抑制电流畸变的无桥PFC控制策略仿真研究

于龙飞 于志超 王朋辉

摘  要：分析无桥整流电路因交流侧升压电感而产生的输入电流过零点畸变现象，对基于dq坐标变换的PI双闭环控制策略进行了研究。通过仿真实现基于旋转坐标系dq解耦的抑制输入电流过零点畸变的改良型控制策略、验证控制性能，同时与传统控制系统相比较，验证前者在抑制输入电流过零点畸变的性能。

关键词：无桥整流电路;dq变换;SOGI;输入电流过零点畸变

中图分类号：TM46 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）05-0061-02

Abstract： The zero-crossing distortion of the input current due to the AC side boost inductor of the bridgeless rectifier circuit is analyzed， and the PI double closed-loop control strategy based on the dq coordinate transformation is studied. An improved control strategy based on the rotation coordinate system dq decoupling to suppress the input current zero-crossing distortion is verified through simulation， and the control performance is verified. At the same time， compared with the traditional control system， the former is verified to suppress the input current zero-crossing distortion performance.

Keywords： bridgeless rectifier circuit; dq transform; SOGI; input current zero crossing distortion

1 無桥PFC输入电流过零点畸变分析

1.1 无桥整流电路拓扑及工作状态分析

如图1所示为单相无桥整流电路拓扑结构图，与全桥整流电路相比，无桥整流电路结构简单，全控器件数量仅为前者的1/2。

在传统的dq坐标变换中，通过虚拟一个滞后90°的交流电压电流，可以得到dq坐标系下的电路模型：

（1）

1.2 输入电流过零点畸变

无桥整流电路工作在单位功率因数时，因交流侧升压电感的存在，交流侧合成电压的相位始终滞后输入电压，因此在输入电压过零点到合成电压过零点这段时间内，电感电流的相位与合成电压相反，但由于二极管整流的不可控，这种工作状态实际上是不存在的，所以会产生输入电流过零点畸变。

在整个工频周期内，输入电流用分段函数表示如下：

2 控制算法结构

2.1 基于dq坐标变换的单相系统控制算法

本文通过坐标变换，将交流电压和电流通过坐标变换转变为直流量，进行闭环控制系统的设计，构成双闭环控制系统，采用同步驱动的方式驱动开关管，实现控制策略。

可得如图2所示的具体实现框图，为实现单相系统dq坐标变换，需设计虚拟电压产生电路。在传统dq解耦控制中，虚拟电压的产生一般使用延时算法。该方法动态响应较快，但稳态性能不佳;而本文使用的是基于二阶广义积分的虚拟电压产生电路。

在产生虚拟电压之后，进行dq坐标变换的相位与频率信息由锁相环提供。根据dq变换后的模型设计双闭环系统，电压与电流控制器采用PI控制器，使输出直流电压稳定在给定值附近。

2.2 针对输入电流过零点畸变的控制算法

为抑制输入电流过零点畸变，始终保持如图3所示输入电流Is*与交流侧合成电压Ucon*同相位，这样不会发生输入电流过零点畸变，但输入电流Is*会滞后输入电压Us一个相角？渍。

即在锁相控制电路中的相位信号中添加滞后环节，如图4所示。

根据相量图可得电感电流：

根据功率平衡可得：

由此得到输入电流相位滞后于输入电压相位的相位角？渍的表达式如下：

可以看出滞后相角与升压电感、输入-输出电压比值以及电路负载有关，在实际的工作中，电路的输入输出电压与升压电感变化不大，而负载是波动的，需要实时观测才能得到良好的控制效果。

3 改进型控制算法的仿真实现与对比

本文使用MATLAB/Simulink对控制算法进行仿真验证。仿真电路的具体设计参数如表1所示。

在如表1所示的设计参数下，传统的控制策略可以使交流侧电压、电流相位一致，但会导致输入电流过零点畸变，而在添加滞后环节后，可得仿真波形如图5所示。

在改进后，电流波形得到优化，消除输入电流过零点畸变现象，并且保持了较高的功率因数，输入电流的THD降低至1.19。

4 结束语

本文针对无桥整流电路的输入电流过零点畸变，在dq坐标变换中添加滞后环节，调整输入电流相位与交流侧合成电压一致，在较高的功率因数下，解决了输入电流过零点畸变的问题。与传统控制策略相比，更适于高功率因数、对电流波形与谐波含量要求较高的工作场合。

参考文献：

[1]王国涛.浅析电力系统谐波危害及治理措施[J].计量与测试技术，2019，46（09）：73-74+78.

[2]王凯，雷旭琦，吴立忞，等.复杂电网谐波分析与谐波电能计量系统设计与开发[J].物联网技术，2018，8（04）：87-89+92.

[3]庄园.基于无桥结构的级联式整流器及其控制策略研究[D].中国矿业大学（北京），2018.

[4]王畅，王聪，王克峰，等.无桥PFC新型控制算法[J].电工电能新技术，2015，34（11）：18-23.