APFC先进控制策略发展动态

1、APFC先进控制策略发展动态冉华军 杨富文（福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州 350002 ）（E-mai: huajunran）摘要：近十几年来，有源功率因数校正技术涌现出很多先进控制算法，主要有单周控制、滑模变结构控制、空间矢量调制、无差拍控制、占空比控制、预测电流控制、极点配置控制、lyapunov控制等，本文综合分析了APFC先进控制策略发展动态。关键词：APFC，单周控制，滑模变结构，lyapunov控制, 空间矢量调制，无差拍控制，占空比控制，预测电流控制，极点配置控制 Developing dynamic of advanced control strategies fo

2、r APFCAbstract: In recent decades, considerable novel control strategies for active power factor correction technology are welling up,which mainly include One-cycle control, Variable structure sliding-mode control, Space vector modulation, Deadbeat control, Duty cycle control, Predictive current con

3、trol, Pole-placement control, lyapunov-based control,etc. Based on comprehensive analysis on these advanced schemes ,the dynamics of control arithmetic for APFC is presented in this paper.Keywords: APFC，One-cycle control,Variable structure sliding mode control,lyapunov-based control,space vector mod

4、ulation,deadbeat control,duty cycle control, predictive current control, pole placement control1、引言 有源功率因数校正（Active Power Factor Correction）电路在提高电力电子装置网侧功率因数、降低电网谐波方面起着很重要的作用。随着PFC应用技术的普及，PFC主电路拓扑日渐成熟，现有APFC技术的各种控制策略均各有优缺点，在该领域尚有很多问题亟待解决，关于PFC系统的控制策略研究目前仍然十分活跃；近十几年来，很多新颖的先进控制算法不断涌现，随着微处理器性能的不断提高，电力电

5、子装置控制系统逐渐由模拟型向数字型发展，高速数字信号处理器（DSP）的应用使复杂的新型控制策略成为可能。2、 PFC整流器新型控制策略分析2.1单周期控制（One-cycle control）（也称积分复位控制）1-3开关变换器是脉冲的非线性系统，这种系统在合适的脉冲控制下，具有快速的动态响应特点，它与线性反馈控制相比，受输入电源波动的影响小，但是，目前大多数控制方法仍然是先把模型方程线性化，再利用一个线性反馈回路实现控制。一般的反馈电压控制是通过改变控制脉冲的占空比来实现，当输入电源电压波动时，占空比不会马上随之改变，而是首先改变输出信号，然后才是占空比，对应的占空比变化才能使输出信号向稳定

6、方向发展，这个过程要重复很多次，即要经过很多很多个开关周期后系统才能达到稳定。目前大多数整流器采用平均电流控制来达到功率因数校正的目的，但平均电流控制中需要检测输入电压、电感电流、输出电压，并且需要乘法器来实现，使得系统控制复杂，投资成本增加。鉴于此，美国学者Keyue M Smedley 提出了一种新型控制算法单周期控制。单周期控制是一种不需要乘法器和输入电压传感器能实现电阻仿真器（risistor emulator）目标的新颖非线性控制技术，该控制方法的突出特点是：同时具有调制和控制的双重性。单周控制利用CCM模式下APFC的准稳态工作特性简化控制电路，通过复位开关、积分器、触发电路、比较

7、器达到跟踪指令信号的目的，无论是稳态还是暂态，它都保持受控量（通常为斩波波形）在一个开关周期内的平均值恰好等于或正比于给定值，即能在一个开关周期内有效地抵制电源侧的扰动，消除了稳态、暂态误差。将单周控制基本原理应用于各种电流控制上，就可以得到电荷控制4、准电荷控制5、非线性载波控制（nonlinear carrier control or quasi-steady-state approach）6789和输入电流整形技术10等功率因数校正技术的新型控制技术。从形式上看，电荷控制是电流型的单周控制，其控制思想为：控制开关的电流量，使之在一个周期内达到期望值。准电荷控制是在电荷控制的基础上用RC网

8、络代替电荷控制中的C网络。非线性载波控制的控制电流可为开关电流、二极管电流或电感电流，非线性载波控制在电荷控制的拓扑结构基础上外加了一个非线性补偿，提高了系统的稳定性。在非线性载波控制中，当电路工作在电流连续状态时系统是稳定的；而工作在断续状态下，系统小信号稳定，输入电流会产生畸变。输入电流整形技术需检测二极管的电流，从形式上说是类似于非线性载波控制的方案，而从控制实质上讲是平均电流控制的一种反用，假设电路已经工作在有源功率因数校正下，电流信号是正弦的，电流信号作为电压环基准信号，再对电压误差信号进行积分，其特点是控制简单，可采用平均电流控制芯片ML3833实现。单周期控制除了具有和传统电压反

9、馈控制和电流模式控制相同的优点外（控制环的稳定性、误差校正功能等），还具有很多突出的优点包括：直流输出电压的平滑调节范围大，电路实现简单，电网电流总谐波畸变减小，具有更好的动态响应和稳定的控制环，控制环对噪声不敏感。采用单周控制的开关变换器能在每个开关周期一直输入电压波动，并且平均输入电流能快速跟踪参考量，且不受负载电流的约束，即使负载电流有很大的畸变也不会使输入电流发生畸变。单周期控制这种新的控制方法非常通用，并且能直接应用于所有DC/DC变换器，无论是PWM模式还是准谐振模式。2.2滑模变结构控制控制（Variable structure sliding-mode control）11-2

10、020世纪50年代在前苏联发展起来的滑模变结构控制11用于控制电力电子变换器有其天然的合理性。由于电力电子器件高频开关切换所产生的不连续性使各类电力电子变换器正好被描述为变结构系统，而在变结构系统中滑模变结构控制的滑动模态具有不变性，即对系统的变化和外部干扰不敏感，具有很强的鲁棒性。变流器的时变参数问题一直是人们努力解决的问题。考虑到开关变换器的开关切换动作与变结构系统的运动点沿切换面高频切换有动作上的对应关系，而在变结构系统中滑模变结构控制的滑动模态具有不变性即对系统的变化和外部干扰不敏感，具有很强的鲁棒性，因而可以考虑用滑模变结构这种控制方法来控制变流器。在整流器的功率因数校正系统中，输入

11、电流的稳态特性和输出电压暂态特性之间存在矛盾，应用滑模变结构控制方法可以在两者之间进行有效的协调，使输入电流满足有关标准的前提下尽可能提高输出电压的动态响应。滑模变结构在电力电子系统中改善鲁棒性、动态品质品质方面取得了一些成果。文献12详细介绍了DC-DC变换器的滑模变结构控制，论述了如何以等效控制作为作为分析手段来分析Buck、Boost、Buck-Boost变换器，该方法保证了系统在大信号和小信号条件下的稳定性，在应用滑模变结构控制DC-DC方面有很大的指导意义。文献13采用滑模变结构理论控制Cuk变换器，使得系统控制电路的实现比较简单，克服了其它方法中在大信号情况下不稳定的缺点；在整个运

12、行条件下，所有的状态变量超调量小、调整时间短，具有很好的静态特性和动态特，还大大减小了能量传输电容的大小；实验结果表明：采用滑模变结构控制使得系统具有鲁棒性强、动态特性好的特点，具有很好的应用前景。文献14将滑模变结构理论应用于Boost型拨弄功率因素校正器中，使得变换器的电流纹波减小，输出电压对负载的突变不敏感，从而大大减小了输出滤波器的尺寸、缩短了输出电压的调整时间，获得了最佳输出电压，仿真和实验结果表明了该方法的有效性。文献15给出了离散滑模控制的三相Boost型功率因素校正器，使得系统对输入及负载的变化有很好的鲁棒性。文献16将电流空间矢量技术应用到滑模控制的三相Boost型功率因素校

13、正器中，得到了单位功率因素。文献171819介绍了滑模变结构在有源电网调节系统中的应用，文献20介绍了在Boost和Buck-Boost变换器中使用动态滑模面的滑模变结构控制，这些分析方法可以推广到设计PFC。对于不确定系统，可以基于H控制理论利用LMI方法设计滑模变结构控制21222.3空间矢量调制方法SVM（Space vector modulation）将其它控制方法与滞环电流控制相结合是电流控制策略的发展方向之一，典型的结合是将空间矢量调制方法SVM（Space vector modulation）与滞环控制结合起来23 2425。空间矢量调制是80年代中后期发展起来的，它也是矩阵式变

14、换器的最佳调节方式，三相功率因数校正电路的数字化实现也可用此方式。在模拟控制中，用abc三相对称坐标系，控制量是分段正弦的，用数字化实现时，将abc三相对称坐标系变换到同步旋转d-q正交坐标系，此时控制量在稳态时是常量，容易保证好的稳态特性。模拟控制时，控制变量是时变的，在电压电流过零时可能出现不连续，并且由于模拟控制器工频增益有限，电流畸变通常比数字控制大。数字控制的带宽主要受运算速度和采样延迟的限制。随着微控制器的性能价格比不断提高，基于SVM的数字化实现会越来越有吸引力，空间矢量在理论分析上也有优点，用其描述三相电路的轨迹非常直观。2.4无差拍控制（Deadbeat control）26

15、27无差拍控制的基本思想是将输出参数等间隔地划分为若干个取样周期，在关于取样周期对称的方波脉冲作用下，根据每一取样周期的起始值，预测某电路变量在取样周期末尾的值，适当控制方波脉冲的宽度和极性，就能使输出波形与要求的参考波形重合。不断调整每一取样周期内方波脉冲的极性和宽度，就能获得波形失真小的输出。该方法是一种全数字化的控制技术，它利用前一时刻的指令电流值和实际补偿电流值计算出整流器下一时刻应满足的开关模式。其优点在于数学推导严密、跟踪无过冲、易于计算机执行等，缺点是计算量大且对系统参数依赖性大较大。基于空间电压矢量PWM的电流无差拍控制方法28，开关频率恒定，调节性能良好，代表了目前国际上PF

16、C技术的先进水平，随着数字信号处理芯片DSP的普及，这是一种很有前途的控制方法。2.5占空比控制( Duty cycle control)29这种控制方法不用电流传感器，由于是基于斜坡比较技术，因而开关频率固定；另外，以前的控制方法都是在理想的三相平衡状态下得出的数学模型，用占空比控制方法较传统的控制方法在三相不平衡系统中建模、电压调节器参数调整等方面具有更大的优势例。2.6预测电流控制（Predictive current control ）3031恒频预测电流控制是针对数字控制提出的一种控制策略，通过对输入输出电压和输入电流的采样，根据实际电流和参考电流的误差，由一个周期内电感平均电流和平

17、均电压表达式，选择优化的电压矢量作为下一个周期的开关状态预测，使实际电流在一个周期内跟踪上参考电流，实现稳态无误差，该控制方法的优点是：开关频率固定，动态性能良好，电流谐波小，器件开关应力小，数字实现简单，缺点是要求较高的采样频率和开关频率，在低的采样频率下，会产生周期性的电流误差。2.7极点配置控制（Pole-placement control电压调节型PWM整流器有不稳定倾向，可以通过加大直流电容改善稳定性，这样需付出很大的成本代价；另外，通过比例积分反馈控制，在直流链接电容满足一定条件下可以使系统镇定，而为了减小成本应降低电容尺寸，比例系数必需选得很小，导致瞬态过程变得比较慢；有文献32

18、提出一种带有状态观测器的状态反馈环进行期望极点配置的数字控制方法，实验结果表明：在直流电容很小的情况下系统的稳定性也很好，系统的动态响应大为改观，但控制电路复杂，计算量大，需要多个高速芯片同时运行。2.8基于lyapunov控制( lyapunov-based control) 传统的绝大多数控制方法的数学建模一般是基于对变换器系统模型在平衡点附近进行小信号线性化处理，对于输入功率突变或者过载恢复引起的大信号动态另外采用专门的方法处理。文献33通过研究变换器大信号平均模型，指出小信号模型在大信号扰动下存在不能保证系统稳定性的风险，于是很多研究人员纷纷对各种具体电路进行了具体分析，试图找出能够容

19、许某类特定瞬态大信号的控制策略，由此涌现了很多关于大信号的控制策略，大致可以分为两类：一类是开关位置变量是电路瞬时变量的直接函数,比如sliding mode control123438和bang-bang control39-41， 另外一类依赖于所研究变换器的状态空间平均模型，具有代表性的是文献42-45提出的几种控制策略，其中仅有文献42 44考虑利用Lyapunov函数来设计控制策略。文献46根据李亚普洛夫稳定理论，提出一种基于系统非线性模型的控制策略，不对系统模型进行小信号线性化处理，而是根据李亚普洛夫直接法分析功率变换器这种非线性系统，该策略严格保证了系统状态空间具有足够的稳定域而

20、全局稳定，文献47把这种控制策略结合综合矢量Park变换应用于三相PWM AC-DC电压源型变换器，文献48则将其应用于两级PFC预调节器，仿真和实验结果表明，系统具有好的瞬态响应和单位功率因数，输入电流畸变大大降低，并且全局稳定，对大信号扰动具有很强的鲁棒性。3、关于现代PFC控制策略的展望1、寻求更加简化的控制策略、降低PFC成本、减小THD和EMI、降低开关应力、提高整机效率仍然是今后PFC控制策略的发展趋势。2、由于各种控制策略都有优缺点，将各种控制策略合理搭配，取长补短，可以收到合理的控制效果，这也是控制技术的一个发展方向。3、基于大功率电力电子设备的要求，目前多电平变换器和各种简单

21、拓扑的串、并联等拓扑的相继提出，对于这些电路的控制除采用现有的控制策略外，还要尝试更有针对性的控制技术，依托高速的数字处理器，采用先进的控制理论和算法，研制高性能、高可靠性和低成本的三相脉冲整流器是三相PFC发展的趋势。4、与现代控制理论相关的方法如状态反馈控制（极点配置）、二次型最优控制、非线性状态控制、模糊控制、神经网络控制、变结构滑模控制，基于李雅普洛夫控制、迭代学习控制等，都可以用在PFC电路中，但这些方法还不成熟，处于积极地探索中，本人以后将致力于基于李雅普洛夫大信号控制、变结构滑模控制、迭代学习控制等先进控制策略在PFC中的应用研究。参考文献1Smedley K M,Sloboda

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