APFC先進(jìn)控制策略發(fā)展動(dòng)態(tài)

1、APFC先進(jìn)控制策略發(fā)展動(dòng)態(tài)冉華軍 楊富文（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350002 ）（E-mai: huajunran）摘要：近十幾年來(lái)，有源功率因數(shù)校正技術(shù)涌現(xiàn)出很多先進(jìn)控制算法，主要有單周控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、空間矢量調(diào)制、無(wú)差拍控制、占空比控制、預(yù)測(cè)電流控制、極點(diǎn)配置控制、lyapunov控制等，本文綜合分析了APFC先進(jìn)控制策略發(fā)展動(dòng)態(tài)。關(guān)鍵詞：APFC，單周控制，滑模變結(jié)構(gòu)，lyapunov控制, 空間矢量調(diào)制，無(wú)差拍控制，占空比控制，預(yù)測(cè)電流控制，極點(diǎn)配置控制 Developing dynamic of advanced control strategies fo

2、r APFCAbstract: In recent decades, considerable novel control strategies for active power factor correction technology are welling up,which mainly include One-cycle control, Variable structure sliding-mode control, Space vector modulation, Deadbeat control, Duty cycle control, Predictive current con

3、trol, Pole-placement control, lyapunov-based control,etc. Based on comprehensive analysis on these advanced schemes ,the dynamics of control arithmetic for APFC is presented in this paper.Keywords: APFC，One-cycle control,Variable structure sliding mode control,lyapunov-based control,space vector mod

4、ulation,deadbeat control,duty cycle control, predictive current control, pole placement control1、引言 有源功率因數(shù)校正（Active Power Factor Correction）電路在提高電力電子裝置網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)、降低電網(wǎng)諧波方面起著很重要的作用。隨著PFC應(yīng)用技術(shù)的普及，PFC主電路拓?fù)淙諠u成熟，現(xiàn)有APFC技術(shù)的各種控制策略均各有優(yōu)缺點(diǎn)，在該領(lǐng)域尚有很多問(wèn)題亟待解決，關(guān)于PFC系統(tǒng)的控制策略研究目前仍然十分活躍；近十幾年來(lái)，很多新穎的先進(jìn)控制算法不斷涌現(xiàn)，隨著微處理器性能的不斷提高，電力電

5、子裝置控制系統(tǒng)逐漸由模擬型向數(shù)字型發(fā)展，高速數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的應(yīng)用使復(fù)雜的新型控制策略成為可能。2、 PFC整流器新型控制策略分析2.1單周期控制（One-cycle control）（也稱積分復(fù)位控制）1-3開關(guān)變換器是脈沖的非線性系統(tǒng)，這種系統(tǒng)在合適的脈沖控制下，具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特點(diǎn)，它與線性反饋控制相比，受輸入電源波動(dòng)的影響小，但是，目前大多數(shù)控制方法仍然是先把模型方程線性化，再利用一個(gè)線性反饋回路實(shí)現(xiàn)控制。一般的反饋電壓控制是通過(guò)改變控制脈沖的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)輸入電源電壓波動(dòng)時(shí)，占空比不會(huì)馬上隨之改變，而是首先改變輸出信號(hào)，然后才是占空比，對(duì)應(yīng)的占空比變化才能使輸出信號(hào)向穩(wěn)定

6、方向發(fā)展，這個(gè)過(guò)程要重復(fù)很多次，即要經(jīng)過(guò)很多很多個(gè)開關(guān)周期后系統(tǒng)才能達(dá)到穩(wěn)定。目前大多數(shù)整流器采用平均電流控制來(lái)達(dá)到功率因數(shù)校正的目的，但平均電流控制中需要檢測(cè)輸入電壓、電感電流、輸出電壓，并且需要乘法器來(lái)實(shí)現(xiàn)，使得系統(tǒng)控制復(fù)雜，投資成本增加。鑒于此，美國(guó)學(xué)者Keyue M Smedley 提出了一種新型控制算法單周期控制。單周期控制是一種不需要乘法器和輸入電壓傳感器能實(shí)現(xiàn)電阻仿真器（risistor emulator）目標(biāo)的新穎非線性控制技術(shù)，該控制方法的突出特點(diǎn)是：同時(shí)具有調(diào)制和控制的雙重性。單周控制利用CCM模式下APFC的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)工作特性簡(jiǎn)化控制電路，通過(guò)復(fù)位開關(guān)、積分器、觸發(fā)電路、比較

7、器達(dá)到跟蹤指令信號(hào)的目的，無(wú)論是穩(wěn)態(tài)還是暫態(tài)，它都保持受控量（通常為斬波波形）在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值恰好等于或正比于給定值，即能在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)有效地抵制電源側(cè)的擾動(dòng)，消除了穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)誤差。將單周控制基本原理應(yīng)用于各種電流控制上，就可以得到電荷控制4、準(zhǔn)電荷控制5、非線性載波控制（nonlinear carrier control or quasi-steady-state approach）6789和輸入電流整形技術(shù)10等功率因數(shù)校正技術(shù)的新型控制技術(shù)。從形式上看，電荷控制是電流型的單周控制，其控制思想為：控制開關(guān)的電流量，使之在一個(gè)周期內(nèi)達(dá)到期望值。準(zhǔn)電荷控制是在電荷控制的基礎(chǔ)上用RC網(wǎng)

8、絡(luò)代替電荷控制中的C網(wǎng)絡(luò)。非線性載波控制的控制電流可為開關(guān)電流、二極管電流或電感電流，非線性載波控制在電荷控制的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上外加了一個(gè)非線性補(bǔ)償，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在非線性載波控制中，當(dāng)電路工作在電流連續(xù)狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)是穩(wěn)定的；而工作在斷續(xù)狀態(tài)下，系統(tǒng)小信號(hào)穩(wěn)定，輸入電流會(huì)產(chǎn)生畸變。輸入電流整形技術(shù)需檢測(cè)二極管的電流，從形式上說(shuō)是類似于非線性載波控制的方案，而從控制實(shí)質(zhì)上講是平均電流控制的一種反用，假設(shè)電路已經(jīng)工作在有源功率因數(shù)校正下，電流信號(hào)是正弦的，電流信號(hào)作為電壓環(huán)基準(zhǔn)信號(hào)，再對(duì)電壓誤差信號(hào)進(jìn)行積分，其特點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，可采用平均電流控制芯片ML3833實(shí)現(xiàn)。單周期控制除了具有和傳統(tǒng)電壓反

9、饋控制和電流模式控制相同的優(yōu)點(diǎn)外（控制環(huán)的穩(wěn)定性、誤差校正功能等），還具有很多突出的優(yōu)點(diǎn)包括：直流輸出電壓的平滑調(diào)節(jié)范圍大，電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，電網(wǎng)電流總諧波畸變減小，具有更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定的控制環(huán)，控制環(huán)對(duì)噪聲不敏感。采用單周控制的開關(guān)變換器能在每個(gè)開關(guān)周期一直輸入電壓波動(dòng)，并且平均輸入電流能快速跟蹤參考量，且不受負(fù)載電流的約束，即使負(fù)載電流有很大的畸變也不會(huì)使輸入電流發(fā)生畸變。單周期控制這種新的控制方法非常通用，并且能直接應(yīng)用于所有DC/DC變換器，無(wú)論是PWM模式還是準(zhǔn)諧振模式。2.2滑模變結(jié)構(gòu)控制控制（Variable structure sliding-mode control）11-2

10、020世紀(jì)50年代在前蘇聯(lián)發(fā)展起來(lái)的滑模變結(jié)構(gòu)控制11用于控制電力電子變換器有其天然的合理性。由于電力電子器件高頻開關(guān)切換所產(chǎn)生的不連續(xù)性使各類電力電子變換器正好被描述為變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，而在變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中滑模變結(jié)構(gòu)控制的滑動(dòng)模態(tài)具有不變性，即對(duì)系統(tǒng)的變化和外部干擾不敏感，具有很強(qiáng)的魯棒性。變流器的時(shí)變參數(shù)問(wèn)題一直是人們努力解決的問(wèn)題?？紤]到開關(guān)變換器的開關(guān)切換動(dòng)作與變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)沿切換面高頻切換有動(dòng)作上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而在變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中滑模變結(jié)構(gòu)控制的滑動(dòng)模態(tài)具有不變性即對(duì)系統(tǒng)的變化和外部干擾不敏感，具有很強(qiáng)的魯棒性，因而可以考慮用滑模變結(jié)構(gòu)這種控制方法來(lái)控制變流器。在整流器的功率因數(shù)校正系統(tǒng)中，輸入

11、電流的穩(wěn)態(tài)特性和輸出電壓暫態(tài)特性之間存在矛盾，應(yīng)用滑模變結(jié)構(gòu)控制方法可以在兩者之間進(jìn)行有效的協(xié)調(diào)，使輸入電流滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的前提下盡可能提高輸出電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)在電力電子系統(tǒng)中改善魯棒性、動(dòng)態(tài)品質(zhì)品質(zhì)方面取得了一些成果。文獻(xiàn)12詳細(xì)介紹了DC-DC變換器的滑模變結(jié)構(gòu)控制，論述了如何以等效控制作為作為分析手段來(lái)分析Buck、Boost、Buck-Boost變換器，該方法保證了系統(tǒng)在大信號(hào)和小信號(hào)條件下的穩(wěn)定性，在應(yīng)用滑模變結(jié)構(gòu)控制DC-DC方面有很大的指導(dǎo)意義。文獻(xiàn)13采用滑模變結(jié)構(gòu)理論控制Cuk變換器，使得系統(tǒng)控制電路的實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，克服了其它方法中在大信號(hào)情況下不穩(wěn)定的缺點(diǎn)；在整個(gè)運(yùn)

12、行條件下，所有的狀態(tài)變量超調(diào)量小、調(diào)整時(shí)間短，具有很好的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特，還大大減小了能量傳輸電容的大?。粚?shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用滑模變結(jié)構(gòu)控制使得系統(tǒng)具有魯棒性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)特性好的特點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)14將滑模變結(jié)構(gòu)理論應(yīng)用于Boost型撥弄功率因素校正器中，使得變換器的電流紋波減小，輸出電壓對(duì)負(fù)載的突變不敏感，從而大大減小了輸出濾波器的尺寸、縮短了輸出電壓的調(diào)整時(shí)間，獲得了最佳輸出電壓，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該方法的有效性。文獻(xiàn)15給出了離散滑?？刂频娜郆oost型功率因素校正器，使得系統(tǒng)對(duì)輸入及負(fù)載的變化有很好的魯棒性。文獻(xiàn)16將電流空間矢量技術(shù)應(yīng)用到滑?？刂频娜郆oost型功率因素校

13、正器中，得到了單位功率因素。文獻(xiàn)171819介紹了滑模變結(jié)構(gòu)在有源電網(wǎng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的應(yīng)用，文獻(xiàn)20介紹了在Boost和Buck-Boost變換器中使用動(dòng)態(tài)滑模面的滑模變結(jié)構(gòu)控制，這些分析方法可以推廣到設(shè)計(jì)PFC。對(duì)于不確定系統(tǒng)，可以基于H控制理論利用LMI方法設(shè)計(jì)滑模變結(jié)構(gòu)控制21222.3空間矢量調(diào)制方法SVM（Space vector modulation）將其它控制方法與滯環(huán)電流控制相結(jié)合是電流控制策略的發(fā)展方向之一，典型的結(jié)合是將空間矢量調(diào)制方法SVM（Space vector modulation）與滯環(huán)控制結(jié)合起來(lái)23 2425?？臻g矢量調(diào)制是80年代中后期發(fā)展起來(lái)的，它也是矩陣式變

14、換器的最佳調(diào)節(jié)方式，三相功率因數(shù)校正電路的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)也可用此方式。在模擬控制中，用abc三相對(duì)稱坐標(biāo)系，控制量是分段正弦的，用數(shù)字化實(shí)現(xiàn)時(shí)，將abc三相對(duì)稱坐標(biāo)系變換到同步旋轉(zhuǎn)d-q正交坐標(biāo)系，此時(shí)控制量在穩(wěn)態(tài)時(shí)是常量，容易保證好的穩(wěn)態(tài)特性。模擬控制時(shí)，控制變量是時(shí)變的，在電壓電流過(guò)零時(shí)可能出現(xiàn)不連續(xù)，并且由于模擬控制器工頻增益有限，電流畸變通常比數(shù)字控制大。數(shù)字控制的帶寬主要受運(yùn)算速度和采樣延遲的限制。隨著微控制器的性能價(jià)格比不斷提高，基于SVM的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)會(huì)越來(lái)越有吸引力，空間矢量在理論分析上也有優(yōu)點(diǎn)，用其描述三相電路的軌跡非常直觀。2.4無(wú)差拍控制（Deadbeat control）26

15、27無(wú)差拍控制的基本思想是將輸出參數(shù)等間隔地劃分為若干個(gè)取樣周期，在關(guān)于取樣周期對(duì)稱的方波脈沖作用下，根據(jù)每一取樣周期的起始值，預(yù)測(cè)某電路變量在取樣周期末尾的值，適當(dāng)控制方波脈沖的寬度和極性，就能使輸出波形與要求的參考波形重合。不斷調(diào)整每一取樣周期內(nèi)方波脈沖的極性和寬度，就能獲得波形失真小的輸出。該方法是一種全數(shù)字化的控制技術(shù)，它利用前一時(shí)刻的指令電流值和實(shí)際補(bǔ)償電流值計(jì)算出整流器下一時(shí)刻應(yīng)滿足的開關(guān)模式。其優(yōu)點(diǎn)在于數(shù)學(xué)推導(dǎo)嚴(yán)密、跟蹤無(wú)過(guò)沖、易于計(jì)算機(jī)執(zhí)行等，缺點(diǎn)是計(jì)算量大且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)依賴性大較大。基于空間電壓矢量PWM的電流無(wú)差拍控制方法28，開關(guān)頻率恒定，調(diào)節(jié)性能良好，代表了目前國(guó)際上PF

16、C技術(shù)的先進(jìn)水平，隨著數(shù)字信號(hào)處理芯片DSP的普及，這是一種很有前途的控制方法。2.5占空比控制( Duty cycle control)29這種控制方法不用電流傳感器，由于是基于斜坡比較技術(shù)，因而開關(guān)頻率固定；另外，以前的控制方法都是在理想的三相平衡狀態(tài)下得出的數(shù)學(xué)模型，用占空比控制方法較傳統(tǒng)的控制方法在三相不平衡系統(tǒng)中建模、電壓調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)整等方面具有更大的優(yōu)勢(shì)例。2.6預(yù)測(cè)電流控制（Predictive current control ）3031恒頻預(yù)測(cè)電流控制是針對(duì)數(shù)字控制提出的一種控制策略，通過(guò)對(duì)輸入輸出電壓和輸入電流的采樣，根據(jù)實(shí)際電流和參考電流的誤差，由一個(gè)周期內(nèi)電感平均電流和平

17、均電壓表達(dá)式，選擇優(yōu)化的電壓矢量作為下一個(gè)周期的開關(guān)狀態(tài)預(yù)測(cè)，使實(shí)際電流在一個(gè)周期內(nèi)跟蹤上參考電流，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無(wú)誤差，該控制方法的優(yōu)點(diǎn)是：開關(guān)頻率固定，動(dòng)態(tài)性能良好，電流諧波小，器件開關(guān)應(yīng)力小，數(shù)字實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是要求較高的采樣頻率和開關(guān)頻率，在低的采樣頻率下，會(huì)產(chǎn)生周期性的電流誤差。2.7極點(diǎn)配置控制（Pole-placement control電壓調(diào)節(jié)型PWM整流器有不穩(wěn)定傾向，可以通過(guò)加大直流電容改善穩(wěn)定性，這樣需付出很大的成本代價(jià)；另外，通過(guò)比例積分反饋控制，在直流鏈接電容滿足一定條件下可以使系統(tǒng)鎮(zhèn)定，而為了減小成本應(yīng)降低電容尺寸，比例系數(shù)必需選得很小，導(dǎo)致瞬態(tài)過(guò)程變得比較慢；有文獻(xiàn)32

18、提出一種帶有狀態(tài)觀測(cè)器的狀態(tài)反饋環(huán)進(jìn)行期望極點(diǎn)配置的數(shù)字控制方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在直流電容很小的情況下系統(tǒng)的穩(wěn)定性也很好，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)大為改觀，但控制電路復(fù)雜，計(jì)算量大，需要多個(gè)高速芯片同時(shí)運(yùn)行。2.8基于lyapunov控制( lyapunov-based control) 傳統(tǒng)的絕大多數(shù)控制方法的數(shù)學(xué)建模一般是基于對(duì)變換器系統(tǒng)模型在平衡點(diǎn)附近進(jìn)行小信號(hào)線性化處理，對(duì)于輸入功率突變或者過(guò)載恢復(fù)引起的大信號(hào)動(dòng)態(tài)另外采用專門的方法處理。文獻(xiàn)33通過(guò)研究變換器大信號(hào)平均模型，指出小信號(hào)模型在大信號(hào)擾動(dòng)下存在不能保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的風(fēng)險(xiǎn)，于是很多研究人員紛紛對(duì)各種具體電路進(jìn)行了具體分析，試圖找出能夠容

19、許某類特定瞬態(tài)大信號(hào)的控制策略，由此涌現(xiàn)了很多關(guān)于大信號(hào)的控制策略，大致可以分為兩類：一類是開關(guān)位置變量是電路瞬時(shí)變量的直接函數(shù),比如sliding mode control123438和bang-bang control39-41， 另外一類依賴于所研究變換器的狀態(tài)空間平均模型，具有代表性的是文獻(xiàn)42-45提出的幾種控制策略，其中僅有文獻(xiàn)42 44考慮利用Lyapunov函數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)控制策略。文獻(xiàn)46根據(jù)李亞普洛夫穩(wěn)定理論，提出一種基于系統(tǒng)非線性模型的控制策略，不對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行小信號(hào)線性化處理，而是根據(jù)李亞普洛夫直接法分析功率變換器這種非線性系統(tǒng)，該策略嚴(yán)格保證了系統(tǒng)狀態(tài)空間具有足夠的穩(wěn)定域而

20、全局穩(wěn)定，文獻(xiàn)47把這種控制策略結(jié)合綜合矢量Park變換應(yīng)用于三相PWM AC-DC電壓源型變換器，文獻(xiàn)48則將其應(yīng)用于兩級(jí)PFC預(yù)調(diào)節(jié)器，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)具有好的瞬態(tài)響應(yīng)和單位功率因數(shù)，輸入電流畸變大大降低，并且全局穩(wěn)定，對(duì)大信號(hào)擾動(dòng)具有很強(qiáng)的魯棒性。3、關(guān)于現(xiàn)代PFC控制策略的展望1、尋求更加簡(jiǎn)化的控制策略、降低PFC成本、減小THD和EMI、降低開關(guān)應(yīng)力、提高整機(jī)效率仍然是今后PFC控制策略的發(fā)展趨勢(shì)。2、由于各種控制策略都有優(yōu)缺點(diǎn)，將各種控制策略合理搭配，取長(zhǎng)補(bǔ)短，可以收到合理的控制效果，這也是控制技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。3、基于大功率電力電子設(shè)備的要求，目前多電平變換器和各種簡(jiǎn)單

21、拓?fù)涞拇?、并?lián)等拓?fù)涞南嗬^提出，對(duì)于這些電路的控制除采用現(xiàn)有的控制策略外，還要嘗試更有針對(duì)性的控制技術(shù)，依托高速的數(shù)字處理器，采用先進(jìn)的控制理論和算法，研制高性能、高可靠性和低成本的三相脈沖整流器是三相PFC發(fā)展的趨勢(shì)。4、與現(xiàn)代控制理論相關(guān)的方法如狀態(tài)反饋控制（極點(diǎn)配置）、二次型最優(yōu)控制、非線性狀態(tài)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、變結(jié)構(gòu)滑?？刂疲诶钛牌章宸蚩刂?、迭代學(xué)習(xí)控制等，都可以用在PFC電路中，但這些方法還不成熟，處于積極地探索中，本人以后將致力于基于李雅普洛夫大信號(hào)控制、變結(jié)構(gòu)滑?？刂啤⒌鷮W(xué)習(xí)控制等先進(jìn)控制策略在PFC中的應(yīng)用研究。參考文獻(xiàn)1Smedley K M,Sloboda

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