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1 引言 PFC電路在提高電力電子裝置網側功率因數、降低電網諧波污染方面起著很重要的作用。隨著PFC技術應用的普及，PFC電路拓撲日漸成熟。關于PFC控制系統與控制策略的研究目前仍然十分活躍，這從側面反映出該領域還有許多問題尚待解決。PFC技術的每一種控制策略都有其優缺點，本節簡單總結了PFC技術的經典控制策略，對比分析了幾種新型控制策略的優缺點，指出了PFC控制技術的發展趨勢。 2.PFC整流器的經典控制策略 電力電子電路的六種基本拓撲結構（Buck、Boost、Buck-boost、Flyback、Sepic、Cuk）原則上都可以構成PFC，但因Boost電路的獨特優點，在實際中應用最多。PFC的控制策略按照輸入電感電流是否連續，PFC分為不連續導通模式（DCM）和連續導通模式（CCM）。DCM的控制可以采用恒頻、變頻、等面積等多種方式。CCM模式根據是否直接選取瞬態電感電流作為反饋和被控制量，有直接電流控制和間接電流控制之分。直接電流控制有峰值電流控制（PCMC）、滯環電流控制（HCC）、平均電流控制（ACMC）、預測瞬態電流控（PICC）、線性峰值電流控制（LPCM）、非線性載波控制（NLC）等方式。電流的控制也可以通過控制整流橋輸入端電壓的方式間接實現，稱為間接電流控制或電壓控制。 2.2.1 DCM控制模式 DCM控制又稱電壓跟蹤方法，它是PFC中簡單而實用的一種控制方式， 應用較為廣泛。DCM控制模式的特點：(1)、輸入電流自動跟蹤電壓并保持較小的電流畸變率；(2)、功率管實現零電流開通（ZCS）且不承受二極管的反向恢復電流；(3)、輸入輸出電流紋波較大，對濾波電路要求較高；(4)、峰值電流遠高于平均電流，器件承受較大的應力；(5)、單相PFC功率一般小于200W，三相PFC功率一般小于10kW。 2.2.2 CCM控制模式 CCM相對DCM其優點為：(1)、輸入和輸出電流紋波小、THD和EMI小、濾波容易；(2)、RMS電流小、器件導通損耗小；(3)、適用于大功率應用場合。CCM模式下有直接電流控制與間接電流控制兩種方式。直接電流控制的優點是電流瞬態特性好，自身具有過流保護能力，但需要檢測瞬態電流，控制電路復雜。間接電流控制的優點是結構簡單、開關機理清晰。 3.PFC整流器的新型控制策略 3.1 單周控制技術 單周期控制技術(One-Cycle Control)是九十年代初由美國加州大學的Keyue M Smedley提出的，它是一種不需要乘法器的新穎控制方法，將這種控制方法應用于功率因數校正是近年來一種新的嘗試。單周控制是一種非線性控制技術，它同時具有調制和控制的雙重性，通過復位開關、積分器、觸發電路、比較器達到跟蹤指令信號的目的。它的基本思想是在每一個開關周期內使受控量的平均值恰好等于或者正比于控制參考量，單周期控制術在控制回路中不需要誤差綜合，它能在一個周期內自動消除穩態、瞬態誤差，前一周期的誤差不會帶到下一周期，同時單周期控制技術還具有優化系統響應、開關頻率恒定、減小畸變、抑制電源干擾和易于實現等優點。這種控制技術可廣泛應用于非線性系統的場合，現已在DC-DC變換器、開關功率放大器、有源電力濾波器、靜止無功發生器以及單相、三相功率因數校正等方面得到大量應用。 將單周控制的基本原理應用于各種電流控制上，就可以得到電荷控制(Charge Control)，準電荷控制(Quasi-Charge Control)，非線性載波控制(Nonlinear carrier Control) 和輸入電流整形技術(Input Current Control)等功率因數校正的新型控制技術。 從形式上看電荷控制是電流型的單周期控制，其控制思想是控制開關的電流量，使之在一個周期內達到期望值。 準電荷控制也是一種電流型的單周控制。準電荷控制是在電荷控制的基礎上,用RC網絡代替電荷控制中電路中的C網絡。 非線性載波控制的控制電流可為開關電流、二極管電流或電感電流，從電路的拓撲結構上講非線性載波控制技術是在電荷控制的基礎上增加了一個外加的非線性補償，提高了系統的穩定性。在非線性載波控制中當電路工作在電流連續狀態下，系統就是穩定的，而電路工作在斷續狀態下，系統是小信號穩定的。另外非線性載波控制工作在斷續條件下會產生輸入電流的畸變。 輸入電流整形技術檢測二極管上的電流，從形式上說是一種類似于非線性載波控制的控制方案，從控制的實質上講它是平均電流控制的一種反用。 3.2 空間矢量調制 空間矢量調制(Space Vector Modulation)是80年代中后期發展起來的，最初的應用是使電機獲得圓形的旋轉磁場，稱為“磁鏈跟蹤”。目前，空間矢量調制的概念遠遠超出了電機調速的范疇，成為與SPWM相并行的一種PWM調制技術。空間矢量調制也是矩陣式變換器的最佳調制方式，三相功率因數校正電路的數字化實現也可用此方式。在模擬控制中，用abc三相對稱坐標系，控制量是分段正弦的；在數字化實現時，用同步旋轉的d-q正交坐標系，此時，控制量在穩態時為常量，容易保證好的穩態特性。模擬控制時，控制變量是時變的，在電壓、電流過零時，可能出現不連續，并且由于模擬控制器的工頻增益有限，電流畸變通常比數字控制大。數字控制的帶寬主要受運算速度和采樣延遲的限制。隨著微控制器的性能價格比不斷提高，基于SVM的數字化實現會越來越具吸引力。空間矢量在理論分析上也有優點，用其描述三相電路的狀態軌跡，非常直觀。 3.3 無差拍控制 無差拍控制(Deadbeat control)是一種在電流滯環比較控制技術基礎上發展起來的全數字化的控制技術。它的基本思想是將輸出參數等間隔的劃分為若干個取樣周期。根據電路在每一取樣周期的起始值，預測在關于取樣周期對稱的方波脈沖作用下某電路變量在取樣周期末尾時的值。適當控制方波脈沖的極性與寬度，就能使輸出波形與要求的參數波形重合。不斷調整每一取樣周期內方波脈沖的極性與寬度，就能獲得波形失真小的輸出。 無差拍控制的最顯著的優點就是數學推導嚴密、跟蹤無過沖、系統動態響應快、易于計算機執行等，缺點是它要求建立精確的數學模型，當理想模型與實際對象有差異時，劇烈的控制動作會引起輸出電壓的振蕩，不利于系統穩定運行。隨著數字信號處理單片機(DSP)應用的不斷普及，這是一種很有前途的控制方法。 基于空間電壓矢量PWM的電流無差拍控制方法，開關頻率恒定，調節性能良好，代表了目前國際上PFC技術的先進水平。 3.4 滑模變結構控制 滑模變結構控制適應了電力電子變換器的開關非線性特性，能夠根據變換器運行狀態，有效的控制變換器工作狀態的切換，實現變換器的控制目標，動態性能好且魯棒性強，這樣，滑模變結構控制就能很容易地應用于整流器、逆變器等相關領域的應用研究，從而最有望成為電力電子變換器實用的控制技術。 變流器的時變參數問題是人們一直努力解決的問題。考慮到開關變換器的開關切換動作與變結構系統的運動點沿切換面高頻切換有動作上的對應關系。因而可以考慮用滑模變結構這種方法來控制變流器。 在整流器的功率因數校正系統中，輸入電流的穩態特性和輸出電壓暫態特性之間存在著矛盾的關系，應用滑模變結構控制方法，可以在輸入電流的穩態特性和輸出電壓暫態特性之間進行協調，使輸入電流滿足有關標準的前題下，盡可能地提高輸出電壓動態響應。 3.5 基于Lyapunov非線性大信號方法控制 傳統控制方法的數學建模一般是基于系統的小信號線性化處理，這種方法的缺點是對系統的大信號擾動不能保證其穩定性。基于這種考慮，文獻提出了用大信號方法直接分析這種非線性系統。仿真和實驗結果表明，系統對大信號擾動具有很強的魯棒性。 3.6 dqo變換控制 dqo變換控制是根據瞬時無功功率理論，將電源電流分解到dqo坐標系下，得到兩個直流量Id 、Iq。指令電流Id*、Iq*由電壓控制環給出，由于參考值和反饋值在穩態時都是直流信號，所以可以做到無穩態誤差跟蹤，這種方法的控制精度高，但控制中涉及的計算復雜，隨著高性能的單片機及專用的矢量轉換芯片的出現，其實現也是可行的。 4 控制策略的總結與展望 DCM控制盡管簡單，但由于器件承受較大的開關應力。限制了其功率應用范圍。CCM控制中，直接電流控制應是發展的主流，它適用于對系統性能指標和快速性要求較高的大功率場合。CCM模式下的電流控制需要乘法器和對輸入電壓、輸入電流進行檢測，控制電路復雜且成本高，乘法器的非線性失真也增加了輸入電流的諧波含量。因此，不帶乘法器的簡化控制成為PFC研究的一個熱點。 尋求更加簡化的控制策略、降低PFC成本、減小THD和EMI、降低器件開關應力、提高整機效率仍然是今后PFC控制策略的發展趨勢。中大功率的電力電子設備在電網中占有很大比重，因此三相PFC應是PFC研究的重心。隨著三相PFC整機成本的提高和開關頻率的降低，依托高速的數字處理器，數字控制成為發展的主流。由于各種控制策略都有優缺點，將各種控制策略合理搭配，取長補短，可以收到理想的控制效果，這也是控制技術發展的一個方向。 與現代控制理論相關的控制方法如狀態反饋控制(極點配置)、二次型最優控制、非線性狀態反饋、模糊控制、神經網絡控制等，都可以用在PFC電路中。但這些方法還不成熟，處于積極的探索之中。基于大功率電子設備的要求，目前多電平變換器和 各種簡單拓撲的串聯、并聯等拓撲相繼提出，對于這些電路的控制，除采用現有的控制策略外，還嘗試發展更有針對性的控制技術。 |
