基于直接電流控制的并聯型PFC變換器研究

摘要：提出了并聯型功率因數校正(PFC)的概念，揭示了基于直接電流控制的并聯型有源電力濾波器(APF)和傳統PFC技術的內在聯系。并聯型PFC兼具并聯型APF和傳統PFC的優點，即只需處理諧波和無功功率，裝置容量小，效率高，且無需計算諧波及無功電流，就能實現單位PFC，且控制簡單。在此詳細分析了并聯型PFC變換器的工作原理，建立了系統的小信號模型，并對系統參數進行優化，最后通過1 kW，20 kHz的原理樣機驗證了并聯型PFC系統具有良好的諧波補償效果和PFC性能。
關鍵詞：功率因數校正；有源電力濾波器；直接電流控制；諧波補償

1 引言
隨著電力電子裝置的大量應用，電力系統中諧波污染問題日益嚴重。PFC技術和APF作為抑制入網電流諧波的有效手段得到了廣泛研究。
文獻提出了APF的直接電流控制方法，該方案的實質為并聯型PFC意即將并聯APF的拓撲與PFC的控制策略相結合，使輸入端電流的波形跟蹤輸入正弦電壓波形，實現單位PFC。
此處詳細分析了基于直接電流控制的并聯型PFC變換器工作原理，提出了變換器直流側穩壓、網側電流跟蹤電壓波形的電壓電流雙閉環控制方案，并建立了系統的小信號模型。在此基礎上，對系統參數進行了優化設計，改善了系統的補償性能，并通過一臺1 kW，20 kHz的原理樣機驗證了參數設計的合理性。

2 并聯型PFC的工作原理及控制方案
單相并聯型PFC變換器的基本拓撲結構為單相全橋逆變器，如圖1中虛線框1所示。逆變器通過濾波電感L與單相電網相連，直流側接C，電容電壓Udc在一個開關周期內可視作恒定。
交流輸出側接電感有兩個作用：①保證電流可控，逆變器交流側為等效電壓，并聯型PFC輸出為受控電流，所以電感起到控制量轉換的作用；②作為一階低通濾波器濾除開關諧波。直流側電容作用在于：緩沖逆變器直流側與交流側間的能量交換，穩定直流側電壓，抑制直流側諧波電壓。

圖1中虛線框2為諧波源負載，其iL中含有基波電流和諧波電流。設基波電流的有功分量為iLf，基波電流的無功分量及諧波電流之和為iLh。并聯型PFC的控制目標是控制電源電流跟蹤電源電壓波形，實現單位PFC。若直接控制電源電流is為iLf，則逆變器輸出的電流ic即為iLh。

并聯型PFC系統采用電壓、電流雙閉環控制，控制框圖如圖2所示。采樣逆變橋的直流側電壓Udc與基準值Uref比較送入電壓控制器，輸出電源電流的指令電流幅值，采樣電源電壓us得到與其同頻同相的單位幅值正弦信號S，將S與相乘作為電源電流的指令信號，與實際電流比較經電流控制器后作為調制信號，和三角波交截產生SPWM開關控制信號。逆變器的開關控制策略采用單極倍頻SPWM技術。