滕國飛++禹勇++董凱++梁哲

摘要：供電電壓含諧波時(shí)，采用傳統(tǒng)PFC策略的機(jī)載計(jì)算機(jī)電源輸入電流的諧波含量增大，難以實(shí)現(xiàn)PFC功能。針對(duì)該問題提出一種控制策略，使輸入電流指令不含諧波以提高電流正弦度。Matlab的仿真結(jié)果證明，相比于傳統(tǒng)方法，該策略有效抑制了供電電壓諧波的影響，提高了電流正弦度。

關(guān)鍵詞：PFC；諧波；電流控制

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）11-0235-03

Abstract： When supply voltage containing harmonics， the input current will be distorted in the PFC circuit of aero computer based on the common method， which affects the function of power factor correction. To against this problem， a strategy is proposed. By regulating the reference without harmonics， input current performs as sine wave. Comparing with the traditional scheme， the recommended strategy effectively suppresses the source disturbances and decreases the distortion of the input current. Simulation results in Matlab testify the validity.

Key words： PFC； harmonic； current control

為減小無功和諧波，交流供電的機(jī)載計(jì)算機(jī)電源常采用功率因數(shù)校正（Power Factor Correction， PFC）技術(shù)來提高電流正弦度[1，2]。在單相交流系統(tǒng)中，用boost電路實(shí)現(xiàn)PFC最為常見[3]-[5]。boost電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，控制芯片成熟，供電電壓正弦度較好時(shí)，PFC-效果良好[5]。然而隨著電子設(shè)備的增加，機(jī)載計(jì)算機(jī)交流供電網(wǎng)絡(luò)中的諧波含量也會(huì)隨之上升。傳統(tǒng)boost型PFC電路中，由于輸入電流指令與交流電壓波形基本一致，則交流電壓含有諧波時(shí)，輸入電流也會(huì)含有相同成分諧波，使交流電網(wǎng)中的諧波情況進(jìn)一步惡化。因此需要一種能夠抑制諧波擾動(dòng)的PFC策略，來保證輸入電流的正弦度。

1電網(wǎng)含有諧波時(shí)傳統(tǒng)boost型 PFC的問題

Boost型PFC的電路如圖1（a）所示（|Vs|為輸入交流電壓絕對(duì)值）[3]。為了實(shí)現(xiàn)PFC及輸出穩(wěn)壓功能，需采用輸出電壓外環(huán)、電感電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，并在電壓誤差信號(hào)中乘以整流后輸入電壓信號(hào)|Vs|作為電流指令I(lǐng)ref，如圖1（b）所示。

從圖1（b）中可知，將交流電源電壓Vs引入電流指令中使電流可跟蹤電壓波形。當(dāng)Vs為正弦波時(shí)，電流也為同相位正弦波，從而實(shí)現(xiàn)PFC功能，采用如UC1854等集成芯片的控制電路即采用此方法。但是當(dāng)Vs含諧波時(shí)，該傳統(tǒng)方法中電流指令被引入諧波，使輸出電流正弦度下降，影響PFC功能。由于低次諧波頻率與基波接近，通常的低通濾波難以抑制Vs諧波的影響。且濾波器常引入相移，造成電流相位滯后，進(jìn)一步降低功率因數(shù)。

2 抑制諧波擾動(dòng)的策略

2.1 諧波擾動(dòng)抑制方法

通過上文分析可知，以boost電路實(shí)現(xiàn)PFC的傳統(tǒng)方案之所以在Vs含諧波時(shí)電流正弦度降低，是由于Vs的諧波成分被引入電流環(huán)的指令中。這一方面在以如UC3854、UCC28051等PFC模擬控制芯片的應(yīng)用電路中表現(xiàn)得尤為直接。為解決該問題，本文提出一種可抑制擾動(dòng)的策略，利用鎖相和數(shù)字芯片生成同相位的電源電壓信號(hào)，使電流指令無諧波成分，達(dá)到提高交流側(cè)電流正弦度的目的。該控制策略框圖如圖2所示。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為得到圖2中的|Vs|*，需要包含兩個(gè)步驟：首先是通過鎖相得到Vs的頻率和相位信息，之后是根據(jù)該頻率和相位信息生成新的正弦半波信號(hào)|Vs|*。其中鎖相和|Vs|*的生成需要單片機(jī)或其他數(shù)字芯片的輔助。

鎖相可采用工程上常用的方法，將正弦波先調(diào)理成方波，再由數(shù)字處理器獲得周期和相位信息。由于含有諧波的交流電壓信號(hào)仍呈現(xiàn)正弦變化，其過零點(diǎn)與不含諧波信號(hào)相同，因此該鎖相方法在含有諧波的環(huán)境中仍具有良好的適應(yīng)性。

鎖相和數(shù)字電路的信號(hào)采樣會(huì)造成信號(hào)延時(shí)，從而影響圖2中|Vs|*相位的準(zhǔn)確性。為補(bǔ)償該相位誤差，可采用在延時(shí)一周期基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)相位超前的方法。若數(shù)字處理器中正弦表為離散量，N為單個(gè)周期總點(diǎn)數(shù)，n為當(dāng)前時(shí)間離散變量，則有：

[sin（2πnN）=sin（2πn-NN）] （1）

若希望在處理器中進(jìn)行k拍的超前補(bǔ)償，可采用如下實(shí)現(xiàn)形式：

[Vsin[n]=A?sin（2πn-N+kN）] （2）

其中A為幅值，如此一來，可以用查正弦表的方法解決延時(shí)問題。采用該方法不僅可實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)償，還可根據(jù)需要改變指令電流的相位，從而根據(jù)需求控制功率因數(shù)角，實(shí)現(xiàn)一定程度的無功控制。

本文系統(tǒng)中，電壓電流閉環(huán)采用PI控制，這種方法也與普通模擬控制芯片的情況一致。以400W電路驗(yàn)證本文策略，其中Vs為115V（rms）、400Hz，并含有3、5、7次諧波，Ud參考為300V，直流側(cè)電容C為330μF，負(fù)載電阻RL為225Ω，直流電壓環(huán)PI控制器中比例、積分系數(shù)分別為0.5和0.015，電流環(huán)比例、積分系數(shù)為1.3和0.001（或僅用比例即可），系統(tǒng)開關(guān)頻率100kHz。

3 仿真驗(yàn)證

圖3（a）為采用圖1所示傳統(tǒng)策略的仿真結(jié)果，其中輸入電壓、負(fù)載電阻、PI參數(shù)等條件均與2.2中所述相同。圖3（a）中Vs（各圖中相同）和電流I的FFT分別如圖3（c）和圖3（d）所示。從圖3（a）中可以看出，傳統(tǒng)方法在供電電壓含諧波擾動(dòng)時(shí)，難以保證輸入電流正弦度，THDI大于10%。

圖3（b）為采用本文策略的電壓電流波形，其電流I的FFT見圖3（e）。從電流波形及FFT分析可知，采用該策略良好的抑制的供電諧波的擾動(dòng)，輸入電流正弦度良好，從而驗(yàn)證了本文策略的有效性。

4 結(jié)論

當(dāng)供電電壓含諧波時(shí)，基于傳統(tǒng)boost策略的PFC電路輸入電流諧波含量增大，難以實(shí)現(xiàn)PFC功能。分析得出，輸入電壓的諧波會(huì)影響電流指令，造成電流畸變。針對(duì)該問題提出一種策略，利用數(shù)字芯片生成正弦信號(hào)，并結(jié)合鎖相和周期延時(shí)厚度額超前來實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)償，有效抑制了諧波擾動(dòng)。理論分析和仿真結(jié)果證明了本文方法的有效性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張愛國，鄒曉漁，倪靖猛，等.模塊化機(jī)載400 Hz單位功率因數(shù)整流電源[J].電力電子技術(shù)，2011，45（10）：34-36.

[2] 石健將，楊永飛，王文杰，等.數(shù)字控制400Hz三相四線高功率因數(shù)PWM整流器研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27（5）：113-148.

[3] 宋久旭，高小龍，楊志龍. 單周期控制Boost PFC 變換器參數(shù)設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2015，10（11）：228-230.

[4] 張?zhí)爝?，林才輝. 基于數(shù)字控制的功率因數(shù)校正技術(shù)的研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2009，26（2）：264-268.

[5] 于海坤，許建平，張斐，等.具有寬負(fù)載范圍的新型Boost功率因數(shù)校正器[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26（12）：93-98.