CN115347777B - 一种基于重复控制技术的单相高频pfc控制方法及系统 - Google Patents

一种基于重复控制技术的单相高频pfc控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于重复控制技术的单相高频PFC控制方法及系统，包括以下步骤：获取当前PFC电路的直流母线电压、输入电压以及输入整流电流；将输入电压输入一重复控制观测器，通过重复控制观测器得到一观测电压；根据指令电压和直流母线电压，并通过PFC电路中的电压PI控制器，得到一指令电流；根据指令电流、输入整流电流以及观测电压，并通过PFC电路中的电流PI控制器，得到一指令电压；调整直流母线电压至指令电压，完成对PFC电路的控制。本发明用于解决现有技术为了保持较好的电流输出波形导致硬件成本增加的技术问题，从而达到无需增加硬件成本，即可在含有大量谐波的电压下仍能保持较好的电流输出波形的目的。

Description

一种基于重复控制技术的单相高频PFC控制方法及系统
技术领域
本发明涉及变频空调技术领域，具体涉及一种基于重复控制技术的单相高频PFC控制方法及系统。
背景技术
PFC的英文全称为“Power Factor Correction”，意思是“功率因数校正”，功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。基本上功率因数可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因数值越大，代表其电力利用率越高。功率因数是用来衡量用电设备用电效率的参数，低功率因数代表低电力效能。用于提高用电设备功率因数的技术就称为功率因数校正。
目前，变频空调大部分均使用了一种主动式PFC控制技术，主动式PFC控制技术的基本运作原理是调整输入电流波型使其与输入电压波形尽可能相似，从而功率因素校正值可达近乎100％。在变频空调中采用主动式PFC控制技术可减小电网的谐波干扰以及降低整流器件的过流倍数。进一步地，主动式PFC控制技术还可以提高整流后的直流母线电压，从而有利于提高变频调速的范围。
PFC控制技术通过控制IGBT的通断来控制输入电流，使输入电流接近输入电压的正弦波形，从而达到功率因数为1的目的。现有技术中为了降低成本，行业内大部分通过使用高频电感替代电抗器，使得电感尺寸大大减小，并省去了电抗器连接线安装在PCB上，从而方便了生产。
但是，利用高频电感替代电抗器后，电感感量也发生了相应的降低，由过去的几个mH降低到几百uH，从而导致抗击电源的电压谐波能力也发生相应的下降，电流波形变差，谐波含量增加，尤其在电源质量较差的环境下容易发生过流保护。
为了解决上述技术问题，目前行业内通常采用的技术手段是在硬件上增加滤波器电容容量，使用抗饱和能力较强的磁芯，上述技术手段虽然能改善电流波形，但是明显导致硬件成本增加。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于重复控制技术的单相高频PFC控制方法及系统，用于解决现有技术为了保持较好的电流输出波形导致硬件成本增加的技术问题，从而达到无需增加硬件成本，即可在含有大量谐波的电压下仍能保持较好的电流输出波形的目的。
为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于重复控制技术的单相高频PFC控制方法，包括以下步骤：
获取当前PFC电路的直流母线电压、输入电压以及输入整流电流；
将所述输入电压输入一重复控制观测器，通过所述重复控制观测器得到一观测电压；
根据所述指令电压和所述直流母线电压，并通过所述PFC电路中的电压PI控制器，得到一指令电流；
根据所述指令电流、所述输入整流电流以及所述观测电压，并通过所述PFC电路中的电流PI控制器，得到一指令电压；
调整所述直流母线电压至所述指令电压，完成对所述PFC电路的控制。
作为本发明优选的实施方式，在通过所述重复控制观测器得到一观测电压时，包括：
通过滤波器Q(z)和补偿器C(z)获得一闭环传递函数；
其中，所述滤波器为常数kq，所述常数kq介于0～1之间，所述补偿器具体如公式1所示：
其中，zN为延迟环节。
作为本发明优选的实施方式，所述闭环传递函数具体如公式2所示：
其中，G(Z)为观测器闭环传递函数，Z-N和Z-N+1均为延迟环节。
作为本发明优选的实施方式，在第n时刻通过所述闭环传递函数获得观测电压，具体如公式3所示：
v'in[n+1]＝v'in[n+1-N]+(1-kq)(vin[n+1-N]-v'in[n+1-N])+vin[n]-vin[n-N] (3)；
其中，v'in[n+1]为预测下一个采样时刻的观测电压值，v'in[n+1-N]为n+1-N时刻的观测电压值，vin[n+1-N]为n+1-N时刻的实际采样值，vin[n]为当前时刻的采样值，vin[n-N]为n-N时刻的采样值。
作为本发明优选的实施方式，在通过所述PFC电路中的电压PI控制器，得到一指令电流时，包括：
对所述指令电压和所述直流母线电压进行差值计算得到第一差值，并将所述第一差值通过所述电压PI控制器进行电压环比例积分控制，得到所述指令电流。
作为本发明优选的实施方式，所述电压PI控制器进行电压环比例积分控制具体如公式4所示：
其中，为指令电流，Kpv为电压环比例系数，Kiv为电压环积分系数，vdc为直流母线电压，/>为指令电压。
作为本发明优选的实施方式，在通过所述PFC电路中的电流PI控制器，得到一指令电压时，包括：
对所述指令电流和所述输入整流电流进行差值计算得到第二差值，并将所述第二差值通过所述电流PI控制器进行电流环比例积分控制，得到所述指令电压。
作为本发明优选的实施方式，所述电流PI控制器进行电流环比例积分控制具体如公式5所示：
其中，为指令电压，Kic为电流环积分系数，Kpc为电流环比例系数，iin输入整流电流，v′in为观测电压，/>为指令电流。
作为本发明优选的实施方式，在调整所述直流母线电压至所述指令电压时，包括：
根据所述指令电压与直流母线电压确定在一个载波周期内，所述PFC电路中的IGBT的导通时间，并根据所述导通时间调整所述直流母线电压至所述指令电压，具体如公式6和公式7所示：
vin＝vo+sLsiin (6)；
vo＝(1-D)vdc (7)；
其中，vo为IGBT上的平均电压，vin为输入电压，vdc为直流母线电压，iin为输入整流电流，即电感电流，Ls为电感的感量，D为IGBT的占空比。
一种基于重复控制技术的单相高频PFC控制系统，包括：
获取单元：用于获取当前PFC电路的直流母线电压、输入电压以及输入整流电流；
重复控制单元：用于将所述输入电压输入一重复控制观测器，通过所述重复控制观测器得到一观测电压；
指令电流获取单元：用于根据所述指令电压和所述直流母线电压，并通过所述PFC电路中的电压PI控制器，得到一指令电流；
指令电压获取单元：用于根据所述指令电流、所述输入整流电流以及所述观测电压，并通过所述PFC电路中的电流PI控制器，得到一指令电压；
调整单元：用于调整所述直流母线电压至所述指令电压，完成对所述PFC电路的控制。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
(1)采用本发明的控制方法，在电网电压存在高次谐波的情况下仍能继续输出正弦波电流且满足THD(失真度)<5％；
(2)本发明可在不增加载波频率的情况下减小电感感量，从而减小电感尺寸和重量，有效地降低了成本；
(3)本发明设计了一种针对扰动信号的重复控制观测器，不需要改变已有的控制结构，即可实现数字化，从而消除电压检测延时的影响。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1-是本发明实施例的单相数字PFC电路的拓扑结构图；
图2-是本发明实施例的重复控制观测器的控制框图；
图3-是本发明实施例的电流环控制框图；
图4-是本发明实施例的基于重复控制技术的单相高频PFC控制方法步骤图。
附图标号说明：1、整流器；2、电感；3、绝缘栅双极型晶体管；4、二极管；5、电解电容。
具体实施方式
本发明所提供的基于重复控制技术的单相高频PFC控制方法，如图4所示，包括以下步骤：
步骤S1：获取当前PFC电路的直流母线电压、输入电压以及输入整流电流；
步骤S2：将输入电压输入一重复控制观测器，通过重复控制观测器得到一观测电压；
步骤S3：根据指令电压和直流母线电压，并通过PFC电路中的电压PI控制器，得到一指令电流；
步骤S4：根据指令电流、输入整流电流以及观测电压，并通过PFC电路中的电流PI控制器，得到一指令电压；
步骤S5：调整直流母线电压至指令电压，完成对PFC电路的控制。
单相数字PFC电路被广泛用于变频空调的谐波抑制，其拓扑结构具体如图1所示。单相数字PFC电路包括：整流器1(REC)、电感2(Ls)、绝缘栅双极型晶体管3(IGBT)、二极管4(FRD)、电解电容5(C)。整流器1用于把交流输入电压整流成直流电压，电感2用于存储和提供无功电流，当IGBT导通时，输入电压给电感2充电，当IGBT关断时，输入电压叠加电感电压通过二极管4向电解电容5充电以及给负载进行供电。电感电流即输入整流电流，当功率因数达到1时，意味着输入电流与输入电压在形状、相位上一致，即输入阻抗为电阻特性。PFC电路的主要任务就是使输入阻抗接近电阻特性，即电流波形跟随输入电压波形且相位差为0。
除了图1所示的PFC拓扑结构，其它PFC拓扑结构的使用本发明所提供的方法均在本发明的保护范围之内。
在上述步骤S2中，在通过重复控制观测器得到一观测电压时，包括：
如图2所示，通过滤波器Q(z)和补偿器C(z)获得一闭环传递函数；
其中，滤波器为常数kq，常数kq介于0～1之间，补偿器具体如公式1所示：
其中，zN为延迟环节。
进一步地，补偿器C(z)为FIR数字滤波器。
补偿器C(z)对系统稳定性起着决定性作用，传统重复控制观测器中补偿器C(z)通常采用二阶低通滤波器，但是二阶低通滤波器存在着通带增益损失大、阻带衰减率低以及容易引起附加相移等的缺陷，因此不得不在重复控制观测器中引人陷波器和相位补偿环节，从而导致设计问题复杂化。为了简化设计过程，本发明将FIR数字滤波器引入到重复控制观测器的设计之中。由数字信号理论可知，FIR低通滤波器具有低频段零增益、频率选择性好、谐振峰处及高频段衰减率高等优点，从而能有效满足重复控制观测器对性能的要求。
除上述公式1的补偿器C(z)外，基于扰动信号构建的重复控制观测器采用的其它任何形式补偿器均在本发明的保护范围之内。
进一步地，闭环传递函数具体如公式2所示：
其中，G(Z)为观测器闭环传递函数，Z-N和Z-N+1均为延迟环节。
在获取当前PFC电路的直流母线电压、输入电压以及输入整流电流的过程中，且当市电电压不稳定时，直接使用检测的电压会使PFC电流严重失真甚至产生振荡，从而容易引起过流保护，使得PFC电路可靠性差。
本发明通过设计一种针对扰动信号的重复控制观测器，通过上述重复控制观测器得到的观测电压v′in，利用观测电压v′in替代直接检测到的输入电压vin，从而消除电压检测延时的影响。
本发明直接把扰动信号d即输入电压vin通过重复控制观测器得到观测电压v′in，其控制框图具体如图2所示。本发明设计的重复控制观测器相较于传统的重复控制观测器，无需改变已有的PFC电路控制结构，即可实现数字化。
重复控制是一种内模控制，具有跟踪周期信号和抑制周期干扰的特性，其本质是将外部信号植入控制系统内部构成高精度的反馈控制系统，使系统能够无静差地跟踪输入指令。
进一步地，在第n时刻通过闭环传递函数获得观测电压，具体如公式3所示：
v'in[n+1]＝v'in[n+1-N]+(1-kq)(vin[n+1-N]-v'in[n+1-N])+vin[n]-vin[n-N] (3)；
其中，v'in[n+1]为预测下一个采样时刻的观测电压值，v'in[n+1-N]为n+1-N时刻的观测电压值，vin[n+1-N]为n+1-N时刻的实际采样值，vin[n]为当前时刻的采样值，vin[n-N]为n-N时刻的采样值。
在上述步骤S3中，在通过PFC电路中的电压PI控制器，得到一指令电流时，包括：
对指令电压和直流母线电压进行差值计算得到第一差值，并将第一差值通过电压PI控制器进行电压环比例积分控制，得到指令电流。
进一步地，电压PI控制器进行电压环比例积分控制，具体如公式4所示：
其中，为指令电流，Kpv为电压环比例系数，Kiv为电压环积分系数，vdc为直流母线电压，/>为指令电压。
在上述步骤S4中，在通过PFC电路中的电流PI控制器，得到一指令电压时，包括：
对指令电流和输入整流电流进行差值计算得到第二差值，并将第二差值通过电流PI控制器进行电流环比例积分控制，得到指令电压。
进一步地，电流PI控制器进行电流环比例积分控制，具体如公式5所示：
其中，为指令电压，Kic为电流环积分系数，Kpc为电流环比例系数，iin输入整流电流，v′in为观测电压，/>为指令电流。
本发明为了提高稳定性，采用了电压PI控制器和电流PI控制器进行双闭环控制，电压环控制直流母线电压值，输出指令电流给电流环。电流环控制输入电流的波形及大小，输出指令电压，电流环控制框图具体如图3所示。
在双闭环控制中，电压外环的主要目的是控制电压发生器的交流电压至给定值；电流内环的主要目的是按电压外环的输出电流指令进行电流控制，内环电流PI控制器对电流进行快速跟踪，从而实现无静差控制。
在上述步骤S5中，在调整直流母线电压至指令电压时，包括：
根据指令电压与直流母线电压确定在一个载波周期内，PFC电路中的IGBT的导通时间，并根据导通时间调整直流母线电压至指令电压，具体如公式6和公式7所示：
vin＝vo+sLsiin (6)；
vo＝(1-D)vdc (7)；
其中，vo为IGBT上的平均电压，vin为输入电压，vdc为直流母线电压，iin为输入整流电流，即电感电流，Ls为电感的感量，D为IGBT的占空比。
本发明所提供的基于重复控制技术的单相高频PFC控制系统，包括：
获取单元：用于获取当前PFC电路的直流母线电压、输入电压以及输入整流电流；
重复控制单元：用于将输入电压输入一重复控制观测器，通过重复控制观测器得到一观测电压；
指令电流获取单元：用于根据指令电压和直流母线电压，并通过PFC电路中的电压PI控制器，得到一指令电流；
指令电压获取单元：用于根据指令电流、输入整流电流以及观测电压，并通过PFC电路中的电流PI控制器，得到一指令电压；
调整单元：用于调整直流母线电压至指令电压，完成对PFC电路的控制。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
(1)采用本发明的控制方法，在电网电压存在高次谐波的情况下仍能继续输出正弦波电流且满足THD(失真度)<5％；
(2)本发明可在不增加载波频率的情况下减小电感感量，从而减小电感尺寸和重量，有效地降低了成本；
(3)本发明设计了一种针对扰动信号的重复控制观测器，不需要改变已有的控制结构，即可实现数字化，从而消除电压检测延时的影响。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种基于重复控制技术的单相高频PFC控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取当前PFC电路的直流母线电压、输入电压以及输入整流电流；
将所述输入电压输入一重复控制观测器，通过所述重复控制观测器得到一观测电压；
根据直流母线电压指令值和所述直流母线电压，并通过所述PFC电路中的电压PI控制器，得到一指令电流；
根据所述指令电流、所述输入整流电流以及所述观测电压，并通过所述PFC电路中的电流PI控制器，得到一指令电压；
根据所述指令电压，调整所述直流母线电压至所述直流母线电压指令值，完成对所述PFC电路的控制；
其中，在通过所述PFC电路中的电压PI控制器，得到一指令电流时，包括：
对所述指令电压和所述直流母线电压进行差值计算得到第一差值，并将所述第一差值通过所述电压PI控制器进行电压环比例积分控制，得到所述指令电流；
在通过所述PFC电路中的电流PI控制器，得到一指令电压时，包括：
对所述指令电流和所述输入整流电流进行差值计算得到第二差值，并将所述第二差值通过所述电流PI控制器进行电流环比例积分控制，并加上所述观测电压，得到所述指令电压。
2.根据权利要求1所述的基于重复控制技术的单相高频PFC控制方法，其特征在于，在通过所述重复控制观测器得到一观测电压时，包括：
通过滤波器Q(z)和补偿器C(z)获得一闭环传递函数；
其中，所述滤波器为常数kq，所述补偿器具体如公式1所示：
其中，zN为延迟环节。
3.根据权利要求2所述的基于重复控制技术的单相高频PFC控制方法，其特征在于，所述闭环传递函数具体如公式2所示：
其中，G(Z)为观测器闭环传递函数，Z-N和Z-N+1均为延迟环节。
4.根据权利要求3所述的基于重复控制技术的单相高频PFC控制方法，其特征在于，在第n时刻通过所述闭环传递函数获得观测电压，具体如公式3所示：
v′in[n+1]＝v′in[n+1-N]+(1-kq)(vin[n+1-N]-v′in[n+1-N])+vin[n]-vin[n-N] (3)；
其中，v′in[n+1]为预测下一个采样时刻的观测电压值，v′in[n+1-N]为n+1-N时刻的观测电压值，Vin[n+1-N]为n+1-N时刻的实际采样值，vin[n]为当前时刻的采样值，vin[n-N]为n-N时刻的采样值。
5.根据权利要求1所述的基于重复控制技术的单相高频PFC控制方法，其特征在于，所述电压PI控制器进行电压环比例积分控制，具体如公式4所示：
其中，为指令电流，Kpv为电压环比例系数，Kiv为电压环积分系数，vdc为直流母线电压，/>为直流母线电压指令值。
6.根据权利要求1所述的基于重复控制技术的单相高频PFC控制方法，其特征在于，所述电流PI控制器进行电流环比例积分控制，具体如公式5所示：
其中，为指令电压，Kic为电流环积分系数，Kpc为电流环比例系数，iin输入整流电流，v′in为观测电压，/>为指令电流。
7.根据权利要求1所述的基于重复控制技术的单相高频PFC控制方法，其特征在于，在调整所述直流母线电压至所述直流母线电压指令值时，包括：
根据所述指令电压与直流母线电压确定在一个载波周期内，所述PFC电路中的IGBT的导通时间，并根据所述导通时间调整所述直流母线电压至所述直流母线电压指令值，具体如公式6和公式7所示：
vin＝vo+sLsiin (6)；
vo＝(1-D)vdc (7)；
其中，vo为IGBT上的平均电压，vin为输入电压，vdc为直流母线电压，iin为输入整流电流，即电感电流，Ls为电感的感量，D为IGBT的占空比。
8.一种基于重复控制技术的单相高频PFC控制系统，其特征在于，包括：
获取单元：用于获取当前PFC电路的直流母线电压、输入电压以及输入整流电流；
重复控制单元：用于将所述输入电压输入一重复控制观测器，通过所述重复控制观测器得到一观测电压；
指令电流获取单元：用于根据直流母线电压指令值和所述直流母线电压，并通过所述PFC电路中的电压PI控制器，得到一指令电流；
指令电压获取单元：用于根据所述指令电流、所述输入整流电流以及所述观测电压，并通过所述PFC电路中的电流PI控制器，得到一指令电压；
调整单元：用于调整所述直流母线电压至所述直流母线电压指令值，完成对所述PFC电路的控制；
其中，在通过所述PFC电路中的电压PI控制器，得到一指令电流时，包括：
对所述指令电压和所述直流母线电压进行差值计算得到第一差值，并将所述第一差值通过所述电压PI控制器进行电压环比例积分控制，得到所述指令电流；
在通过所述PFC电路中的电流PI控制器，得到一指令电压时，包括：
对所述指令电流和所述输入整流电流进行差值计算得到第二差值，并将所述第二差值通过所述电流PI控制器进行电流环比例积分控制，并加上所述观测电压，得到所述指令电压。
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