CN107370358A

CN107370358A - 功率因数校正电路的电流环控制方法及电流环控制器

Info

Publication number: CN107370358A
Application number: CN201610319917.7A
Authority: CN
Inventors: 黄雷; 杨国权; 谢亚红
Original assignee: Eaton Manufacturing LP Glasgow succursale de Morges
Current assignee: Eaton Manufacturing LP Glasgow succursale de Morges
Priority date: 2016-05-13
Filing date: 2016-05-13
Publication date: 2017-11-21
Anticipated expiration: 2036-05-13
Also published as: CN107370358B

Abstract

本发明提供一种功率因数校正电路的电流环控制方法及控制器，除了输入电流反馈,在电流环的反馈通道中增加了谐波滤波器，通过谐波滤波器识别和增强输入电流中的谐波成分，参考电流与所述输入电流及所述滤波器输出相减得到电流误差；该电流误差包含了增强的电流谐波信息，电流环校正器基于这样的误差产生脉宽调制信号，以控制功率因数校正电路中的功率元件。该方法能有效地消除输入电流中的主要谐波成分，改善输入电流的总谐波失真，同时还可以保持电流环控制的系统稳定性。

Description

功率因数校正电路的电流环控制方法及电流环控制器

技术领域

本发明涉及功率因数校正，尤其涉及功率因数校正中的电流控制方法。

背景技术

功率因数(Power Factor,PF)是衡量电气设备，例如不间断电源(UPS,Uninterruptible Power Supply)设备的效率的一项重要指标。功率因数低的UPS，不仅对电网传输功率的利用率低，而且往往这些UPS设备的输入电流谐波含量较高。UPS中总谐波失真率(THDI，Total Harmonic Distortion of Current)和功率因数PF通常可以用下列公式来表示：

其中总谐波失真率THDI为总谐波电流有效值与基波电流有效值的比值，其中I₁代表基波电流，I_n代表n次谐波电流，n大于等于2。功率因数PF为交流输入有功功率P与输入视在功率S的比值、V_rms为输入市电电压有效值、I_in表示交流输入市电电流有效值、Φ为输入电流波形相对于输入电压波形的相位差、cosΦ表示交流输入市电的基波电压和基波电流的相移因数。从上述公式可以看出，THDI和PF中包含系列谐波电流，如果能降低这些谐波分量，那将会显著改善THDI和PF。从上述公式可以看出功率因数实际上是基波电流乘以相移因数后与输入电流基波、各次谐波均方根的比值，要提高功率因数不仅要减小输入电压与输入电流的相位差，还必须抑制输入电流的波形失真。

现有UPS中通常采用功率因数校正(PFC,Power Factor Correction)器来改善功率因数，校正器主要通过提高输入电流正弦度并保持输入电压的同相位来提高功率因数，但其并不能有效地消除输入电流中的谐波成分，尤其是低次谐波。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种功率因数校正电路的电流环控制方法及控制器。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种功率因数校正电路的电流环控制方法，包括：

经电流采样获取输入电流；

利用滤波器对所述输入电流进行滤波以识别和增强该输入电流中的谐波；

将电流环的参考电流与所述输入电流及所述滤波器输出相减得到电流误差；

由所述电流环的电流环校正器基于所述电流误差产生调制信号，并将其提供至所述功率因数校正电路的功率开关元件。

又一方面，本发明提供了一种用于功率因数校正的电流环控制器，包括：

电流采样装置，用于经电流采样获取输入电流；

滤波器，用于对所述输入电流进行滤波以识别和增强该输入电流中的谐波；

电流误差计算装置，用于将电流环的参考电流与所述输入电流及所述滤波器输出相减得到电流误差；

电流环校正器，用于基于所述电流误差产生调制信号，并将其提供至所述功率因数校正电路的功率开关元件。

在一个实施例中，所述滤波器可以为数字带通滤波器。

在一个实施例中，所述调制信号可以为PWM调制信号。

在一个实施例中，所述滤波器至少为一个。

在一个实施例中，所识别的谐波的频率不超过所述输入电流中基波频率的10倍。

在一个实施例中，所识别的谐波的频率为所述输入电流中基波频率的奇数倍。

在一个实施例中，所述滤波器的传递函数H_hm(s)可采用下面的形式：

其中，A_i，B_j为滤波器系数；i＝0,1，2,…,m-1；j＝0,1，2,…,n-1；m和n均为大于0的自然数且n≥m。

又一方面，本发明还提供了包括上述电流环控制器的功率因数校正电路。

在又一方面，本发明还提供了包括上述功率因数校正电路的不间断电源。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

不仅能有效消除输入电流中的主要谐波，而且不影响电流控制的稳定性。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1为现有技术的具有PFC控制的电路框图；

图2为现有技术的PFC控制框图；

图3为现有技术的PFC电流环控制框图；

图4为简化的现有技术DC电容器电流环示意图；

图5为根据本发明实施例的PFC控制框图；

图6为根据本发明实施例的PFC电流环控制框图；

图7为根据本发明实施例的谐振滤波器的伯德图。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现参考图1，给出了现有技术的具有PFC控制的电路框图。如图1所示，PFC主电路通常设置在桥式整流输出至滤波电路之间，PFC数字控制(也可称为PFC控制器)通常在数字信号处理器(DSP,Digital Signal Processor)中实现，例如，通过DSP软件编程可以实现电流和电压的调节、调整诸如占空比、增益和带宽之类的参数。如图1所示，PFC控制器对采样的全波整流电压、输入电流和输出直流电压3个变量进行处理，并输出脉宽调制(Pulse-WidthModulation，PWM)信号，通过PWM信号控制PFC主电路中功率元件，从而达到使输入电流的波形跟踪输入电压的波形以及稳定输出电压的目的。

图2给出了现有技术的PFC的控制框图。PFC数字控制通常可包括两个控制环路:电压环和电流环。电压环通过调节平均输入电流来控制直流母线电压，电流环控制交流输入电流使之跟踪输入电压。电压环保证输出直流电压稳压在给定值，以及基于电压环校正器的输出V_pi与DSP软件生成的电压的标准正弦表V_sinref相乘构成电流环的参考电流I_ref，以保证输入电流的正弦化。在电流环反馈通道，经电流采样获取输入电流采样值I_fb(也可称为反馈电流)，然后将其与参考电流I_ref相比较，得到电流误差I_err，然后电流环校正器基于所得到的电流误差产生调制信号，例如PWM(脉宽调制)信号，并将所产生的调制信号提供给PFC主电路中的功率元件以调节输入电流和直流母线电压。

现参考图3，给出了现有技术的PFC电流环控制框图。其中G_ic(s)为电流环校正器，G_p(s)表示电流环的被控对象(例如，PFC主电路)，V_pi为电压环校正器的输出(其在市电过零时发生变化)，V_sinref为标准正弦表，H(s)是在电流环的反馈通道对PFC电流进行采样的反馈环传递函数。为方便讨论，在本文的实施例中忽略反馈通道中信号采样延迟和误差。在不考虑信号采样延迟和误差的情况下，H(s)近似等于1。该电流环控制结构的前馈补偿N(s)为：

其中k为可调整系数。从公式(3)和图3可以看出，市电输入电压u_Rline和直流电容器电压u_Bus(也可称为Bus电压或母线电压)直接影响控制器输出的PWM，而PWM可以影响输入电流I_L。而在一般情况下，输入电压几乎不包含谐波，并且如果输出电压与输入电压同步很好地同步的话，由输入电压和锁相环等造成的谐波失真可被忽略。因此，本申请主要讨论由母线电容器电压对输入电流I_L的影响。

现参考图4，其给出了简化的现有技术DC电容器电流环路示意图。在图4中点a处根据基尔霍夫电流定律(KCL)可得到公式(4)：

其中C_bus为DC电容器的电容，u_bus(t)代表母线电压，i₀(t)代表输出电流，i_in(t)代表输入电流。其中输出电流i₀(t)可以通过泰勒展开式表示为公式(5)：

其中A₀为电流DC分量；ω为角频率；A_n为第n阶电流分量的幅值；为第n阶电流分量相位。根据输入电流和直流母线电流的关系，则其可表示为如公式(6)

其中，I_in为市电输入电流有效值。在市电期间，DC电容器纹波电压⊿u_bus(t)很小，可以被忽略，因此u_bus(t)可以用母线电压平均值V_bus代替。而I_in可以由公式(7)表达：

其中P₀为输出功率；η为UPS的系统效率；V_in为市电输入电压有效值。这样，综合公式(4)-(7)，可得到DC电容器电压u_bus(t)，如下面公式(8)所示：

其中，V_bus为母线平均电压；从公式(8)可以看出，直流母线电压u_bus(t)包含由输出电流引起的多个谐波分量。因此，直流母线电压扰动量可以被认为是对输入电流系统的干扰。

现回到图3，如上文所讨论的，输入电压几乎不包含谐波，这里可以认为基于电压环校正器的输出提供给电流环的参考电流I_ref中不存在谐波，同时为方便说明，这里假设H(s)＝1，即忽略信号采样延迟和误差。那么，N(s)与I_L(s)的关系可以如公式(9)所示：

其中对于谐波干扰⊿N(s)，由其引起的输入电流变化⊿I_L(s)，即谐波电流，如公式(10)所示：

可以看出，如果增大公式(10)的分母，则谐波电流⊿I_L(s)会变小。在实际应用中，PFC电流环校正器G_ic(s)经常使用零极点形式，如公式(11)所示：

在现有的解决方案中，抑制谐波的常用方法是通过改变G_ic(s)增益和零极点的位置来调节控制器带宽，来抑制输入电流中的谐波含量，但是在控制系统稳定性和良好性能之间平衡通常是个繁琐的过程。

在本发明的一个实施例中，提供了一种新的PFC电流环控制方法，不仅能消除输入电流中的主要谐波成分，有效改善输入电流的总谐波失真，而且还可以保持电流环控制的稳定性。图5给出了根据本发明实施例的PFC控制框图。与图2相比，本发明的PFC控制结构中在PFC电流环的反馈通道中设置了用于识别和增强输入电流中的谐波成分的滤波器(也可称为谐波滤波器)。

参考图5，该控制方法包括对经电流采样获取的输入电流进行滤波，以识别出输入电流中的谐波成分。如图5所示，经采样获得输入电流I_L，在PFC的电流环反馈通道中利用滤波器来识别所获取的输入电流I_L中的谐波成分；例如可以针对其频率为输入电流中基波频率(通常为50Hz或60Hz)的整数倍的谐波，可以分别设置相应的滤波器来进行识别。其中滤波器优选地为数字带通滤波器，其工作频率可设置为基波频率的整数倍，例如，2倍(100Hz)、3倍(150Hz)、5倍(250Hz)、7倍(350Hz)等等，用于识别2次、3次、5次、7次谐波等。在优选的实施例中，所设置的滤波器的数量不超过10个，所识别的谐波的频率不超过基波频率的10倍。优选地，可以仅针对其频率为基波频率奇数倍的谐波设置相应的滤波器。也就是分别设置识别3次谐波、5次谐波、7次谐波和/或9次谐波的滤波器。在本申请中不对滤波器的具体形式和参数进行限制，能实现从输入电流中识别和/或增强输入电流中的谐波的功能的数字滤波器都可以应用于本发明。

继续参考图5，该方法还包括根据电流环的参考电流与来自反馈通道的滤波器输出以及输入电流采样来获取电流误差。在一个示例中，可以通过下面的方式获得电流误差：将电流环的参考电流I_ref与经电流采样获取的输入电流I_L相减得到第一电流；然后将该第一电流与上述滤波器的输出相减得到电流误差I_err。在又一个示例中，也可以将各滤波器的输出与所获取的输入电流I_L相累加以得到电流环的反馈电流I_fb；接着通过将电流环的参考电流I_ref与该反馈电流I_fb相减，得到电流误差I_err，其中如上文提到的，参考电流I_ref是通过电压的标准化正弦表乘以电压环校正器的输出获得的。

在获得电流误差I_err之后，将所得到的电流误差I_err提供给电流环校正器，电流环校正器可以基于该电流误差I_err产生并输出相应的调制信号，例如，PWM(脉宽调制)信号。如上文所介绍的，可以将该PWM信号-提供至PFC主电路，以控制其中的相关功率开关元件。

图6给出了根据本发明实施例的在反馈通道中设置谐波滤波器的PFC电流环控制框图。如图6所示，参考电流I_ref不具有谐波内容，同时忽略信号采样误差和延迟(即H(s)＝1)，则从⊿N(s)至⊿I_L(s)的干扰传递函数可以由公式(12)表示：

其中，H_hm(s)为滤波器的传递函数。将公式(12)与上文的公式(10)相对比，在电流环的被控对象G_p(s)、电流环校正器G_ic(s)和干扰⊿N(s)相同的情况下，由于|(1+H_hm(s))|>1，因此相比现有的PFC电流环结构，在根据本发明实施例的带有滤波器的PFC电流环控制结构中，谐波电流⊿I_L(s)会更小。而且，滤波器传递函数H_hm(s)幅度越大，谐波减少越多。滤波器的传递函数H_hm(s)可采用但不限于如下形式：

其中，A_i，B_j为滤波器系数；i＝0,1，2,…,m-1；j＝0,1，2,…,n-1；m和n均为大于0的自然数且n≥m。应指出，在实际中，随着H_hm(s)的幅度的不断增加，PFC系统动态响应可能会变糟。因此应适当在谐波减小和系统动态响应之间进行折衷。优选地，滤波器传递函数H_hm(s)可采用下面的形式：

图7给出了该滤波器传递函数对应的伯德(bode)图。伯德图通常用于展示在不同频率下，系统增益的大小及相位，也可以从中看出增益大小及相位随频率变化的趋势。在图7中，该传递函数的基本频率为50Hz，设置了三个滤波器，分别工作在基本频率的3倍、5倍和7倍。从该伯德图可以看出，这样的谐波滤波器不会影响控制系统的相位裕度，并且在滤波器设置的频率前后一定范围内对非识别的频率信号有-20dB的衰减，而仅对所识别的频率信号起到放大作用。这样将有益于系统的稳定性。

虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所做出的各种改变以及变化。

Claims

1.一种功率因数校正电路的电流环控制方法，包括：

经电流采样获取输入电流；

其特征在于，还包括：

2.根据权利要求1所述的电流环控制方法，其中所述滤波器为数字带通滤波器。

3.根据权利要求1所述的电流环控制方法,其中所述调制信号为PWM调制信号。

4.根据权利要求1至3所述的电流环控制方法，其中所述滤波器至少为一个。

5.根据权利要求4所述的电流环控制方法，其中所识别的谐波的频率不超过所述输入电流中基波频率的10倍。

6.根据权利要求4所述的电流环控制方法，其中所识别的谐波的频率为所述输入电流中基波频率的奇数倍。

7.根据权利要求4所述的电流环控制方法，其中所述滤波器的传递函数H_hm(s)采用下面的形式：

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8.一种功率因数校正电路的电流环控制器，包括：

电流采样装置，用于经电流采样获取输入电流；

9.根据权利要求8所述的电流环控制器，其中所述滤波器为数字带通滤波器。

10.根据权利要求8或9所述的电流环控制器，其中所述滤波器至少为一个。

11.根据权利要求10所述的控制器，其中所识别的谐波的频率为所述输入电流的基波频率的奇数倍。

12.一种功率因数校正电路，包括如权利要求8至11中任一项所述的电流环控制器。

13.一种不间断电源，包括如权利要求12所述的功率因数校正电路。