基于模糊PI控制的單相無橋PFC的研究

黃健全，李世軍，楊亞超

(1.湘南學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院,郴州 423000；2.湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院,湘潭 411104；3.湖南工程學(xué)院 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗室，湘潭 411104)

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基于模糊PI控制的單相無橋PFC的研究

黃健全1，李世軍2，3，楊亞超2

(1.湘南學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院,郴州 423000；2.湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院,湘潭 411104；3.湖南工程學(xué)院 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗室，湘潭 411104)

研究了基于模糊PI控制的單相無橋功率因數(shù)校正變換器(PFC)，分析了其工作原理和控制方法.根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗提出了將參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整的模糊PI代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PI作為雙閉環(huán)控制，模糊PI控制的PFC能夠工作在較寬的負(fù)載變化和輸入電壓的范圍內(nèi)，響應(yīng)速度快，精度更高.同時，給出了PFC的設(shè)計參數(shù).實(shí)驗結(jié)果在一臺3.8 kW的樣機(jī)上得到驗證，證明了基于模糊PI控制的單相無橋PFC性能較傳統(tǒng)PI控制更優(yōu)越.

模糊PI;雙閉環(huán);乘法器;功率因數(shù)校正

0 引言

功率因數(shù)是衡量電氣設(shè)備性能的一項重要指標(biāo).隨著電氣設(shè)備的日益普及，給電網(wǎng)帶來了嚴(yán)重的諧波污染問題.隨IEC61000-3-2國際標(biāo)準(zhǔn)頒布，PFC已成為研究的熱點(diǎn).且PFC已成為整流器整體設(shè)計的一部分，形成了一個獨(dú)立的AC/DC整流系統(tǒng).常用的Boost PFC電路控制簡單，電流畸變率低，但在大功率場合，由于前級整流橋的存在，會增加導(dǎo)通損耗，降低效率.無橋PFC電路適合在大功率下工作，具有一定的優(yōu)勢.

在控制算法上，采用數(shù)字乘法器和雙閉環(huán)算法，傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn).但是在復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，尤其在雙閉環(huán)中表現(xiàn)出滯后性和受負(fù)載變化的影響，使得PFC只能在一定的輸入電壓和負(fù)載變化范圍內(nèi)才能正常工作，因此傳統(tǒng)PI難以滿足要求.模糊PI控制可以隨系統(tǒng)的時變而自動的整定PI參數(shù)，以達(dá)到最佳的參數(shù)，魯棒特性好，響應(yīng)速度快，在控制復(fù)雜的系統(tǒng)時表現(xiàn)出了良好的性能.在實(shí)驗中達(dá)到了理想的效果.

1 工作原理

1.1 主電路拓?fù)?/p>

圖1是無橋PFC主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1-2]，實(shí)際應(yīng)用時，為減小共模干擾，在輸入電源的兩端和直流地之間接入0.022 μF的電容器.

圖1 無橋PFC主電路拓?fù)?/p>

無橋PFC變換器不需要整流電路，由輸入EMI濾波器、儲能電感L1L2、IGBTS1S2、二極管D1D2和輸出電容組成.D3和D4是IGBT內(nèi)嵌的二極管.無橋PFC組成器件少，相對Boost PFC減小了IGBT開通時電流流過功率管的數(shù)量，因此，提高了效率.

1.2 工作模式分析

無橋PFC有兩個工作狀態(tài)，分別是Vin正半周期和Vin負(fù)半周期.下面對這兩種工作模式進(jìn)行分析.

圖2 Vin>0等效電路

模式1：如圖2所示，當(dāng)Vin>0時，由L1、L2、S1、D1、D4連接為一個等效Boost電路.當(dāng)S1導(dǎo)通時，Vin經(jīng)L1、S1、D4、L2給L1、L2充電，電感L1、L2儲能；當(dāng)S1斷開時，那么Vin就會經(jīng)L1、D1、R(負(fù)載)、D4、L2回路與電感L1、L2串聯(lián)一起給負(fù)載供電，電感L1、L2釋放能量.

圖3 Vin<0等效電路

模式2：如圖3所示，當(dāng)Vin<0時，由L1、L2、S2、D2、D3連接為一個等效Boost電路.S2導(dǎo)通時，Vin經(jīng)L2、S2、D3、L1回路給L1、L2充電，電感L1、L2儲能；當(dāng)S2斷開時，Vin經(jīng)L2、D2、R、D3、L1回路與電感L1、L2串聯(lián)一起給負(fù)載供電，電感L1、L2釋放能量.這樣在一個周期內(nèi)相當(dāng)兩個Boost電路交替工作.

2 控制策略

圖4為模糊PI控制的原理框圖.

圖4 模糊PI控制框圖

該模糊控制模型可以根據(jù)系統(tǒng)誤差的大小及其誤差變化率的大小自動推斷適合系統(tǒng)的最佳比例和積分系數(shù).比例積分系數(shù)Kp(k)和Ki(k)的計算公式如下：

(1)

(2)

其中，它們的論域按{NB、NM、NS、ZR、PS、PM、PB}7個語言變量取值.為了簡便起見，誤差e以及誤差變化率ec的隸屬函數(shù)采用三角形形式；變量的取值在論域內(nèi)對稱分布[3].

圖5 隸屬函數(shù)

設(shè)定e和ec的論域為{-3，-2，-1，0，1，2，3}，設(shè)定ΔKp的論域為{-3，-2，-1，0，1，2，3}，設(shè)定ΔKi的論域為{-3，-2，-1，0，1，2，3}.這樣采用這種模糊PI的算法，可以避免傳統(tǒng)的PI比例積分系數(shù)的限制，PI參數(shù)實(shí)時地調(diào)節(jié)，使控制系統(tǒng)響應(yīng)速度更快，精度更高.模糊匹配表取值如表1和表2所示.

表1 ΔKp的模糊匹配表[4]

圖6為無橋PFC基于模糊PI控制算法框圖.

Vin：輸入電壓；Vref：指令電壓；VBus：輸出電壓；Iin：輸入電流.算法使用經(jīng)典的乘法器及雙閉環(huán)策略；電壓環(huán)作為外環(huán)，使得直流電壓穩(wěn)定；電流環(huán)作為的內(nèi)環(huán)，使電流波形和電壓波形同頻同相，功率因數(shù)近似為1.乘法器有三項因子，分別是：交流電壓；外環(huán)輸出；電壓有效值平方的倒數(shù).乘法器的輸出如下式：

表2 ΔKi的模糊匹配表

圖6 無橋PFC基于模糊PI的控制算法

(4)

i*：電流的參考信號.電流參考信號i*與反饋的電流之間產(chǎn)生的誤差信號，經(jīng)過內(nèi)環(huán)控制器調(diào)節(jié)；控制器的輸出值與三角波比較就會產(chǎn)生了PFC電路需要的驅(qū)動波形.

3 電路參數(shù)設(shè)計

(1)電感L1、L2的選取，考慮到電網(wǎng)按±15%范圍波動，假設(shè)輸入電壓的范圍為185～253V,輸出電壓400V,最大輸出功率Pmax=3.8 kW, 預(yù)計效率η=95%，電路工作在電流連續(xù)模式下[5]，開關(guān)頻率fs=20 kHz.那么電流的最大值為：

(5)

電流紋波系數(shù)取10%；那么電感的紋波電流為：

ΔiL=10%*iLmax

(6)

最大占空比為：

(7)

那么，電感L的取值為：

(8)

由(7)、(8)、(9)、(10)式得出L=1.48 mH,在實(shí)際中取L=1.6 mH,考慮到共模干擾，所以取L1=L2=L/2,L1、L2繞在同一個磁芯上面.

(2)電解電容C的選取，C的取值按下式：

(9)

在上式中取紋波電壓ΔUo=5%Uo，ω為輸入電壓頻率.由(11)式計算得到C≈1512 μF,在實(shí)際實(shí)驗中取4個470 μF/450 V電解電容并聯(lián).

4 實(shí)驗結(jié)果

在本設(shè)計中，實(shí)驗參數(shù)電感量取L=2 mH使用鐵硅鋁材料為電感磁芯，電容C=1880 μF，直流電壓輸出設(shè)定為VBus=400 V，功率開關(guān)器件采用采用英飛凌F4-50R12MS4模塊，以DSP28335為控制核心，內(nèi)環(huán)工作頻率為20 kHz，外環(huán)為50 Hz.圖7所示的利用不同的控制方法輸出電壓的響應(yīng)，由圖7可見當(dāng)電壓環(huán)電流環(huán)采用模糊PI控制單相數(shù)字無橋PFC時，輸出電壓的超調(diào)量很小不到3%，然而采用傳統(tǒng)的雙閉環(huán)PI控制器時，輸出電壓超調(diào)量達(dá)到了11.5%左右.因此利用模糊PI算法時輸出電壓超調(diào)量小，電路設(shè)計裕量大，不易損壞器件.

圖7 輸出電壓的響應(yīng)曲線

圖8為在一臺3.8 kW樣機(jī)上負(fù)載為200 Ω(輕載)和50 Ω(重載)時實(shí)驗的電流波形.圖8(a)的電流波形過零點(diǎn)畸變，并且正弦度比較差，經(jīng)實(shí)測THD在18.5%左右，PF=0.96～0.98.圖7(b)的電流波形較圖8(a)過零點(diǎn)畸變明顯變小，經(jīng)實(shí)測電流波形THD在6.8%左右，PF>=0.99.圖9為模糊PI控制時，當(dāng)負(fù)載跳變時輸入端電流的幅度響應(yīng)，圖9(a)為空載跳變?yōu)橹剌d輸入電流幅度無明顯飆升，圖9(b)重載跳變?yōu)檩p載時電流幅度響應(yīng)，證明控制環(huán)性能穩(wěn)定，響應(yīng)速度快.由此可見模糊PI控制的單相無橋PFC性能更優(yōu)越，精度更高.

圖8 電流波形對比

圖9 負(fù)載跳變時輸入電流幅度響應(yīng)

5 結(jié)論

本文提出的基于模糊PI控制的單相無橋PFC，能夠在較寬的輸入電壓和負(fù)載變化范圍內(nèi)正常工作，在此基礎(chǔ)上制作了一臺3.8 kW的樣機(jī)，輸入電壓經(jīng)調(diào)壓器在185～250 V之間變化；輸出電壓在398.5～401 V之間波動.功率因數(shù)大于0.99，整機(jī)效率在94%以上.通過實(shí)驗驗證了基于模糊PI控制的單相無橋PFC響應(yīng)速度快，電流諧波含量低，性能更好.

[1] 楊潮輝. Boost-PFC電路拓?fù)浜蛿?shù)字控制的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文，2010.6.

[2] Liu Xue Chao,Wang Zhi Hao. UCC28070 Implement Bridgeless Power Factor Correction(PFC) Pre-RegulaterDesignen[R]. LUA517-JULY 2009.

[3] 李曉秀，沈細(xì)群.無刷直流伺服系統(tǒng)積分自整定模糊控制器的設(shè)計[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2006(2):38-41.

[4] 張?zhí)禅櫍汤?，?菘. 風(fēng)電機(jī)組模糊自適應(yīng)整定PID控制技術(shù)的研究[J].控制工程學(xué)報，2014(S1):107-114.

[5] 王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

Research on Single-Phase Bridgeless PFC Based on Fuzzy PI Control

HUANG Jian-quan1，LI Shi-jun2，3, YANG Ya-chao2

(1. College of Electronics Information and Elect. Engineering, Xiangnan University, Chenzhou 423000, China； 2. College of Electrical & Information Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China;3. Hunan Provincial Key Laboratory of Wind Generator and Its Control, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China)

The single-phase bridgeless PFC is studied based on fuzzy PI control and the working principle of the inverter and control method is analyzed. According to the practical engineering experience, adaptive fuzzy PI controller is put forward to replace the traditional PI controller as a double closed-loop control. Fuzzy PI control of PFC can work in a wide load change and the input voltage range with fast response speed and higher accuracy.At the same time, the design parameters of converter are given. The experimental results on a 3.8kw prototype is verified, and it is proved that the single-phase bridgeless PFC performance based on fuzzy PI control is superior to the traditional PI control.

fuzzy PI; double closed loop; multiplier power factor correction

2016-11-20

湖南省科技計劃項目(2012GK3079).

黃健全(1973-)，男，博士，副教授，研究方向：電氣傳動.

TS106.6

A

1671-119X(2017)02-0001-04