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摘要：供电电压含谐波时，采用传统PFC策略的机载计算机电源输入电流的谐波含量增大，难以实现PFC功能。针对该问题提出一种控制策略，使输入电流指令不含谐波以提高电流正弦度。Matlab的仿真结果证明，相比于传统方法，该策略有效抑制了供电电压谐波的影响，提高了电流正弦度。
关键词：PFC；谐波；电流控制
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）11-0235-03
Abstract： When supply voltage containing harmonics， the input current will be distorted in the PFC circuit of aero computer based on the common method， which affects the function of power factor correction. To against this problem， a strategy is proposed. By regulating the reference without harmonics， input current performs as sine wave. Comparing with the traditional scheme， the recommended strategy effectively suppresses the source disturbances and decreases the distortion of the input current. Simulation results in Matlab testify the validity.
Key words： PFC； harmonic； current control
为减小无功和谐波，交流供电的机载计算机电源常采用功率因数校正（Power Factor Correction， PFC）技术来提高电流正弦度[1，2]。在单相交流系统中，用boost电路实现PFC最为常见[3]-[5]。boost电路结构相对简单，控制芯片成熟，供电电压正弦度较好时，PFC-效果良好[5]。然而随着电子设备的增加，机载计算机交流供电网络中的谐波含量也会随之上升。传统boost型PFC电路中，由于输入电流指令与交流电压波形基本一致，则交流电压含有谐波时，输入电流也会含有相同成分谐波，使交流电网中的谐波情况进一步恶化。因此需要一种能够抑制谐波扰动的PFC策略，来保证输入电流的正弦度。
1电网含有谐波时传统boost型 PFC的问题
Boost型PFC的电路如图1（a）所示（|Vs|为输入交流电压绝对值）[3]。为了实现PFC及输出稳压功能，需采用输出电压外环、电感电流内环的双闭环控制，并在电压误差信号中乘以整流后输入电压信号|Vs|作为电流指令Iref，如图1（b）所示。
从图1（b）中可知，将交流电源电压Vs引入电流指令中使电流可跟踪电压波形。当Vs为正弦波时，电流也为同相位正弦波，从而实现PFC功能，采用如UC1854等集成芯片的控制电路即采用此方法。但是当Vs含谐波时，该传统方法中电流指令被引入谐波，使输出电流正弦度下降，影响PFC功能。由于低次谐波频率与基波接近，通常的低通滤波难以抑制Vs谐波的影响。且滤波器常引入相移，造成电流相位滞后，进一步降低功率因数。
2 抑制谐波扰动的策略
2.1 谐波扰动抑制方法
通过上文分析可知，以boost电路实现PFC的传统方案之所以在Vs含谐波时电流正弦度降低，是由于Vs的谐波成分被引入电流环的指令中。这一方面在以如UC3854、UCC28051等PFC模拟控制芯片的应用电路中表现得尤为直接。为解决该问题，本文提出一种可抑制扰动的策略，利用锁相和数字芯片生成同相位的电源电压信号，使电流指令无谐波成分，达到提高交流侧电流正弦度的目的。该控制策略框图如图2所示。
2.2 控制系统设计
为得到图2中的|Vs|*，需要包含两个步骤：首先是通过锁相得到Vs的频率和相位信息，之后是根据该频率和相位信息生成新的正弦半波信号|Vs|*。其中锁相和|Vs|*的生成需要单片机或其他数字芯片的辅助。
锁相可采用工程上常用的方法，将正弦波先调理成方波，再由数字处理器获得周期和相位信息。由于含有谐波的交流电压信号仍呈现正弦变化，其过零点与不含谐波信号相同，因此该锁相方法在含有谐波的环境中仍具有良好的适应性。
锁相和数字电路的信号采样会造成信号延时，从而影响图2中|Vs|*相位的准确性。为补偿该相位误差，可采用在延时一周期基础上实现相位超前的方法。若数字处理器中正弦表为离散量，N为单个周期总点数，n为当前时间离散变量，则有：
[sin（2πnN）=sin（2πn-NN）] （1）
若希望在处理器中进行k拍的超前补偿，可采用如下实现形式：
[Vsin[n]=A?sin（2πn-N kN）] （2）
其中A为幅值，如此一来，可以用查正弦表的方法解决延时问题。采用该方法不仅可实现相位补偿，还可根据需要改变指令电流的相位，从而根据需求控制功率因数角，实现一定程度的无功控制。
本文系统中，电压电流闭环采用PI控制，这种方法也与普通模拟控制芯片的情况一致。以400W电路验证本文策略，其中Vs为115V（rms）、400Hz，并含有3、5、7次谐波，Ud参考为300V，直流侧电容C为330μF，负载电阻RL为225Ω，直流电压环PI控制器中比例、积分系数分别为0.5和0.015，电流环比例、积分系数为1.3和0.001（或仅用比例即可），系统开关频率100kHz。
3 仿真验证
图3（a）为采用图1所示传统策略的仿真结果，其中输入电压、负载电阻、PI参数等条件均与2.2中所述相同。图3（a）中Vs（各图中相同）和电流I的FFT分别如图3（c）和图3（d）所示。从图3（a）中可以看出，传统方法在供电电压含谐波扰动时，难以保证输入电流正弦度，THDI大于10%。
图3（b）为采用本文策略的电压电流波形，其电流I的FFT见图3（e）。从电流波形及FFT分析可知，采用该策略良好的抑制的供电谐波的扰动，输入电流正弦度良好，从而验证了本文策略的有效性。
4 结论
当供电电压含谐波时，基于传统boost策略的PFC电路输入电流谐波含量增大，难以实现PFC功能。分析得出，输入电压的谐波会影响电流指令，造成电流畸变。针对该问题提出一种策略，利用数字芯片生成正弦信号，并结合锁相和周期延时厚度额超前来实现相位补偿，有效抑制了谐波扰动。理论分析和仿真结果证明了本文方法的有效性。
参考文献：
[1] 张爱国，邹晓渔，倪靖猛，等.模块化机载400 Hz单位功率因数整流电源[J].电力电子技术，2011，45（10）：34-36.
[2] 石健将，杨永飞，王文杰，等.数字控制400Hz三相四线高功率因数PWM整流器研究[J].电工技术学报，2012，27（5）：113-148.
[3] 宋久旭，高小龙，杨志龙. 单周期控制Boost PFC 变换器参数设计与仿真验证[J].电脑知识与技术，2015，10（11）：228-230.
[4] 张天弋，林才辉. 基于数字控制的功率因数校正技术的研究[J].计算机仿真，2009，26（2）：264-268.
[5] 于海坤，许建平，张斐，等.具有宽负载范围的新型Boost功率因数校正器[J].电工技术学报，2011，26（12）：93-98.
关键词：PFC；谐波；电流控制
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）11-0235-03
Abstract： When supply voltage containing harmonics， the input current will be distorted in the PFC circuit of aero computer based on the common method， which affects the function of power factor correction. To against this problem， a strategy is proposed. By regulating the reference without harmonics， input current performs as sine wave. Comparing with the traditional scheme， the recommended strategy effectively suppresses the source disturbances and decreases the distortion of the input current. Simulation results in Matlab testify the validity.
Key words： PFC； harmonic； current control
为减小无功和谐波，交流供电的机载计算机电源常采用功率因数校正（Power Factor Correction， PFC）技术来提高电流正弦度[1，2]。在单相交流系统中，用boost电路实现PFC最为常见[3]-[5]。boost电路结构相对简单，控制芯片成熟，供电电压正弦度较好时，PFC-效果良好[5]。然而随着电子设备的增加，机载计算机交流供电网络中的谐波含量也会随之上升。传统boost型PFC电路中，由于输入电流指令与交流电压波形基本一致，则交流电压含有谐波时，输入电流也会含有相同成分谐波，使交流电网中的谐波情况进一步恶化。因此需要一种能够抑制谐波扰动的PFC策略，来保证输入电流的正弦度。
1电网含有谐波时传统boost型 PFC的问题
Boost型PFC的电路如图1（a）所示（|Vs|为输入交流电压绝对值）[3]。为了实现PFC及输出稳压功能，需采用输出电压外环、电感电流内环的双闭环控制，并在电压误差信号中乘以整流后输入电压信号|Vs|作为电流指令Iref，如图1（b）所示。
从图1（b）中可知，将交流电源电压Vs引入电流指令中使电流可跟踪电压波形。当Vs为正弦波时，电流也为同相位正弦波，从而实现PFC功能，采用如UC1854等集成芯片的控制电路即采用此方法。但是当Vs含谐波时，该传统方法中电流指令被引入谐波，使输出电流正弦度下降，影响PFC功能。由于低次谐波频率与基波接近，通常的低通滤波难以抑制Vs谐波的影响。且滤波器常引入相移，造成电流相位滞后，进一步降低功率因数。
2 抑制谐波扰动的策略
2.1 谐波扰动抑制方法
通过上文分析可知，以boost电路实现PFC的传统方案之所以在Vs含谐波时电流正弦度降低，是由于Vs的谐波成分被引入电流环的指令中。这一方面在以如UC3854、UCC28051等PFC模拟控制芯片的应用电路中表现得尤为直接。为解决该问题，本文提出一种可抑制扰动的策略，利用锁相和数字芯片生成同相位的电源电压信号，使电流指令无谐波成分，达到提高交流侧电流正弦度的目的。该控制策略框图如图2所示。
2.2 控制系统设计
为得到图2中的|Vs|*，需要包含两个步骤：首先是通过锁相得到Vs的频率和相位信息，之后是根据该频率和相位信息生成新的正弦半波信号|Vs|*。其中锁相和|Vs|*的生成需要单片机或其他数字芯片的辅助。
锁相可采用工程上常用的方法，将正弦波先调理成方波，再由数字处理器获得周期和相位信息。由于含有谐波的交流电压信号仍呈现正弦变化，其过零点与不含谐波信号相同，因此该锁相方法在含有谐波的环境中仍具有良好的适应性。
锁相和数字电路的信号采样会造成信号延时，从而影响图2中|Vs|*相位的准确性。为补偿该相位误差，可采用在延时一周期基础上实现相位超前的方法。若数字处理器中正弦表为离散量，N为单个周期总点数，n为当前时间离散变量，则有：
[sin（2πnN）=sin（2πn-NN）] （1）
若希望在处理器中进行k拍的超前补偿，可采用如下实现形式：
[Vsin[n]=A?sin（2πn-N kN）] （2）
其中A为幅值，如此一来，可以用查正弦表的方法解决延时问题。采用该方法不仅可实现相位补偿，还可根据需要改变指令电流的相位，从而根据需求控制功率因数角，实现一定程度的无功控制。
本文系统中，电压电流闭环采用PI控制，这种方法也与普通模拟控制芯片的情况一致。以400W电路验证本文策略，其中Vs为115V（rms）、400Hz，并含有3、5、7次谐波，Ud参考为300V，直流侧电容C为330μF，负载电阻RL为225Ω，直流电压环PI控制器中比例、积分系数分别为0.5和0.015，电流环比例、积分系数为1.3和0.001（或仅用比例即可），系统开关频率100kHz。
3 仿真验证
图3（a）为采用图1所示传统策略的仿真结果，其中输入电压、负载电阻、PI参数等条件均与2.2中所述相同。图3（a）中Vs（各图中相同）和电流I的FFT分别如图3（c）和图3（d）所示。从图3（a）中可以看出，传统方法在供电电压含谐波扰动时，难以保证输入电流正弦度，THDI大于10%。
图3（b）为采用本文策略的电压电流波形，其电流I的FFT见图3（e）。从电流波形及FFT分析可知，采用该策略良好的抑制的供电谐波的扰动，输入电流正弦度良好，从而验证了本文策略的有效性。
4 结论
当供电电压含谐波时，基于传统boost策略的PFC电路输入电流谐波含量增大，难以实现PFC功能。分析得出，输入电压的谐波会影响电流指令，造成电流畸变。针对该问题提出一种策略，利用数字芯片生成正弦信号，并结合锁相和周期延时厚度额超前来实现相位补偿，有效抑制了谐波扰动。理论分析和仿真结果证明了本文方法的有效性。
参考文献：
[1] 张爱国，邹晓渔，倪靖猛，等.模块化机载400 Hz单位功率因数整流电源[J].电力电子技术，2011，45（10）：34-36.
[2] 石健将，杨永飞，王文杰，等.数字控制400Hz三相四线高功率因数PWM整流器研究[J].电工技术学报，2012，27（5）：113-148.
[3] 宋久旭，高小龙，杨志龙. 单周期控制Boost PFC 变换器参数设计与仿真验证[J].电脑知识与技术，2015，10（11）：228-230.
[4] 张天弋，林才辉. 基于数字控制的功率因数校正技术的研究[J].计算机仿真，2009，26（2）：264-268.
[5] 于海坤，许建平，张斐，等.具有宽负载范围的新型Boost功率因数校正器[J].电工技术学报，2011，26（12）：93-98.