第４７卷第１１期２０１３牟１１月电力电子技术ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＶ０１．４７，Ｎｏ．１１Ｎｏｖｅｍｂｅｒ２０１３基于重复控制的单相数字ＰＦＣ变换器陈浩龙，叶开明，王（福州大学，福建福卅Ｉ武，蔡逢煌３５０１０８）摘要：提出一种应用于倍压Ｂｏｏｓｔ功率因数校正（ＰＦＣ）变换器的复合控制方案，将带有超前相位环节的重复控制器与比例积分（ＰＩ）控制相结合。理论分析了ＰＩ控制造成输入电流相位超前输入电压的原因．并介绍了复合控制器的设计思路。最后，利用Ｍａｔｌａｂ软件进行仿真研究，并在一台单相４ｋＷＰＦＣ变换器上进行验证。实验表明，复合控制改善了ＰＩ控制的稳态特性，减小了输入电流总谐波畸变率（ＴＨＤ），提高了输入电流的功率因数。关键词：变换器；功率因数校正：重复控制中图分类号：ＴＭ４６文献标识码：Ａ文章编号：１０００—１００Ｘ（２０１３）１１—００７０—０３Ｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅＤｉｇｉｔａｌＰＦＣＣｏｎｖｅｒｔｅｒＢａｓｅｄＣＨＥＮＨａｏ—ｌｏｎｇ，ＹＥｏｎＲｅｐｅｔｉｔｉｖｅＣｏｎｔｒｏｌＦｅｎｇ—ｈｕａｎｇＫａｉ—ｍｉｎｇ，ＷＡＮＧＷｕ，ＣＡＩ３５０１０８，Ｃｈｉｎａ）ｉｎｔｅｇｒａｌ（ＰＩ）ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ（ＦｕｚｈｏｕＡｂｓｔｒａｃｔ：ＡｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｚｈｏｕｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｃｏｍｂｉｎｉｎｇｗｉｔｈｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｆｏｒｖｏｌｔａｇｅ－ｓｔｒａｔｅｇｙ，ｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｗｉｔｈｄｏｕｂｌｅｒＢｏｏｓｔｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ（ＰＦＣ）ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｉｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．ＩｎｔｈｉｓｃｏｎｔｒｏｌｐｈａｓｅｌｅａｄｉｎｇｌｏｏｐｉｓｕｓｅｄｔｏｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｔｈｅｐｈａｓｅｓｈｉｆｔｃａｕｓｅｄｂｙＰＩｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｔｈｅｐｈａｓｅｌｅａｄｅｆｆｅｃｔｆｒｏｍｔｈｅｉｎｐｕｔａｄｍｉｔｔａｎｃｅｉｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｆｔｅｒｔｈａｔ，ｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｓｃｈｅｍｅｉｓｅｖａｌｕａｔｅｄｕｓｉｎｇｔｈｅｅｒｒｏｒｔｒａｎｓｆｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｔｅａｄｙ－ｓｔａｔｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＰＩｃｏｎｔｒｏＵｅｒａｎｄｔｈｅｉｎｐｕｔｔｏｔａｌｈａｒｍｏｎｉｃｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ（ＴＨＤ）ａｒｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｃｏｎｔｒｏｌｓｃｈｅｍｅｆｏｒａ４ｋＷｓｉ—ｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅＰＦＣｃｏｎｖｅｒｔｅｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ；ｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＰｒｏｊｅｃｔ：ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＦｕｊｉａｎＰｒｏｖｉｎｃｅ（Ｎｏ．２０１３Ｊ０１１７８）ｌ引言间模型得到Ｂｏｏｓｔ电路输入电感电流与占空比及输入电压小信号的表达式为：在单相ＰＦＣ系统控制方法中．ＰＩ控制应用广泛，它具有较快的动态响应特性和较强的鲁棒性。然而，在设计电流环ＰＩ控制算法时。为简化设计过程，采用近似方程计算，导致ＰＩ控制的电流ＴＨＤ较大，稳态特性差【１１。重复控制基于内模原理构成高精度反馈控制，广泛应用于逆变电源【ｚ卅。这里将ＰＩ控制与重复控制相结合，构成复合控制．利用重复控制器提高ＰＩ内环稳态精度．使改进后的方案成为一种性能优越、切实可行的ＰＦＣ控制方案。２讯）：堡（！塑望缸）＋ｓ２ＬＣＲ＋ｓＬ＋ＤＥＲｓ咒ＣＲ＋ｓＬ舰！堡±！Ｍｉ（ｓ）（１）式中：蟊（ｓ），；。（ｓ），ａ（ｓ）分别为输入电压、输入电感电流及占空比扰动值；Ｕｏ为输出电压稳态平均值；Ｄ＝Ｉ－Ｄ，Ｄ为占空比。图１倍压ＢｏｏｓｔＰＦＣ电路拓扑Ｆｉｇ．１Ｔｏｐｏｌｏｇｙｏｆｖｏｌｔａｇｅ－ｄｏｕｂｌｅｒＢｏｏｓｔＰＦＣｃｉｒｃｕｉｔ倍压ＢｏｏｓｔＰＦＣ拓扑图１为倍压ＢｏｏｓｔＰＦＣ电路拓扑。与全桥整流通常，在设计电流环ＰＩ控制器时，忽略五ｉ（ｓ）对；。（ｓ）的影响，且考虑到开关频率够高，ｓＺＬＣＲ＞＞ｓＬ，ｓＥＬＣＲ＞＞－万２Ｒ，则电流环功率传递函数为：Ｇ庐ｕＪ（ｓＬ）３ＢｏｏｓｔＰＦＣ电路相比，它无需变压器即可获得更高的输出电压。上下Ｂｏｏｓｔ电路分别以半个工频周期交替工作。根据Ｂｏｏｓｔ电路工作原理，利用状态空（２）控制算法电流环ＰＩ控制由式（１）可得电流环ＰＩ控制结构框图如图２基金项目：福建省自然科学基金（２０１３Ｊ０１１７８）定稿日期：２０１３—０８—２９３．１作者简介：陈浩龙（１９８８一），男，福建福州人，硕士研究生，研究方向为控制理论与控制工程。７０所示。由图２可得：万方数据基于重复控制的单相数字ＰＦＣ变换器ｄ＝Ｇ村（ｉ耐－ｋ。ｉ￡），¨成复合控制算法，利用重复控制能有效消除电流周期性的扰动和误差，且它与ＰＩ控制相结合能确保系统具有较快的动态响应。图５示出所提复合控制框图。嵌入式重复控制器为：Ｇ…ｋ分别为ＰＩ控制器和电流采样系数。图２电流环ＰＩ控制结构框图Ｆｉｇ．２ＢｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｃｕｒｒｅｎｔｌｏｏｐＰＩｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅＧ如瑚，ｇ赫环节；ｑ（ｚ）为低通滤波环节，使重复控制器保持稳定。（７）式中：Ⅳ为开关点数；ｋ，为重复控制增益；ｚ抛为周期延时同时。由电压控制环路可得：；村＝五ｉ。五ｉＧｏ（４）分别将式（３），（４）代入式（１）可得，孔与五ｉ的关系如下：叱一百丽一珏器１“Ｌｉ＇＋一１＋ｋＧｃｄ”ｉｄＧｉｕ五ｉ（５）“ｉＧ。（＝）为ＰＩ调节器。Ｖ７图５复合控制框图Ｆｉｇ．５Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃｏｎｔｒｏｌｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍ式中：Ｇｉ。＝（ｓＣＲ＋１）／（ｓ２ＬＣＲ＋ｓＬ＋矽Ｒ）。由式（５）可得输入导纳为：（６）吕（ｓ）＝ｇ。ｓ）＋匏（ｓ）图３示出输入导纳频率特性曲线。可见，由于在半个工频周期内只有上Ｂｏｏｓｔ或下Ｂｏｏｓｔ处于工作状态，因此仅需Ｎ／２个采样点数。３．３稳定性分析＆（ｓ）的影响，臣（ｓ）在５０Ｈｚ处产生６．４４。的超前相移．造成实际电感电流超前输入电压一定角度，如图４所示。相位超前会造成输入电感电流畸变，电流谐波失真大。同时，在实际应用中，由于电路滤波环节、信号采样、数值计算延时的影响，ＰＩ控制的电流存在较大稳态误差，电流跟踪效果差。假设ＰＩ控制器Ｇ。（三）参数已设计好并能使系统保持稳定，从而分析重复控制器对环路增益的影响。由图５可得，电流环路误差传递函数为：Ｇｅ（小器２研币ｗ１面厩两（８）专～誉簋艇签蒸ｌ‘叠喑ｏＬＧｏ㈤＝南‘万丽≤毯薪丽而（９）由于１＋正０）为ＰＩ控制电流环闭环特征方程，且通过前面的设计Ｇ。（ｚ）使系统保持稳定，故１＋正（ｚ）所有特征根位于单位圆内。故Ｇ。（ｚ）的稳定性取决于乘积项．若其所有特征根的幅值均小于１，即可保证Ｇ。（ｚ）稳定，令：令正（ｚ）＝Ｇ。ｚ）Ｇｉ。（ｚ），则式（８）可写为：二剥癣攀∥Ｈ２图３输入导纳频率特性曲线Ｆｉｇ．３ＩｎｐｕｔａｄｍｉｔｔａｎｃｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃＣＨＩＶｅｓ日（ｚ）２９（ｚ）一ｋ＃Ｌ帚精系统Ｇ。（孑）稳定，需满足日（ｚ）＜１。３．４重复控制器设计（１０）根据离散系统稳定的充分必要条件。要使闭环Ｔｉ２图４电感电流超前输入电压为使设计的重复控制器满足稳定性要求，应选择Ⅳ，￡，ｑ（ｚ），ｋ，使其满足Ｈ（ｚ）＜１。考虑输入交流频率为５０Ｈｚ，开关频率为２０ｋＨｚ，故Ｎ＝４００。为补偿电流环ＰＩ控制器造成电流相位超前电压．选取Ｌ＝３即可满足设计要求。Ｆｉｇ．４Ｉｎｄｕｃｔｏｒｃｕｒｒｅｎｔｌｅａｄｓｔｈｅｉｎｐｕｔｖｏｌｔａｇｅ文献［５］采用变频控制方式来补偿ＰＩ控制造成的相位超前，但变频控制开关频率变动且受到硬件条件的约束而不易控制。３．２复合控制为保证重复控制器的稳定性．通过设计低通滤波器ｇ（孑）抑制系统的高频干扰。ｑ（ｚ）可以是一阶低通滤波器或小于１的常数。ｑ（ｚ）为一阶低通滤波器比选取一个常数能获得较好的衰减特性【６】。故选取ｑ（ｚ）＝（ｚ＋２＋ｚ。１）／４。７１在此提出一种带超前相位环节的重复控制算法。其在传统重复控制器的基础上串联一个超前相位环节ｚｃ。Ｌ为相位超前点数，抑制ＰＩ控制造成的相位超前。同时将重复控制与ＰＩ控制相结合构万方数据第４７卷第１Ｉ期电力电子技术Ｖ０１．４７，Ｎｏ．１１２０１３年１１月ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＮｏｖｅｍｈｅｒ２０１３ｋ。在０～１之间，增大ｋ，能加快系统误差收敛速电流ＴＨＤ＝１１．９％，功率因数Ａ＝０．９７５：而采用复合度，但系统稳定性会变差。减小ｋ，能使系统变得控制算法时，电流ＴＨＤ＝６％，Ａ＝Ｏ．９９５，输入电流波稳定，但系统误差收敛变慢。折中选取ｋｒ＝０．０３。能形质量明显得到改善：图７ｂ为满载情况下两种算保证重复控制器兼有快速收敛性和稳定性［７１。法的电压、电流波形，可见，ＰＩ控制算法电流ＴＨＤ４仿真与实验减小为４％，复合控制算法电流ＴＨＤ降至２．２％：图７ｃ。ｄ为全负载范围内复合控制与ＰＩ控制电流４．１仿真分析ＴＨＤ及Ａ曲线，可见，由于电流给定随负载增大基于上述分析，为验证复合控制的正确性，利而增大，电流ＴＨＤ也随之减小，Ａ随之增大。在全用Ｍａｔｌａｂ软件搭建倍压ＢｏｏｓｔＰＦＣ系统模型并进负载范围内，复合控制能获得比传统单ＰＩ控制算行仿真研究。系统参数：交流输入电压２２０Ｖ，电法更小的电流ＴＨＤ和更高的Ａ。实验结果表明，ＰＩ感６００ＩｘＨ，滤波电容１６４０斗Ｆ，开关频率２０ｋＨｚ。控制输入电流相位超前输入电压。与理论分析一图６为相同负载下输入电压、电流仿真波形。致：而采用复合控制算法能消除ＰＩ控制造成的相可见，采用ＰＩ控制时，输入电流超前输入电压一位超前，减小了电流的跟踪误差。定相位，使输入电流产生畸变，大大降低了功率因数；而采用复合控制后，输入电压、电流基本保持５结论同相位，电流波形能很好地跟踪输入电压。分析了电流环ＰＩ控制功率因数校正存在的螺卜ｋ——、ｖＰＩ控制问题，提出一种复合控制方案，并应用于倍压Ｂｏｏｓｔ羹功率因数校正电路，实验结果表明复合控制能抑—》、，—＼，／ｔｉｎ复合控制制ＰＩ控制产生的相位超前。减小电感电流谐波失毒害真，提高功率因数。因此，基于重复控制的复合控ｔ／（４ｍｓ／格）制策略是一种实用的功率因数校正控制方案．可图６仿真波形应用在不间断电源等电源系统中。Ｆｉｇ．６Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗａｖｅｆｏｒｍｓ４．２实验分析参考文献在仿真基础上，搭建了一台４ｋＷ实验样机验［１】王跃林，申群太．基于ＤＳＰ数字控制的Ｂｏｏｓｔ．ＰＦＣ系统证复合控制算法的实际控制效果。控制芯片采用的设计【Ｊ］．通信电源技术，２００７，１１（６）：６９—７３．ＴＭＳ３２０Ｆ２８０６９ＰＮＴ型ＤＳＰ，最高时钟频率９０ＭＨｚ。［２］刘飞，邹云屏，李辉．基于重复控制的电压源型逆实验波形如图７所示。变器输出电流波形控制方法［Ｊ】．中国电机工程学报，２００５，２１（１９）：５８－６３．霎善慰◇◇彩［３］杨金辉，戴瑜兴，易龙强，等．基于重复控制原理的正薹墨羹斜◇≯喾弦逆变控制［Ｊ】．电力电子技术，２０１０，４４（５）：６５—７２．［４］吴浩伟，段善旭，易德刚．基于重复和Ｈ控制的中频ｊｉ科ｂ学甾三ｉ袋◇蔗喾逆变器复合控制方案［Ｊ］．电力电子技术，２００６，４０（４）：３８—４０．【５］ＬｏｕｇａｎｓｋｉＫＰ，Ｊｉｂ—ｓｈｅｎｇＬ．ＣｕｒｒｅｎｔＰｈａｓｅＬｅａｄＣｏｍｐｅ－２０ｎｓａｔｉｏｎｉｎＳｉｎｇｌｅ—ｐｈａｓｅＰＦＣＢｏｏｓｔＣｏｎｖｅｒｔｅｒｓＷｉｔｌｌａＲｅ－孰ｄｕｃｅｄＳｗｉｔｃｈｉｎｇＦｒｅｑｕｅｎｃｙｔｏＬｉｎｅＦｒｅｑｕｅｎｃｙＲａｔｉｏ［Ｊ］．５ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ｏｎＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００７，２２（１）：９１—１１３．［６］ＫａｉＺ，ＹｏｎｇＫ，ＪｉａｎＸ，ｅｔａ１．ＤｉｒｅｃｔＲｅｐｅｔｉｔｉｖｅＣｏｎｔｒｏｌｏｆＳＰＷＭＩｎｖｅｒｔｅｒｆｏｒＵＰＳＰｕｒｐｏｓｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ｏｎＰｏ－图７实验波形ｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００３，１８（３）：７８４—９２１．Ｆｉｇ．７Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｗａｖｅｆｏｒｍｓ［７］Ｗｅｉ－ｈｓｉａｎｇＷ，Ｙｉｎｇ·ｙｕＴ．ＵｓｉｎｇＲｅｐｅｔｉｔｉｖｅＣｏｎｔｒｏｌｆｏｒＴＨＤＲｅｄｕｃｔｉｏｎＯｖｅｒＷｉｄｅｂａｄＲａｎｇｅｆｏｒＢｏｏｓｔＤｉｇｉｔａｌＰＦＣ图７ａ为轻载输入电压、电流波形，由图７ａ可Ｃｏｎｖｅａｅｒｓ［Ａ］．ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＰｒｏｃｅｅｄ—见，采用ＰＩ控制算法时，输入电流超前输入电压，ｉｎｇｓｏｆｔｈｅＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ（ＩＳＩＥ）［Ｃ］．２０１２：２８－３１．７２万方数据基于重复控制的单相数字PFC变换器
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
陈浩龙， 叶开明， 王武， 蔡逢煌， CHEN Hao-long， YE Kai-ming， WANG Wu， CAI Feng-huang福州大学,福建福州,350108电力电子技术
Power Electronics2013,47(11)
1.王跃林;申群太 基于DSP数字控制的Boost-PFC系统的设计[期刊论文]-通信电源技术 2007(06)
2.刘飞;邹云屏;李辉 基于重复控制的电压源型逆变器输出电流波形控制方法[期刊论文]-中国电机工程学报 2005(19)3.杨金辉;戴瑜兴;易龙强 基于重复控制原理的正弦逆变控制[期刊论文]-电力电子技术 2010(05)
4.吴浩伟;段善旭;易德刚 基于重复和PI控制的中频逆变器复合控制方案[期刊论文]-电力电子技术 2006(04)
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引用本文格式：陈浩龙.叶开明.王武.蔡逢煌.CHEN Hao-long.YE Kai-ming.WANG Wu.CAI Feng-huang 基于重复控制的单相数字PFC变换器[期刊论文]-电力电子技术 2013(11)