基于DSP控制的并联型功率因数校正技术研究

感性负载 THD λ
0 0.75 4.83% 0.999
容性负载 THD λ
0 0.75 4.13% 0.999
由仿真波形和表 1 可见，对于非线性负载，并 联 PFC 使 得 补 偿 后 的 功 率 因 数 有 很 大 提 高 ， 起 到 了 功 率 因 数 校 正 的 功 能 ， 电 源 电 流 为 正 弦 ，THD 很小，谐波含量大大降低。 对于线性负载，补偿后 功 率 因 数 接 近 于 1， 虽 然 THD 有 所 变 大 ， 但 在 能 接受的范围之内。
5 实验验证
基 于 DSP 控 制 ，采 用 直 接 电 流 控 制 策 略 ，设 计 了 1 kVA 的 并 联 PFC 样 机 。 图 6 示 出 实 验 结 果 。
流 侧 电 压 设 定 在 400 V，PWM 控 制 器 的 载 波 频 率 为 20 kHz。 整 流 性 负 载 由 带 感 容 滤 波 的 单 相 二 极 管全桥整流电路组成。 线性负载分别由感性负载 和容性负载组成，功率因数为 0.6。
这 里 详 细 分 析 了 并 联 PFC 的 工 作 原 理 ， 进 行
定 稿 日 期 ： 2010-10-09 作 者 简 介 ： 韩 春 阳 （1986- ）， 男 ， 安 徽 颍 上 人 ， 硕 士 ， 研 究 方 向为功率电子变换技术。
了 仿 真 研 究 ， 基 于 DSP 数 字 控 制 ， 研 制 了 一 台 实 验样机，进行了实验验证。
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图 5 定时器中断子程序流程图
定 时 器 T2 比 较 中 断 子 程 序 中 主 要 完 成 系 统 被控量的采样、过流保护、过压保护、电压外环的 计 算 、 电 流 内 环 的 计 算 及 PWM 信 号 的 产 生 。 在 DSP 中 ， 计 算 出 来 的 调 制 波 一 般 是 在 三 角 载 波 的
1引言
功 率 因 数 校 正[1]（PFC）和 有 源 滤 波 器 （APF）技 术[2]是 谐 波 抑 制 的 有 效 方 法 。 对 于 同 等 容 量 的 负 载 ， 并 联 型 APF 仅 处 理 部 分 功 率 ， 相 比 于 处 理 全 部 负 载 功 率 的 串 联 型 PFC 而 言 ， 其 容 量 更 小 。 传 统 并 联 型 APF， 其 研 究 热 点 相对集中于 谐 波 或 无 功电流的检测算法上[3]，该领域也 成 为 传 统 APF 控 制方式的重要研究内容。近年来，采用直接电流控 制 的 并 联 型 APF [4] 正 引 起 人 们 的 重 视 ， 因 为 其 具 有不需要检测和计算负载电流中的谐波以及无功 电流等一系列优点。 通过分析比较传统并联型 APF 和 采 用 直 接 电 流 控 制 方 式 的 APF， 可 给 定 不 同的指令电流， 对于谐波和无功可以有选择地补 偿， 也可全部补偿， 而对于采用直接电流控制的 APF， 需 要 补 偿 负 载 全 部 的 无 功 和 谐 波 电 流 。 所 以 ，采 用 直 接 电 流 控 制 的 APF 已 不 是 传 统 意 义 上 的 APF，应 该 称 之 为 并 联 PFC。
图 3a，b 为 系 统 带 整 流 性 负 载 时 的 各 信 号 波 形，即二极管整流桥电路接感容滤波器，带阻性负 载 ，电 感 为 1 mH，电 容 为 3 300 μH，电 阻 为 90 Ω， 有功约 1 kW。 由波形 可 见 ，补 偿 前 is=iL，电 源 电 流 THD=137%,功 率 因 数 λ=0.766，补 偿 后 电 源 电 流 与 电网电压同相位，λ 近于 1，图 3c,d 分别为补偿前后 电源电流的谐波（即 1～50 次）频谱图。
图 4 捕获中断子程序流程
图 3 非线性负载仿真波形及频谱图
分 别 对 系 统 带 感 性 负 载 时 （约 1 kVA，电 感 为 101.9 mH，电阻为 36.3 Ω）和容性负载时（约 1 kVA， 电容为 100 μF，电 阻 为 36.3 Ω） 进 行 了 仿 真 ， 仿 真 前 两 种 负 载 的 功 率 因 数 均 为 0.75，补 偿 后 ，电 源 电 流与电源电压同相位功率因数接近于 1。 表 1 示
3 仿真分析
单相并联型 PFC 的功率电路结构如图 2 所示。
出上述仿真数据的 1 个总结， 包括不同负载下补 偿 前 后 电 源 电 流 THD 以 及 功 率 因 数 的 变 化 。
表 1 不 同 负 载 下 补 偿 前 后 的 λ 及 THD
负载
补偿前 补偿后
非线性负载 THD λ 1.37 0.766 3.8% 0.999
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第 45 卷第 3 期 2011 年 3 月
电力电子技术 Power Electronics
Vol.45， No.3 March 2011
图 1b 中 ，由 SIN 单 元 可 获 得 与 电 源 电 压 同 频 同相的单位正弦波。外环是直流电压环，目的是使 逆 变 器 的 直 流 侧 电 压 保 持 稳 定 ， 其 输 出 乘 以 SIN 单元的输出便得到内环的电流给定。 内环控制电 源电流跟踪电流给定，从而使电源电流为正弦，且 与电网电压同相位。
（Nanjing University of Aeronautics & Astronautics ， Nanjing 210016， China） Abstract：In the conventional shunt active power filters ，the load current is detected.Then ，the harmonic component and the reactive component of the load current need to be calculated and the complex algorithm that will lead to control delay.The shunt PFC used direct current control method does not require a complex algorithm.On the basis of the conventionnal APF double loop ，the control will be easy to realize.The shunt PFC based on direct current control is introduced，and simulation is done to test it.Based on the DSP ，a prototype for experiment has been setup.The results of the simulation and experiment both show that shunt PFC has a good performance on correction and efficiency. Keywords：shunt active power filter ； direct current control； power factor correction
摘 要 ： 传 统 的 并 联 型 有 源 滤 波 器 （APF） 需 要 检 测 负 载 电 流 ， 同 时 计 算 出 其 中 的 谐 波 及 无 功 分 量 。 该 算 法 较 复 杂 ，
计 算 延 时 大 ， 易 导 致 控 制 的 实 时 性 变 差 。 采 用 直 接 电 流 控 制 的 并 联 型 功 率 因 数 校 正 （PFC）， 则 不 需 要 复 杂 的 算
4 单相并联 PFC 的软件程序设计
图 2 功率电路结构图
运 用 Matlab 下 的 动 态 仿 真 工 具 Simulink 搭 建 了单相并联型 PFC 系统的仿真模型，仿真电路的电 源电压为 220 V/50 Hz，直流侧电压控制为 400 V，逆 变器交流侧电感 L=1 mH，直流电容为 1 650 μF。
法 ， 它 保 留 了 传 统 APF 双 环 控 制 的 优 点 上 ， 同 时 使 控 制 变 得 简 单 。 此 处 在 分 析 并 联 型 PFC 原 理 的 基 础 上 ， 进 行
了 仿 真 ， 基 于 DSP 控 制 ， 开 发 了 一 台 实 验 样 机 ， 仿 真 与 实 验 结 果 均 证 明 了 该 方 法 的 正 确 性 和 有 效 性 。
第 45 卷第 3 期 2011 年 3 月
电力电子技术 Power Electronics
Vol.45， No.3 March 2011
基于 DSP 控制的并联型功率因数校正技术研究
韩春阳， 毛 玲， 谢少军 （南 京 航 空 航 天 大 学 ，自 动 化 学 院 ， 江 苏 南 京 210016）
基 于 DSP 控 制 的 并 联 型 功 率 因 数 校 正 技 术 研 究
峰 值 或 谷 值 时 刻 被 赋 值 给 比 较 寄 存 器 CMPR， 因 此调制波应在三角波峰值或谷值时刻之前被计算 出来， 这要求定时器比较寄存器的值要小于定时 器 T2 的 周 期 值 ，这 个 缩 小 的 量 与 定 时 器 T2 比 较 中 断子程序的长短和指令周期有关。
2 并联型 PFC 工作原理
图 1 示 出 并 联 型 PFC 原 理 框 图 及 采 用 直 接 电 流 控 制 策 略 并 联 PFC 的 结 构 图 。
图 1 并 联 PFC 原 理 框 图 及 控 制 图
图 1a 中 ，谐 波 源 负 载 电 流 iL 中 除 了 含 有 基 波 有 功 分 量 iLp 外 ， 还 含 有 谐 波 分 量 iLh， 以 及 无 功 分 量 iLq。 当 ic=iLh+iLq 时 ，电 源 电 流 is 将 等 于 负 载 电 流 中 的 iLp， 对 于 采 用 直 接 电 流 控 制 策 略 的 并 联 PFC 电 路 ， 使 得 is=iLp， 则 ic 自 然 就 等 于 负 载 电 流 中 的 谐波和无功电流之和，因此，整个系统就实现了单 位功率因数运行。 上述原理可用以下公式描述： iL=is+ic，iL=iLp+iLq+iLh，令 is=iLp，则 ic=iLh+iLq。