CN113489305B - 基于pfc谐波抑制的非线性变载频系统、方法及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于PFC谐波抑制的非线性变载频系统，包括电性连接的PFC控制器模块和标定设备模块，所述PFC控制器模块包括MCU和Boost PFC拓扑电路，所述MCU通过Boost PFC拓扑电路电性连接至标定设备模块，所述MCU还电性连接至标定设备模块的中心逻辑控制单元。本发明能够通过离线标定的方法，在不同功率、不同输入电压、且能够满足国家电网谐波要求的前提下，确定出载频变化的最优范围，且可以直接应用，无需混合模式的特殊硬件电路，也无需混合模式时复杂的平均电流计算方法，以及电流谐波的计算的繁琐过程。
Description
技术领域
本发明于电力电子技术领域，特别涉及一种基于PFC谐波抑制的非线性变载频系统、方法及存储介质。
背景技术
为了防止国家电网被污染，任何功率用电设备都需要一个功率因数校正电路（PFC）。工业产品中应用最多的电路是Boost PFC拓扑，系统工作在电流连续模式。而该单相PFC始终存在这样一个问题，低功率时由于系统由连续模式进入断续模式同时系统仍使用连续模式的控制算法，导致的电流总谐波含量很高，功率因数很低。现有技术方案大多针对低功率时采取断续模式的控制算法，增加额外的硬件电路，计算断续模式下每个周期的平均电流，进而进行算法控制。还有一种方案是通过软件判断当前电流谐波因子，如果谐波因子较高，则提升PFC载频，降低电流谐波因子。
目前针对低功率时的断续模式，主要的技术方法为增加额外的硬件电路和软件算法，缺点是增加了系统的硬件成本，和软件开销。另一种方法是通过软件的谐波因子决定是否进入变载频模式，通过提升PFC的载频，使系统由断续模式恢复到连续模式，进而达到降低电流谐波的目的。
当PFC系统处于小功率时，系统进入连续模式和断续模式同时存在与一个电流周期的情况，这种情况称作为混合模式。混合模式的特点是电流在过零点附近是断续模式，这种模式的存在导致电流畸变严重，谐波含量很高。
当一个PFC系统的电感值和功率范围固定后，影响系统唯一条件就是载频。因此，当系统处于混合模式时，通过提升载频，使系统脱离混合模式，恢复到连续模式，进而降低电流谐波。
例如在专利公开号CN112019006A的专利中公开了一种PFC电路的谐波补偿方法、装置及终端设备，包括：获取目标PFC电路的当前负载率；基于负载率与载波频率的对应关系，确定所述目标PFC电路在当前负载率下的目标载波频率；根据所述目标载波频率调整目标载波；将调整后的目标载波与所述目标PFC电路的目标调制信号叠加，得到PWM控制信号；并根据所述PWM控制信号控制所述PFC电路，以补偿所述目标PFC电路的电流谐波。本发明提供的PFC电路的谐波补偿方法调整目标载波的频率从而调整PWM控制信号的开关频率，能够在控制计算量的前提下控制电路的谐波分量，减小芯片的资源开销，保证控制的稳定性。
但在上述专利中，由于载频的提升，且为固定载频系统发热将变得十分严重，需要特殊考虑系统的散热性能，对谐波因子的提取，以及载频变化范围的确定方法，通过软件提取电流谐波来判断当前载频变化范围是否合适，都需要需要较大的软件开销。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于PFC谐波抑制的非线性变载频系统、方法及存储介质，能够通过离线标定的方法，在不同功率、不同输入电压、且能够满足国家电网谐波要求的前提下，确定出载频变化的最优范围，且可以直接应用，无需混合模式的特殊硬件电路，也无需混合模式时复杂的平均电流计算方法，以及电流谐波的计算的繁琐过程。
本发明的技术方案如下所示：
一种基于PFC谐波抑制的非线性变载频系统，包括电性连接的PFC控制器模块和标定设备模块，所述PFC控制器模块包括MCU和Boost PFC拓扑电路，所述MCU通过Boost PFC拓扑电路电性连接至标定设备模块，所述MCU还电性连接至标定设备模块的中心逻辑控制单元。
优选的，所述MCU中设置有依次电性连接的通讯模块、非线性变频控制模块、PWM生成器，所述通讯模块还电性连接至中心逻辑控制单元，所述PWM生成器还电性连接至BoostPFC拓扑电路。
优选的，所述标定设备模块包括负载、电源、功率计，所述电源通过电源控制电路连接至中心逻辑控制单元，所述功率计连接在Boost PFC拓扑电路与电源之间，并电性连接至中心逻辑控制单元，所述负载通过负载控制电路电性连接至中心逻辑控制单元。
优选的，所述中心逻辑控制单元与功率计之间还电性连接有有谐波控制环路。
本发明提供了一种基于PFC谐波抑制的非线性变载频方法，包括以下步骤：
S1：确定输入电压的范围，并通过标定设备模块确定输入的每个固定间隔电压下混合模式的边界功率；
S2：进行标定过程，在最小功率和边界功率间等间隔变化功率，判断谐波是否满足预设要求，记录当前的频率波动范围；
S3：当功率达到边界功率时，判断输入电压是否小于等于最大输入电压，是则重复步骤S2，否则进入步骤S4；
S4：输出以输入电压和输出功率为坐标的二维表格作为标定结果，并将该结果传输至PFC控制器模块；
S5：PFC控制器模块利用二维表格结合实时输入电压和输出功率，索引出非线性变频的变频范围以控制PFC载频。
优选的，所述二维表格以串口通讯的形式写入被标定的PFC控制器中。
优选的，所述步骤步骤S2的标定过程中与步骤S6的载频控制过程中均使用非线性变频算法进行控制。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述基于PFC谐波抑制的非线性变载频方法的步骤。
本发明的有益效果为：
1、本发明提供的非线性变频标定设备为离线标定设备，对于PFC控制器不需要额外的硬件电路，不需要复杂的平均电流计算算法和电流谐波计算算法，减少了控制器成本，节约了软件开销。
2、本发明引入非线性变频，最大限度上降低了系统损耗、降低系统发热，最大程度上减小PFC控制器的电感，能够节约PFC控制器成本。
3、非线性变频标定设备为通用型标定设备，任何PFC控制器均可通过该设备进行标定。
附图说明
图1为非线性变载频系统的结构框图。
图2为非线性变载频方法的流程图。
图3为本发明实施例中非线性变频算法的频率变化曲线。
具体实施方式
下面将结合说明书附图对本发明的实施例进行详细说明。
如图1所示，一种基于PFC谐波抑制的非线性变载频系统，包括PFC控制器模块和标定设备模块，PFC控制器模块中包括用于控制的MCU和Boost PFC拓扑电路，MCU通过BoostPFC拓扑电路电性连接至标定设备模块，其中MCU还单独引线电性连接至标定设备模块的中心逻辑控制单元。
其中，MCU中设置有依次电性连接的通讯模块、非线性变频控制模块、PWM生成器，通讯模块电性连接至中心逻辑控制单元，PWM生成器还电性连接至Boost PFC拓扑电路。
其中，标定设备模块包括负载、电源、功率计，电源为交流电源，并通过电源控制电路电性连接至中心逻辑控制单元，功率计连接在Boost PFC拓扑电路与电源之间，并电性连接至中心逻辑控制单元，所述负载通过负载控制电路电性连接至中心逻辑控制单元，中心逻辑控制单元与功率计之间还电性连接有有谐波控制环路。
如图2所示，本发明实施例还提供了一种基于PFC谐波抑制的非线性变载频方法，包括以下步骤：
1、确定输入电压范围，通过非线性变频标定设备确定每个输入电压下混合模式的边界功率。
2、在最小功率-边界功率、最小输入电压-最大输入电压，两个维度下进行标定过。
3、确定输入电压，在最小功率和边界功率间等间隔变化功率，每变化一个功率时，通过非线性变频控制算法进行控制，判断如果谐波满足要求，记录当前的频率波动范围。
4、随后增加一个功率，重复上述步骤，直至达到边界功率。
5、随后增加输入电压，重复上述步骤1-4，直至输入电压达到最大输入电压。
6、经过上述的标定过程，可获得一张以输入电压和输出功率为坐标的二维表格，此时将此表格通过串口通讯写入被标定的PFC控制器中，标定过程结束。
7、PFC控制器在应用此表格时，通过当前输入电压和输出功率，索引出非线性变频的变频范围，并结合非线性变频算法，控制PFC载频，以达到本发明实施例提供的系统中低谐波、高功率因数、低损耗、低温升的技术效果。
作为本发明的一种实施方式，标定确定载频变化范围的具体的步骤如下所示：
1、确定PFC控制器中的最小输入电压Uin_min，最大输入电压Uin_min，最小功率P_min，边界功率P_max，最大总谐波失真值THD_max。本实施例中，
Uin_min=154V，Uin_max=286V。P_min=200W，P_max=2000W，THD_max=10%。
2、进行标定过程，将最小输入电压Uin_min赋给输入电压Uin，将最小功率P_min赋给功率P。
3、给标定设备发送电压命令和功率命令，判断实时总谐波失真值THD是否小于最大总谐波失真值THD_max，是则进入步骤4，否则由MCU控制警报模块发出警告。
4、记录f_delta（即图3所示的PWM频率随时间的变化范围）、功率P、输入电压Uin的实时对应值。
5、令P=P+P_interval，其中P_interval为功率由P_min到P_max的变化间隔，本实施例中具体取值为200W，判断功率P是否小于等于边界功率P_max，是则返回步骤3，否则令功率P=P_min，输入电压Uin=Uin+Uin_interval，其中Uin_interval指输入电压由Uin_min到Uin_max的变化间隔，本实施例中具体取值为22V。
6、判断输入电压Uin是否小于等于最大输入电压Uin_min，返回步骤3，否则将记录的f_delta，功率P、输入电压Uin的实时对应值发送至PFC控制器。
本实施例中，非线性变频控制算法中具体控制过程为，利用PWM的开关频率随时间进行非线性变化，其频率变化曲线如图3所示，f_PWM为PWM的开关频率。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，其中计算机程序被处理器执行时实现基于PFC谐波抑制的非线性变载频方法的步骤。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种基于PFC谐波抑制的非线性变载频系统，其特征在于，包括电性连接的PFC控制器模块和标定设备模块，所述PFC控制器模块包括MCU和Boost PFC拓扑电路，所述MCU通过Boost PFC拓扑电路电性连接至标定设备模块，所述MCU还电性连接至标定设备模块的中心逻辑控制单元，所述标定设备模块包括负载、电源、功率计；所述电源通过电源控制电路连接至中心逻辑控制单元，所述功率计连接在Boost PFC拓扑电路与电源之间，并电性连接至中心逻辑控制单元，所述负载通过负载控制电路电性连接至中心逻辑控制单元；所述中心逻辑控制单元与功率计之间还电性连接有谐波控制环路。
2.根据权利要求1所述的基于PFC谐波抑制的非线性变载频系统，其特征在于， 所述MCU中设置有依次电性连接的通讯模块、非线性变频控制模块、PWM生成器，所述通讯模块还电性连接至中心逻辑控制单元，所述PWM生成器还电性连接至Boost PFC拓扑电路。
3.一种基于PFC谐波抑制的非线性变载频方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：确定输入电压的范围，并通过标定设备模块确定输入的每个固定间隔电压下混合模式的边界功率；
S2：进行标定过程，在最小功率和边界功率间等间隔变化功率，判断谐波是否满足预设要求，记录当前的频率波动范围；其中，标定过程还包括：在最小功率-边界功率、最小输入电压-最大输入电压，两个维度下进行标定；
判断谐波是否满足预设要求，记录当前的频率波动范围还包括：确定输入电压，在最小功率和边界功率间等间隔变化功率，每变化一个功率时，通过非线性变频控制算法进行控制，判断如果谐波满足要求，记录当前的频率波动范围；
S3：当功率达到边界功率时，判断输入电压是否小于等于最大输入电压，是则重复步骤S2，否则进入步骤S4；
其中，S3还包括：
S3-1：随后增加一个功率，重复上述步骤，直至达到边界功率；
随后增加输入电压，重复上述步骤S1-S3-1，直至输入电压达到最大输入电压；
S4：输出以输入电压和输出功率为坐标的二维表格作为标定结果，并将该结果传输至PFC控制器模块；
S5：PFC控制器模块利用二维表格结合实时输入电压和输出功率，通过当前输入电压和输出功率，索引出非线性变频的变频范围并结合非线性变频算法，以控制PFC载频。
4.根据权利要求3所述的基于PFC谐波抑制的非线性变载频方法，其特征在于，所述二维表格以串口通讯的形式写入被标定的PFC控制器中。
5.根据权利要求3所述的基于PFC谐波抑制的非线性变载频方法，其特征在于，所述步骤S2的标定过程中与步骤S5的载频控制过程中均使用非线性变频算法进行控制。
6.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求3至5任一项所述方法的步骤。
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