单相有源功率校正电路

实验五：单相有源功率校正电路

（一）实验目的

1.掌握单相有源功率校正电路的工作原理，要求输出电压达到给定值，且网侧电流正弦化，功率因数为1；

2.掌握电压外环和电流内环的设计方法。

（二）实验原理

有源功率因数校正(Active Power Factor Correction APFC)电路，是指在传统的不控整流中融入有源器件，使得交流侧电流在一定程度上正弦化，从而减小装置的非线性、改善功率因数的一种高频整流电路。

基本的单相APFC电路在单相桥式不可控整流器和负载电阻之间增加一个DC-DC功率变换电路，通常采用Boost电路。通过适当的控制Boost电路中开关管的通断，将整流器的输入电流校正成为与电网电压同相位的正弦波，消除谐波和无功电流，将电网功率因数提高到近似为1。其电路原理图如图1所示。

假定开关频率足够高，保证电感L的电流连续;输出电容C足够大，输出电压u o可认为是恒定直流电压。电网电压u i为理想正弦，即u i=U m sinωt，则不可控整流桥的输出电压u d为正弦半波，u d=u i=U m sinωt。

图1.APFC电路原理图

当开关管Q导通时，u d对电感充电，电感电流i L增加，电容C向负载放电;当Q关断、二极管D导通时，电感两端电压u L反向，u d和u L对电容充电，电感电

流i L减小。电感电流满足下式。

通过控制Q的通断，即调节占空比D，可以控制电感电流i L。若能控制i L近似为正弦半波电流，且与u d同相位，则整流桥交流侧电流i i也近似为正弦电流，且与电网电压u i同相位，即可达到功率因数校正的目的。为此需要引入闭环控制。

控制器必须实现以下两个要求:一是实现输出直流电压u o的调节，使其达到给定值;二是保证网侧电流正弦化，且功率因数为1。即在稳定输出电压u o的情况下，使电感电流i L与u d波形相同。采用电压外环、电流内环的单相APFC双闭环控制原理如图2所示。

电压外环的任务是得到可以实现控制目标的电感电流指令值i L∗。给定输出电压u o∗减去测量到的实际输出电压u o的差值，经PI调节器后输出电感电流的幅值指令I L∗测量到的整流桥出口电压u d除以其幅值U m后，可以得到表示u d波形的量u d′,u d′为幅值为1的正弦半波，相位与u d相同。I L∗与u d′相乘，便可以得到电感电流的指令值i L∗。i L∗为与u d′同相位的正弦半波电流，其幅值可控制直流电压u o的大小。

图2.APFC控制框图

电流内环的任务是通过控制开关管Q的通断，使实际的电感电流气跟踪其

指令值i L∗。此处采用滞环电流控制方法。根据电感电流的公式，当Q导通时电感电流增大，而当Q关断时电感电流减小。令i L∗减去i L，若差值∆i L大于规定的上限∆i L max，则令Q导通，以增大i L;若差值∆i L小于规定的下限∆i L min (∆i L min<0)，则令Q关断，以减小i L。通过滞环控制，可以保证实际的电感电流i L在其指令值i L∗附近波动，波动的大小与滞环宽度有关，即与设定的∆i L max和∆i L min有关。

（三）实验内容

1.在MATLAB/Simulink中构建单相有源功率校正电路；

2.测量输入、输出电压波形，输入电流波形，并进行谐波分析。

（四）实验过程与结果分析

1．仿真系统

MATLAB平台

2．仿真参数

直流电压指令为400V的constant模块。输入电压有效值为220V ,频率5OHz；输出直流电压指令u o∗为400V；电感L=6mH；电容C=320uF；负载电阻R=160Ω；在二极管整流桥中，Rs=1e5Ω，Cs=le-6F， Ron=le-3Ω，Lon=O，Vf=O；开关管Q采用MOSFET，Ron=0.OO1Ω，Lon=0，Rd=0.01Ω，Vf=O, Ic=0, Rs=1e5Ω，Cs=inf；Boost电路中二极管参数，Ron=0.001Ω，Lon=0，Vf=0.8V，Ic=0，Rs=5OOΩ，Cs=250e-9F。滞环比较器与PID模块的参数设置，如图3所示。

图3.滞环比较器与PID模块的参数设置

3．仿真波形与分析

采用Boost电路的单相有源功率因数校正电路的仿真模型，如图4所示。

图4.APFC仿真模型

利用powergui将仿真设置为离散模型，Ts=1e-6。起始结束时间为0~0.5s。其他为默认参数。

直流电压波形如图5所示。平均值为402V，如图6所示，基本满足控制器实现输出直流电压调节的要求。对波形进行FFT分析，如图7所示，可知电压波动周期为0.01s，基本为工频的两倍。

图5.直流电压波形

图6.直流电压平均值

图7. FFT分析设置对话框及结果

输出i L与u d的波形、i i与u i的波形分别如图8、图9所示。

图8.i L与u d的波形

图9.i i与u i的波形

从图8可以看出电压电流基本同相位，即功率因数基本为1。也可以通过观察fourier模块的相角，来判断电压电流是否同相位，如图9（左图）所示。交流侧电流THD及基波功率，如图9（右图）所示。

图5.9电压电流相角、电流THD及基波功率i i的THD=0.1252，P=1061W，Q=-23.29Var。有公式得，

ν=

1

1+THD2

=

1

1+0.12522

=0.9923

DPF=cosφ1=

P

P2+Q2

=

1061

10612+(−23.29)2

=0.9998

可计算总的功率因数为λ=νcosφ1=0.9921 ≈1。

4．结论

本实验所搭仿真模型，符合实验原理，满足控制器实现网侧电流正弦化，且功率因数为1的要求。