CN109412403A - 一种功率因数校正控制方法和装置 - Google Patents

一种功率因数校正控制方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种功率因数校正控制方法及装置，该方法包括如下步骤：采样获取PFC电路输入电网电压信号、输入电感电流信号和输出电压信号；输出电压数据Udc经过滤波后的输出电压数据比较滤波后的输出电压数据与预设的输出电压参考值获取输出电压差；根据输出电压差获得输出电压差的误差信号；计算获得输入电流参考值iref；获取电流误差信号；根据步电流误差信号，计算输入电流差的误差值；根据输入电压绝对值和输出电压数据Udc，计算输入电压前馈信号；根据输入电流差的误差值和输入电压前馈信号，获得调制信号；根据调制信号，计算获得PWM信号，PWM信号用于控制PFC电路的开关动作，实现功率因数校正功能。

Description

一种功率因数校正控制方法和装置
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，尤其涉及一种功率因数校正控制方法和装置。
背景技术
功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)指有功功率与视在功率的比值，功率因数可以衡量电力被有效利用的程度，功率因数越大代表电力利用率越高。目前PFC技术包括：无源PFC技术和有源PFC技术。
有源PFC采用开关器件导致谐波电流中含有3、5、7等特征次谐波分量，现有部分PFC控制方案中，采样系统将负载电压中100Hz谐波引入控制系统造成电网电流谐波含量增大，并且采用PI调节器作为电流内环控制器，跟踪交流电流指令信号存在静态误差。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种功率因数校正控制方法和装置，在满足同样功率因数校正的前提下，消除电流控制静态误差，有效降低电网电流中的谐波。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种功率因数校正控制方法，所述方法包括如下步骤：步骤一：采样获取PFC电路输入电网电压信号、输入电感电流信号和输出电压信号，并进行数模转换处理，获得输入电压数据uin、输入电感电流数据il和输出电压数据Udc；步骤二：输出电压数据Udc经过100Hz陷波滤波器滤波，得到滤波后的输出电压数据步骤三：比较步骤二中的滤波后的输出电压数据与预设的输出电压参考值获取输出电压差；步骤四：根据输出步骤三中的电压差，采用比例积分调节器计算获得输出电压差的误差信号；步骤五：根据步骤四中的电压差的误差信号和步骤一中的输入电压数据uin，计算获得输入电流参考值iref；步骤六：比较步骤一中的输入电感电流数据il与步骤五中的输入电流参考值iref，获取电流误差信号；步骤七：根据步骤六中的电流误差信号，计算输入电流差的误差值；步骤八：根据步骤五中的输入电压绝对值和步骤一中的输出电压数据Udc，计算输入电压前馈信号；步骤九：根据步骤七中的输入电流差的误差值和步骤八中的输入电压前馈信号，计算获得调制信号；步骤十：根据步骤九中的调制信号，计算获得PWM信号，PWM信号用于控制PFC电路的开关动作，实现功率因数校正功能。
上述功率因数校正控制方法中，在步骤二中，100Hz陷波滤波器传递函数为：其中，ω＝200π，ω为频率100Hz的角频率，s为复频率。
上述功率因数校正控制方法中，在步骤五中，根据输入电压数据uin，对输入电压数据uin取绝对值，对输入电压数据uin计算有效值，对所述输入电压有效值计算平方值，对所述电压有效值的平方值取倒数，将所述输入电压绝对值、电压有效值平方的倒数和电压差的误差信号相乘，计算获得输入电流参考值iref。
上述功率因数校正控制方法中，在步骤七中，电流误差信号经过50Hz基波频率的准比例谐振控制器，计算得到输入电流误差信号一；电流误差信号经过150Hz频率的准比例谐振控制器计算得到输入电流误差信号二；电流误差信号经过350Hz频率的准比例谐振调节器计算得到输入电流误差信号三；将所述输入电流误差信号一、输入电流误差信号二、输入电流误差信号三相加，得到输入电流差的误差值。
上述功率因数校正控制方法中，50Hz基波频率的准比例谐振调节器传递函数为：式中kp1、kr1为50Hz基波频率的准比例谐振调节器系数，wo＝100л，wo为频率50Hz的角频率，wc1为50Hz基波频率的准比例谐振调节器截止频率。
上述功率因数校正控制方法中，150Hz频率的准比例谐振调节器传递函数为：式中kp2、kr2为150Hz频率的准比例谐振调节器系数，wo＝100л，wo为频率150Hz的角频率，wc2为150Hz频率的准比例谐振调节器截止频率。
上述功率因数校正控制方法中，350Hz频率的准比例谐振调节器传递函数为：式中kp3、kr3为350Hz频率的准比例谐振调节器系数，wo＝100л，wo为频率350Hz的角频率，wc3为350Hz频率的准比例谐振调节器截止频率。
上述功率因数校正控制方法中，在步骤八中，对输出电压数据Udc取倒数，将输出电压数据Udc的倒数与输入电压绝对值相乘，计算得到输入电压前馈信号。
一种功率因数校正控制装置，包括：整流桥、BOOST升压电路和控制器；其中，输入电源与整流桥输入端连接，整流桥输出端与BOOST电路输入端连接，控制器与BOOST升压电路的控制端连接；控制器从BOOST升压电路的输入端采样输入电压数据和输入电流，控制器从BOOST升压电路的输出端采样输出电压，通过数字信号处理输出PWM信号至BOOST升压电路并控制BOOST升压电路实现功率因数校正功能。
上述功率因数校正控制装置中，所述整流桥包括：二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4；其中，二极管D1的负极与二极管D2的负极相连接，二极管D1的正极与二极管D3的负极相连接，二极管D2的正极与二极管的D4负极相连接，二极管D4的正极与二极管D3的正极相连接；二极管D1的负极和二极管D2的负极与输入电源一端相连接，二极管D3的正极和二极管D4的正极与输入电源另一端相连接。
上述功率因数校正控制装置中，所述BOOST升压电路包括：电感L、二极管D5、电容C、开关管V和负载R；其中，电感L一端与整流桥中二极管D1和二极管D2的负极相连，电感L另一端与开关管V集电极和二极管D5的负极相连接，二极管D5与电容C的正极和负载R的正极相连接，电容C的负极、负载R的负极和开关管V的发射极与二极管D3和二极管D4的正极相连接。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明的整流电压采样环节采样整流桥前端电压，取绝对值后作为电感电流相位信号，改善电感电流指令值过零畸变的问题；
(2)本发明的整流电压采样值乘以输入电源电压有效值平方的倒数，调节输入电压的范围，使系统可以满足宽范围电压供电的要求；
(3)本发明的负载电压采样环节增加100Hz陷波滤波器，滤波器之后的信号与电压给定值进行比较，经过PI调节器得到电感电流幅值的指令值，消除直流母线电压中100Hz分量对PFC电流谐波的影响，减小输入电流谐波畸变率；
(4)本发明的内环调节器采用准比例谐振调节器，能够无静差跟踪交流参考信号，相对于PI调节器具有更高的功率因数和更小的电流谐波畸变率；
(5)本发明的电流指令值与实际电感电流相比较，经过多谐振PR电流调节器，得到调制信号。在无静差跟踪100Hz电流信号的同时，减小电流中特定数的谐波含量。由于负载、死区或市电波动等原因，PFC输入电流中含有较多谐波，主要分布在3、5、7次，其中3、5次谐波含量尤为突出。通过在基波频率的谐振控制器上增加3、5次等处的谐振控制器，从而达到滤除对应次谐波的目的；
(6)本发明的电流内环中加入电网电压前馈环节，减小电网电流畸变，提高系统响应速度。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的功率因数校正控制方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的功率因数校正控制装置的框图；
图3是本发明实施例提供的功率因数校正控制装置的具体示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1是本发明实施例提供的功率因数校正控制方法的流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤一：采样获取PFC电路输入电压信号、输入电感电流信号和输出电压信号，具体为：检测PFC电路的输入电压信号、输入电感电流信号和输出电压信号，对检测的信号进行数模转换处理，获得输入电压数据uin、输入电感电流数据il和输出电压数据Udc。
步骤二：输出电压数据Udc经过100Hz陷波滤波器滤波，得到滤波后的输出电压数据具体为：输出电压数据经过100Hz陷波滤波器滤波，得到滤波后输出电压数据100Hz陷波滤波器传递函数为：式中ω＝200π。
步骤三：比较步骤二中的滤波后的输出电压数据与预设的输出电压参考值获取输出电压差。
步骤四：计算输出电压差的误差信号，具体为：根据输出步骤三中的电压差，采用比例积分调节器计算获得输出电压差的误差信号。
步骤五：根据步骤四中的电压差的误差信号和步骤一中的输入电压数据uin，计算获得输入电流参考值iref，具体为：根据输入电压数据uin，对输入电压数据uin取绝对值，对输入电压数据uin计算有效值，对所述输入电压有效值计算平方值，对所述电压有效值的平方值取倒数，将所述输入电压绝对值、电压有效值平方的倒数和电压差的误差信号相乘，计算获得输入电流参考值iref。
步骤六：比较步骤一中的输入电感电流数据il与步骤五中的输入电流参考值iref，获取电流误差信号；
步骤七：根据步骤六中的电流误差信号，计算输入电流差的误差值。具体为，电流误差信号经过50Hz基波频率的准比例谐振控制器，计算得到输入电流误差信号一，50Hz基波频率的准比例谐振调节器传递函数为：式中kp1、kr1为50Hz基波频率的准比例谐振调节器系数，wo＝100л，wc1为50Hz基波频率的准比例谐振调节器截止频率；电流误差信号经过150Hz频率的准比例谐振控制器计算得到输入电流误差信号二，150Hz频率的准比例谐振调节器传递函数为：式中kp2、kr2为150Hz频率的准比例谐振调节器系数，wo＝100л，wc2为150Hz频率的准比例谐振调节器截止频率；电流误差信号经过350Hz频率的准比例谐振调节器计算得到输入电流误差信号三，350Hz频率的准比例谐振调节器传递函数为：式中kp3、kr3为350Hz频率的准比例谐振调节器系数，wo＝100л，wc3为350Hz频率的准比例谐振调节器截止频率。将所述输入电流误差信号一、输入电流误差信号二、输入电流误差信号三相加，计算得到输入电流差的误差值。
步骤八：根据步骤五中的输入电压绝对值和步骤一中的输出电压数据Udc，计算输入电压前馈信号，具体为：对输出电压数据Udc取倒数，将输出电压数据Udc的倒数与输入电压绝对值相乘，计算得到输入电压前馈信号。
步骤九：根据步骤七中的输入电流差的误差值和步骤八中的输入电压前馈信号，计算获得调制信号，具体为将输入电流差的误差值、输入电压前馈信号相加，计算得到调制信号。
步骤十：根据步骤九中的调制信号，计算获得PWM(脉冲宽度调制)信号，PWM信号用于控制PFC电路的开关动作，实现功率因数校正功能。
对PFC电路中输出电压进行采样，输出电压采样环节中加入100Hz陷波滤波器滤除输出电压采样信号中的100Hz谐波，100Hz陷波滤波器传递函数为：
将经过陷波滤波器的采样值与给输出电压给定值定值进行比较，得到的比较值传递给电压外环PI调节器，计算得到电感电流幅值的参考值。
对电网电压相位进行跟踪，采样整流桥前端电网电压uin，采样值取绝对值后与输入电源电压有效值平方的倒数相乘，得到电网电压相位信号。
将电网电压相位信号与计算得到电感电流幅值的参考值相乘得到电感电流参考值。对电感电流信号进行采样，与电感电流参考值进行比较，得到的误差信号作为电流内环调节器的输入信号。
电流内环调节器为多PR准比例谐振调节器，多PR准比例谐振调节器为基次和3、5次准比例谐振调节器的和，传递函数为：
电流误差信号分别经过基次和3、5次准比例谐振调节器得到指令信号1、指令信号2和指令信号3，将指令信号1、指令信号2和指令信号3相加得到指令值。
交流输入电压的绝对值乘以输出电压的倒数得到电网电压前馈指令信号，将电网电压前馈指令信号与指令信号1、指令信号2和指令信号3相加得到的指令值取和得到调制信号。
调制信号经过调制环节与载波相比较得到开关信号控制开关管导通和关断，实现功率因数校正功能。
图2是本发明实施例提供的功率因数校正控制装置的框图。如图2所示，该装置包括整流桥1、BOOST升压电路2和控制器3。
其中，输入电源与整流桥输入端连接，整流桥输出端与BOOST电路输入端连接，控制器与BOOST升压电路的控制端连接。
控制器从BOOST升压电路的输入端采样输入电压数据和输入电流，控制器从BOOST升压电路的输出端采样输出电压，通过数字信号处理输出PWM(脉冲宽度调制)信号至BOOST升压电路并控制BOOST升压电路实现功率因数校正功能。
如图3所示，整流桥的具体包括：二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4；其中，二极管D1的负极与二极管D2的负极相连接，二极管D1的正极与二极管D3的负极相连接，二极管D2的正极与二极管的D4负极相连接，二极管D4的正极与二极管D3的正极相连接。二极管D1的负极和二极管D2的负极与输入电源一端相连接，二极管D3的正极和二极管D4的正极与输入电源另一端相连接。
如图3所示，BOOST升压电路的具体包括：电感L、二极管D5、电容C、开关管V和负载R。电感L一端与整流桥中二极管D1和二极管D2的负极相连，电感L另一端与开关管V集电极和二极管D5的负极相连接，二极管D5与电容C的正极和负载R的正极相连接，电容C的负极、负载R的负极和开关管V的发射极与二极管D3和二极管D4的正极相连接。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (11)

1.一种功率因数校正控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤一：采样获取PFC电路输入电网电压信号、输入电感电流信号和输出电压信号，并进行数模转换处理，获得输入电压数据uin、输入电感电流数据il和输出电压数据Udc；
步骤二：输出电压数据Udc经过100Hz陷波滤波器滤波，得到滤波后的输出电压数据
步骤三：比较步骤二中的滤波后的输出电压数据与预设的输出电压参考值获取输出电压差；
步骤四：根据步骤三中的输出电压差，采用比例积分调节器计算获得输出电压差的误差信号；
步骤五：根据步骤四中的电压差的误差信号和步骤一中的输入电压数据uin，计算获得输入电流参考值iref；
步骤六：比较步骤一中的输入电感电流数据il与步骤五中的输入电流参考值iref，获取电流误差信号；
步骤七：根据步骤六中的电流误差信号，计算输入电流差的误差值；
步骤八：根据步骤五中的输入电压绝对值和步骤一中的输出电压数据Udc，计算输入电压前馈信号；
步骤九：根据步骤七中的输入电流差的误差值和步骤八中的输入电压前馈信号，计算获得调制信号；
步骤十：根据步骤九中的调制信号，计算获得PWM信号，PWM信号用于控制PFC电路的开关动作，实现功率因数校正功能。
2.根据权利要求1所述的功率因数校正控制方法，其特征在于：在步骤二中，100Hz陷波滤波器传递函数为：其中，ω＝200π，ω为频率100Hz的角频率，s为复频率。
3.根据权利要求1所述的功率因数校正控制方法，其特征在于：在步骤五中，根据输入电压数据uin，对输入电压数据uin取绝对值，对输入电压数据uin计算有效值，对所述输入电压有效值计算平方值，对所述电压有效值的平方值取倒数，将所述输入电压绝对值、电压有效值平方的倒数和电压差的误差信号相乘，计算获得输入电流参考值iref。
4.根据权利要求1所述的功率因数校正控制方法，其特征在于：在步骤七中，电流误差信号经过50Hz基波频率的准比例谐振控制器，计算得到输入电流误差信号一；电流误差信号经过150Hz频率的准比例谐振控制器计算得到输入电流误差信号二；电流误差信号经过350Hz频率的准比例谐振调节器计算得到输入电流误差信号三；将所述输入电流误差信号一、输入电流误差信号二、输入电流误差信号三相加，得到输入电流差的误差值。
5.根据权利要求4所述的功率因数校正控制方法，其特征在于：50Hz基波频率的准比例谐振调节器传递函数为：式中kp1、kr1为50Hz基波频率的准比例谐振调节器系数，wo＝100л，wo为频率50Hz的角频率，wc1为50Hz基波频率的准比例谐振调节器截止频率。
6.根据权利要求4所述的功率因数校正控制方法，其特征在于：150Hz频率的准比例谐振调节器传递函数为：式中kp2、kr2为150Hz频率的准比例谐振调节器系数，wo＝100л，wo为频率150Hz的角频率，wc2为150Hz频率的准比例谐振调节器截止频率。
7.根据权利要求4所述的功率因数校正控制方法，其特征在于：350Hz频率的准比例谐振调节器传递函数为：式中kp3、kr3为350Hz频率的准比例谐振调节器系数，wo＝100л，wo为频率350Hz的角频率，wc3为350Hz频率的准比例谐振调节器截止频率。
8.根据权利要求1所述的功率因数校正控制方法，其特征在于：在步骤八中，对输出电压数据Udc取倒数，将输出电压数据Udc的倒数与输入电压绝对值相乘，计算得到输入电压前馈信号。
9.一种功率因数校正控制装置，其特征在于包括：整流桥、BOOST升压电路和控制器；其中，
输入电源与整流桥输入端连接，整流桥输出端与BOOST电路输入端连接，控制器与BOOST升压电路的控制端连接；
控制器从BOOST升压电路的输入端采样输入电压数据和输入电流，控制器从BOOST升压电路的输出端采样输出电压，通过数字信号处理输出PWM信号至BOOST升压电路并控制BOOST升压电路实现功率因数校正功能。
10.根据权利要求9所述的功率因数校正控制装置，其特征在于：所述整流桥包括：二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4；其中，
二极管D1的负极与二极管D2的负极相连接，二极管D1的正极与二极管D3的负极相连接，二极管D2的正极与二极管的D4负极相连接，二极管D4的正极与二极管D3的正极相连接；
二极管D1的负极和二极管D2的负极与输入电源一端相连接，二极管D3的正极和二极管D4的正极与输入电源另一端相连接。
11.根据权利要求9所述的功率因数校正控制装置，其特征在于：所述BOOST升压电路包括：电感L、二极管D5、电容C、开关管V和负载R；其中，
电感L一端与整流桥中二极管D1和二极管D2的负极相连，电感L另一端与开关管V集电极和二极管D5的负极相连接，二极管D5与电容C的正极和负载R的正极相连接，电容C的负极、负载R的负极和开关管V的发射极与二极管D3和二极管D4的正极相连接。
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