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DCM+Boost+PFC数字化的研究


电力系统及其自动化
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DCM Boost

PFC数字化的研究

叶开明,陈浩龙,蔡逢煌,王武 (福州大学电气工程与自动化学院,福建福州350108) 摘要:传统断续导通模式的Boost PFc采用单电压环控制算法

实现,但存在输入电流畸变大、功率因数不高的问题,从理论的角度深 入分析了单电压环控制法不足的原因,根据Boost PFc电路在断续导通模式下的输入输出电压比,利用功率守恒原则,提出了 适用于断续导通模式的DcM预测电流法,与单电压环控制法相比电流畸变、功率因数均得到改善。实验结果验证了理论分析 的正确性。 关键词:功率因数校正;数字控制;DcM预测电流法;单电压环法;断续导通模式 DOI:10.3969/j?issn.1∞0—3船6.2014.04.016 [中图分类号]TM72[文献标志码]A[文章编号]1000—3886(2014)04—0047—03

Research

on

DigitaI COntroI TechnOIOgy Of DCM BoOst PFC

YE Kai—ming,CHEN Hao-long,CAI Feng—huang,WANG Wu

(c0Zfege Q厂E2ect“coZ

E增i凡ee^增&Au£o,,mf幻n,Fu抗oM跏讹乃毋,F乩旃ou盹洳n 350108,劬iM)
mode(DCM).
Its

Abstract:A single voltage loop is adopted when Boost PFC works in the traditional discontinuous conduction and low power factor of the input are the high distortion metIlod aI℃specifically analyzed,and the DCM principle
on current cuI。rent.

disadVantages

In

this paper,the disadvantages caused by the singIe voltage loop

prediction method is pIesented through application of the power consenration Compared with the single Voltage loop the
correctness

the basis of the inpuL/output voltage ratio of the B00st PFC circuit in the DCM.
current

method,the

distortion and power factor

are

both impmved.Experimental results

verify

of theoretical analysis.

Keywords:power factor coⅡection;digital control;DCM current prediction method;single voltage loop method;discontinuous conduction mode







本文在工作于ccM中预测电流法控制原理的基础上,应用 功率守恒原则,推导出适用于断续导通模式的DcM预测电流

有源功率因数校正(APFc)研究是当前电力电子的重要一 环,Boost由于本身具有的优越性成为PFC中研究、应用最广泛的 拓扑电路。不管采用模拟电路还是数字电路控制,算法的研究都 是其中的热点,几乎所有的Boost PFc控制法基本上都涉及到双 环控制:电压环、电流环。为了避免母线电压二次纹波引入电压 控制环,使输入电流更好地跟踪输入电压,得到更小的THDi,一 般使电压环的输出在半个工频周期内保持不变以保证电流的基 准值在半个工频周期内的正弦度,因此电压慢环的频率一般为半 个工频值。DsP数字化控制Boost PFc研究应用中最普遍的是预 测电流控制技术¨。3 o,其算法简单、实现容易、响应速度快。但传 统预测电流法工作的前提是Boost工作于连续导通模式(ccM), 而在断续导通模式(DCM)下会造成输入电流畸变、母线电压无 法稳定问题。通常情况下采取直接撤销电流环,电压环的输出直 接驱动Boost的开关管M J,此算法也称单电压环控制法。输入市 电电压经过整流器后的直流电压的频率为100 Hz,占空比的更新 频率与整流后电压的频率保持一致,即在半个工频周期内开关管 的占空比保持不变。输入电压为正弦,Boost拓扑具有自校正能 力:在开关管开通期间电感电流的平均值为正弦。此控制算法缺 点是动态反应速度慢,同时在DcM下,占空比相对比较小,一个 开关周期中的关断时间占更大的比例,开关管的关断期间电流平 均值非正弦,占空比越小,电流畸变得越厉害,P,值越低。

法‘5“o,该算法具有更高功率因数(砟),反应速度快,动态性能
好等优点。最后,基于DsP28069数字控制平台,在6 机的前级双Boost PFC拓扑上进行验证。
kVA

uPS样

1单电压环控制法原理分析
图1为单电压环控制Boost PFc框图。为分析方便,先做如 下假设: (1)所有器件均为理想元件; (2)输出电压纹波与其直流量相比很小; (3)开关频率远高于输入市电频率。

圈l 单电压环控制法控制框图 图2给出了DcM下单电压环控制法中在一个开关周期中的

电感电流波形。断续导通模式的B00st变换器有三种开关状态。 (1)O~D,F期间:开关管T导通时,二极管D截止,升压电 感L两端的电压为”。,其电流i。由零开始以%/L的斜率线性 上升。

定稿日期:2013—1l一25

(2)D,r一(D,+%)t期间:开关管T关断,二极管D导
EJectricaI Automation

47

万方数据

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通,屯通过D续流, 此时£两端的电压 K一%,屯下降的斜 率为K一叱/屯,到

电力系统及其自动化
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舟嚣蜘。
单电 压环控制
图2单电压环控制 DCM Boost电感电流波形
飞 ’ 一

(8)

D,+巩时刻电流
下降到0。 (3) (D,+

DR)瓦一(1一D,+

巩)t期间:开关管
T关断,二极管D

中,功率
100



W.

升压电感
600 uH.

蠼 删 趔

也截止,在此期间吐保持为0,负载由输出滤波电容c供电,直至 下一周期开关管T开通后,重复(1)过程。 令输入交流电压的表达式为: 口。(f)=ksin∞t 式中%一输入交流电压的幅值;∞一角频率。 整流后电压叱为: %=k (1)


一< 蟀

输出母线 电压400 V,输入 电压分别 为220
V、

图3单电压环控制法电感电流平均值

sin(cJ£l

(2)

240

V、260


在一个开关周期内,电感电流峰值ib。为:

叫小鲁啊=掣咐
%D,t=(K一%)DnE

V情况下, (3) 根据式 (3)、(6)分 别画出半 个工频周 期内电感 电流的峰 (4) 值如图(3) 与相对应



‘ 煺 删
±堕

式中D,一占空比;E一开关周期。 单电压环控制法中的占空比在半个工频周期内是保持不变 的,由式(3)可知,电感电流峰值的包络线为正弦。 在每个开关周期内,电感£两端的伏秒面积平衡得:

羁 斗 一< 蟀

式中%一输出电压;巩一电感电流从峰值下降到零所对应
占空比。 由式(4)推导得:

图4单电压环控制法电感电流峰值

的平均值如图(4)。图(3)、(4)得,峰值包络线虽呈正弦,但其平

耻彘驴孝船,㈣
i“,(£)=÷i如k(£)(D,+巩)=
2 £

均值已不再正弦,而是发生了畸变,由式(6)可知,当k/%越 大,电流畸变越厉害;由式(8)可知,当k/%越大,P,值也越低, 图(4)绘出了k的变化对电流畸变所造成的影响。 单电压环控制法主要应用在当Boost电路电感设计在连续导 通模式而实际运行于大约5%满载下,此时为了稳定母线电压而

根据式(3)和式(5),可以得到一个开关周期内电感电流的

平均值ih为:

÷华南 一—丁


对P,值要求不是很高的情况下,或者当开关管在关断区间输入 电流为零的拓扑,比如说Buck—Boost电路。DcM预测电流法就 是为了解决前一种情况下单电压环控制法中D,在半个工频周期



㈤ 、。

sin∞f

内不变而引起电感电流的畸变,有效提高输入端的砟值。


DCM预测电流法原理分析
预测电流法只适用于电感电流工作在连续导通模式,而对于

输入电流i;。=i“,,由式(1)和式(6),求得输入功率为:
P;n

2寺J)‰(£)im(£)d仁
sin山t

警上r
式中,一开关频率。

2磁盯上l一告l

j灶帕f)

断续导通模式下,由文献[6]中可得,输入与输出电压的关系有: (7) …’ %
"占

l””’



(9)

根据式(7)和输入功率因数砟值的定义得:

式中厶一母线电流有效值。

耻裳
万方数据

鲁仁丽
*‰㈤k㈤dt

假设R为输出负载电阻,显然%儡=R,根据式(8)可推出
占空比值为:
D一=

属詈(半)
√Rt%\




(10)

电力系统及其自动化
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输出功率为P0,那么R=罟,所以由式(10)可化为:
篱童


)≥

驴√等袅(半)
工频周期电感电流的瞬时值: i陀f(z)=,。。sin(埘z) 变化情况为:

…,

墨5
\冬

≥<夕 Q
,盘Il

少‘Ⅲ,n

理想情况下,输入功率等于输出功率,所以Po=K。,i。。半个

耋鼍

一\=7

flm‘

弋=7
ll圈、培’

(12)


(a)单电压环控制法波形

DcM预测电流法的占空比在半个工频周期内是可变的,其
害主 )、

州=捂一t)(昔)
准的幅值k,式(12)中的sin(训f)为正弦表,采用市电可得。 3

(13)

曼i
一一一

稳/
:“哇土l…



输入?l j‘-tI


弋=7

一弋=7

m、

DcM预测电流法与单电压环控制法相比多了一个电流控制 环,其作用就是使电感电流在工频周期内的电流平均值的包络线 为正弦,由式(13)实现。电压环的输出得到半个周期内电流基

f{¨l、恪)

图6输出功率为137W两算法的波形

DCM

Boost

PFC数字控制程序设计

采用TMs320LF28069浮点型DsP数字控制,cPu频率90 M。系统需采样市电输入电压、输出母线电压,软件设计的主要 内容是定时器Tl比较中断。图(5)给出了DCM预测电流法数 字实现,定时器T1比较中断子程序流程图。 定时器Tl比较中断子程序中主要完成系统电压电流采样、 过流保护、过压保护、电压外环计算、电流内环计算及PwM驱动 信号的生成。 誓鑫
二.、

一‘R17


m‘

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…一‘j;¨…。

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m、f}11

、转入‘嘣川1

a)单电压环控制法波形

一}湖蕊蔫藏;






一<】!、,

.f—、.夕

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一一

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LbJ

1∞≮

:旧八罴孑

DcM预测电流法环控制波形

图7输出功率为2∞W两算法的波形 图(8)得 DCM预测电流法 相比于单电压环
o 95
。。

法砟值得到有。…。
效提高,当达到 一定功率时,由 于单电压环法更 容易进入连续导 图5定时器中断子程序流程图 通模式,其P,值 反而降低。

o 8 o 75
.,

50

100

150

200

:√J1j≯I_“‘ 图8两种算法的P,值比较

4实验验证
在6 kVA双Boost PFc样机上对功率200 w以下负载进行验 证。输入电压为220 在360 V,电容1
880 v/50

5结束语
针对单电压 环法在DcM
Boost

Hz,电感为600 uH,母线稳压电压设定

uF,开关频率20 k。图(6)、(7)分别为不同

PFc控制中电流畸变大、功率因数不高的问

功率下两算法之间的波形比较,图(8)为P,值随输出功率的变 化图。 图(6)、(7)可看出同功率下,DcM预测电流法更好地分配 了在半个工频周期内电感电流的值,使其电流峰值更小、电流畸 变率更低,由图(7)中电感电流在峰值附近的局部放大图相比较 可知,单电压环法在输入电压峰值期附近更容易进入CCM。

题,提出了采用DcM预测电流法替代传统的单电压环控制法,理 论分析了电流畸变和功率因数得到改善的原理,最后在6 kvA双
Boost

PFC上对200 w以下负载进行验证,实验结果表明DCM预

测电流法很好地弥补了单电压环法电流畸变大、功率因数不高的 缺点。 (下转第53页)
EIec埘cal Automation

49

万方数据

电力系统及其自动化
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2Ⅲ ≥l“


奄。
l。00。



乏:}广
}f

影响输出功率大幅下降,设定此时蓄电池的soc<25%。由于分 布式能源输出功率不能满足负载需要,直流母线电压迅速下降, 当电压小于550 V时,这时逆变器输出的电能质量已经得不到保 证,停止逆变。此时没有输入能量,直流母线电压加速下降。在
O.45

署:i
(a)分机式能洲:输出。

喜蚤P
M000

s时分布式能源的输出功率增大能够满足负载,直流母线电
V。

压迅速上升,恢复并稳定在600

5结束语
本文设计的微网系统的直流母线汇集了各个分布式能源的 输出能量,可见直流母线电压稳定的重要性,针对这一情况,对相

关控制策略进行了详细研究分析。并提出了整个微网系统的控

《P
≤F]:『=

i喜

制策略,以合理的选择各个工作模式、保证了系统的稳定运行。 本文虽然对分布式能源以及微网的控制进行了一些研究。但对 多个微网系统并行,更加复杂的微网系统的建模等难题有待进一 步深入。 参考文献:
[1]徐大明,康龙云,曹秉刚.基于NsGa—II的风光互补独立供电系统多 目标优化[J].太阳能学报,2006,27(6):593—598. [2]齐志远,王生铁,田桂珍.风光互补发电系统的协调控制[J].太阳能 学报,2010,31(5):654—659. [3]胡学浩.美加联合电网大面积停电事故的反思和启示[J].电网技 术,2003,27(9):2—6. [4] Acke珊ant,Andersong,sedel_Distributed
generation:a

图7输出功率和母线电压波形 定此时蓄电池soC≥25%,蓄电池按照基于稳定直流母线电压放 电策略放电提高逆变器的输入能量,使直流母线电压在O.1 s内 恢复并稳定在800
V。

d击nition[J].

Elec伍P0wer System Research,2001,57(6):195—204.

[5]RAHMAN,sAIFuR.Green [J].IEEE P0wer肌d [6]Mac

Pawer:what is it and where

we

can

find it?

Energy

Mag北ine,2003,1(1):33—37. gener撕on:semantic
hype
or

图7(c、d)可以看出:在0.15 s时,分布式能源由于自然环境 影响输出功率大幅下降,设定此时蓄电池的soc<25%。由于分 布式能源输出功率不能满足负载需要,使直流母线电压迅速下 降,当电压小于700 V时,切除一般负载,设定U妇,为600 V,直流 母线电压在0.05 s内稳定在600 V。当0.3 s分布式能源的输出 功率能够满足负载需要时,砜。。,恢复为800 V,直流母线电压迅速 上升,直流母线电压也稳定在800
V。

Gregor P R,Lambert F c.Dis哦buted


tlle dawn 0f

new

em[J].IEEE

P0wer and Energy

M郫ine,2003,1

(1):22—29.

[7]艾斌,杨洪兴,沈辉,等.风光互补发电系统的优化设计匹配设计实 例[J].太阳能学报,2003,24(5):718—723. [8]鲁宗相,王彩霞,闵勇,等.微电网研究综述[J].电力系统自动化, 2007,31(19):100一107. [9]R
LAssETER.

图7(e、f)可以看出:开始时,分布式能源提供的能量只能满 足重要负载的需求,这段时间直流母线维持在600 V;在0.15


Integration of

ne cERTS Micr0咖d concept—wlIite Dist曲uted Energy Resources[R].2002.

P印er

on

[10]赵庚申,王庆章,许盛之.最大功率点跟踪原理及实现方法的研究 [J].太阳能学报,2006,27(10):997—1001.

时分布式能源由于自然环境影响输出功率大幅下降。由于分布 式能源输出功率不能满足负载需要,直流母线电压迅速下降,设 定此时蓄电池的soc≥25%,蓄电池释放能量,提高了逆变器的 输入能量,直流母线电压迅速上升,恢复并稳定在600
V。

【作者简介】张杰(1972一),男,湖北武汉人,副教授,硕士生导师,研究方
向为光伏发电及其控制。 方向为光伏发电及其控制。 究方向为光伏发电及其控制。 高腾(1988一),男,硕士,湖北黄冈人,研究 赵威(1987一),男,硕士,湖北襄阳人,研 艾振珂(1988一),男,硕士,湖北鄂州

图7(g、h)可以看出:在0.15 s时,分布式能源由于自然环境

人,研究方向为光伏发电及其控制。

(上接第49页) 参考文献:

[5]姚凯,阮新波,冒小晶,等.电流断续模式B00st功率因数校正变换器

甜w咄zh粕g’Ya也i LouIBinWu.ANewDutycyc唧川呲gy
tor P0wer I
0n

actor

LoHectlon a11d I上JGA lmplementatlon

l J

№1嚣嵩鬈赫力电子变换和控制技术mL北煎高等教 J-l上:EE’lhns’——
【作者简介】叶开明(1988一),男,福建泉州人,硕士研究生。研究方向为 功率因数校正(PFc)控制算法的数字化研究。 字化研究。 陈浩龙(1988一),男,福 建福州人,硕士研究生。研究方向为功率因数校正(PFC)控制算法的数 蔡逢煌(1976一),男,福建莆田人,博士,副教授。研究方向 王武(1973一),男,福建莆田人,博士,教授。 为电力电子系统控制。 研究方向为电力电子系统控制。

的变占空比控制[J]-电工技术学报,20ll,26(11):14—24?

P…e。E16。tr0“i08,2006,21(6):1745—1753?

[2]李宋,叶满园?预测平均电流控制PFc Boost变换电路的研究[J]?电 力电子技术,2011,45(12):120一122? [3]王书强.基于DsP的数字控制单级桥式功率因数校正技术研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学,2011. [4]杨靖,陈新.电感电流断续模式下的功率因数校正数字控制解决方 案『J].通讯电源技术,2007,24(1):8—10.

EIectncal Automation

53

万方数据

DCM Boost PFC数字化的研究
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 叶开明, 陈浩龙, 蔡逢煌, 王武, YE Kai-ming, CHEN Hao-long, CAI Feng-huang, WANG Wu 福州大学电气工程与自动化学院,福建福州,350108 电气自动化 Electrical Automation 2014,36(4)

参考文献(6条) 1.Wanfeng Zhang;Yanfei Lou;Bin Wu A New Duty Cycle Control Strategy for Power Factor Correction and FPGA Implementation 2006(06) 2.李宋;叶满园 预测平均电流控制PFC Boost变换电路的研究 2011(12) 3.王书强 基于DSP的数字控制单级桥式功率因数校正技术研究 2011 4.杨靖;陈新 电感电流断续模式下的功率因数校正数字控制解决方案 2007(01) 5.姚凯;阮新波;冒小晶 电流断续模式Boost功率因数校正变换器的变占空比控制 2011(11) 6.陈坚 电力电子学--电力电子变换和控制技术 2004

引用本文格式:叶开明.陈浩龙.蔡逢煌.王武.YE Kai-ming.CHEN Hao-long.CAI Feng-huang.WANG Wu DCM Boost PFC数字化的研究 [期刊论文]-电气自动化 2014(4)


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