和电流波形以及直流侧输出电压波形图，如图5所示。对该A相输入电流进行傅里叶分析，测得该相电流的THD为3．852％，将所得的数据运用LabVIEW软件编写的功率因数分析软件进行分析，得到整流器的功率因数为0．993。由此可见，该系统基本实现了单位功率因数。

4 结束语
    基于单周期控制技术的高功率因数整流器的三相三开关拓扑结构，研究了控制策略。在工频周期每60°的区间中，只有2个开关工作在高频开关频率，减少了开关损耗，并用Saber软件进行仿真，结果显示输入电压和输入电流同相位，验证了采用单周期控制技术能够实现高功率因数。这种控制方法能在一个开关周期内，有效抵制电源侧的扰动，并使整个控制电路的复杂程度得到降低，有很好的应用前景。