開(kāi)關(guān)電源的小信號(hào)建模及優(yōu)化

胡德洪

摘要：隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電網(wǎng)中接入大量的電力電子設(shè)備，而電力電子設(shè)備的核心部件開(kāi)關(guān)電源，其自身具有非常顯著的非線性與低功率因數(shù)，這會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)較大的諧波電流，進(jìn)而對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染。本文基于MATLAB仿真軟件建立補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)下的電壓、電流環(huán)模型，在對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化時(shí)充分利用非線性優(yōu)化法，模型優(yōu)化后的結(jié)果表明系統(tǒng)性能得到了提高。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源;雙環(huán)控制;MATLAB;優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TN86 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）05-0174-03

0 引言

由于開(kāi)關(guān)電源自身具有較強(qiáng)的非線性與低功率因數(shù)的特點(diǎn)，制約了其廣泛的使用。近年來(lái)，隨著“綠色電源”的提出，開(kāi)關(guān)電源的治理諧波、提高功率因數(shù)的方法越來(lái)越受到重視，成為國(guó)內(nèi)外發(fā)展的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。

本文采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)的結(jié)構(gòu)圖，采用非線性優(yōu)化方法對(duì)電壓環(huán)和電流環(huán)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，由整流電路、DC/DC變換電路、輸出濾波電路和控制電路組成。

傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源的電流含有大量諧波成分，將給電網(wǎng)性能帶來(lái)各種影響。為了消除上述諧波對(duì)電網(wǎng)的影響，另外添加諧波補(bǔ)償裝置，整流部分與濾波部分之間加入一級(jí)直流/直流變換，通過(guò)精細(xì)化的反饋控制，不僅可以有效抑制諧波，還可以提高功率因數(shù)和電能的綜合利用率。附合“綠色電源”的發(fā)展思想。采用MATLAB建立小信號(hào)模型仿真，減小了傳統(tǒng)電路中電壓環(huán)和電流環(huán)的設(shè)計(jì)和調(diào)試工作，利用MATLAB軟件中的優(yōu)化工具箱配置合適的零極點(diǎn)。本文將從模型仿真和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化分析。

1 建立小信號(hào)模型

開(kāi)關(guān)電源本身是一個(gè)復(fù)雜的時(shí)變系統(tǒng)，建立準(zhǔn)確地?cái)?shù)學(xué)模型是很困難的。因此模型的建立將引入以下假設(shè)：（1）開(kāi)關(guān)頻率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于擾動(dòng)信號(hào)頻率的設(shè)置;（2）擾動(dòng)信號(hào)的大小要盡可能的小。

小信號(hào)模型的建立將通過(guò)電流注入的方法實(shí)現(xiàn)：電路中的線性和非線性部分分開(kāi)考慮，隨著開(kāi)關(guān)狀態(tài)的切換，電路結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生著變化，用一個(gè)電感L與三端器件表示。

電流控制環(huán)的由電流誤差放大器、PWM比較器、功率級(jí)組成，如圖1所示。

3 模型的仿真分析

基于MATLAB/Simulink搭建出500W 升壓型開(kāi)關(guān)電源電路的仿真模型。分析仿真結(jié)果，圖3加入APFC前，電流波形與正弦電壓的變化沒(méi)有步調(diào)一致，諧波成分含量較多，一系列的脈沖波出現(xiàn)在電壓峰值附近，較低的功率因數(shù)也出現(xiàn)此刻。電路的功率因數(shù)接近1。并且在輸出端得到低紋波得直流輸出。

4 實(shí)驗(yàn)

在仿真基礎(chǔ)上繪制了實(shí)驗(yàn)電路圖。測(cè)得輸入端電壓和電流波形，如圖4所示。

從實(shí)驗(yàn)得到的波形分析，加入APFC電路后，電流波形能跟蹤輸入電壓的變化，優(yōu)化后電路有效地提高了功率因數(shù)、減小了諧波含量，功率因數(shù)達(dá)到0.996。

5 結(jié)語(yǔ)

采用非線性優(yōu)化方法對(duì)電壓環(huán)和電流環(huán)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，很好的減小了諧波電流，提高了功率因數(shù)，系統(tǒng)性能得到了提高。

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