基于抗飽和積分的APFC仿真研究

李 明，莘煒杰，于千越，盧建寧，趙梓羽

（上海應用技術(shù)大學 電氣與電子工程學院，上海 201418）

0 引 言

電力電子器件中，開關(guān)電源多數(shù)是通過整流器與電力網(wǎng)相接[1]。在傳統(tǒng)的整流技術(shù)中，輸入電流含有高次諧波，功率因數(shù)無法調(diào)整，會降低電網(wǎng)的傳輸效率。無源功率因數(shù)校正（Power Factor Correction，PFC）和有源功率因數(shù)校正（APFC）這兩種新技術(shù)都可以消除電力系統(tǒng)的諧波。無源功率校正技術(shù)通過主電路中串入無源LC濾波器，但濾波效果不能保證，動態(tài)特性較差，只能實現(xiàn)功率因數(shù)提高到0.7～0.8，一般應用在中小型電源裝置[2]。有源功率因數(shù)校正（APFC）技術(shù)為了實現(xiàn)輸入電流與輸入電壓的同頻同相，一個DC/DC開關(guān)變換器被放置在整流器和濾波電路之間，從而達到了抑制諧波的產(chǎn)生和提高功率因數(shù)的作用。由于具有電壓反饋電路，可以更好地輸出直流電壓[3,4]。

控制器的Windup問題一般被認為是當控制器輸出和輸入之間存在飽和非線性特性時，產(chǎn)生于PID控制器積分部分的一種不良現(xiàn)象[5]。由于在系統(tǒng)調(diào)試過程中大都以小信號作為系統(tǒng)的調(diào)試信號，所以造成設計者對飽和特性非線性的認識不足而忽略了它的存在[6]。在實際過程中，當有大信號輸入或其他情況使控制系統(tǒng)進入飽和狀態(tài)時，系統(tǒng)性能產(chǎn)生較大的降低，無法滿足要求。因此，引入適當?shù)难a償環(huán)節(jié)，使控制系統(tǒng)在出現(xiàn)飽和現(xiàn)象時仍然達到較好指標，Anti-Windup技術(shù)已成為具有飽和特性的控制系統(tǒng)設計基本思路[7-9]。

1 基于Anti-Windup的APFC電路

1.1 Boost型APFC電路的主要參數(shù)計算

單相Boost型APFC電路的主要性能指標如表1所示。

表1 APFC電路的主要性能指標

1.1.1 升壓電感

（1）輸入電壓取最小值時，輸入電流取得最大峰值為：

式中，令PIN=Po。

（2）紋波系數(shù)取20%，即允許電感電流有20%的波動：

（3）因為輸出電壓是恒定的，因此，應在最小輸入電壓的峰值點處計算占空比為：

（4）計算升壓電感值為：

在本設計中升壓電感L取值為253 μH。

1.1.2 輸出電容C

采用按維持時間Δt來計算輸出電容值C的計算公式為：

1.2 基于Anti-Windup的PI控制器

基于Anti-Windup的PI控制器結(jié)構(gòu)如圖1所示。抗飽和積分是把計算的控制量超出其限幅范圍的偏差值通過反饋進入積分器，從而迫使控制量返回到限幅值之內(nèi)[10]。當電路的輸出超過上限，可以對PI控制器的積分部分進行及時的控制，解決調(diào)節(jié)器飽和引起的非線性問題，加強抵抗噪聲的能力，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，有利于實現(xiàn)高頻率控制和提高功率密度[11,12]。

造成Windup現(xiàn)象的原因就是由于限幅使控制器的輸出un與被控對象的輸入us不等（un≠us），若將二者之差作為反饋信號構(gòu)成反饋支路來加以消除，就達到了抑制Windup現(xiàn)象的目的。針對PID控制器，消除積分飽和作用就是Anti-Windup算法的主要目的[13]。如下是抗飽和積分控制算法，積分項的自適應調(diào)整通過系數(shù)η來實現(xiàn)，其自適應變化率為：

式中，=(umin+umax)/2，α＞0，作為控制輸入信號的最大值umax，和控制輸入信號的最小值umin。基于Anti-windup的PI控制算法限幅前可控制輸入為：

限幅后控制輸入為：

當un值超出飽和限幅時，由飽和限幅器的輸入與輸出的差值產(chǎn)生一個反饋信號來減小積分器的輸入，達到抑制積分Windup現(xiàn)象的目的[14]。

2 基于Anti-Windup的APFC仿真研究

為了驗證AW-PI調(diào)節(jié)器的性能，本章利用MATLAB軟件進行仿真實驗。

2.1 未加入AW-PI調(diào)節(jié)器的APFC仿真

仿真模型中的主要參數(shù)如表2所示。

表2 仿真模型主要參數(shù)

在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建如圖2所示的仿真模型，圖2（a）為APFC主電路，圖2（b）為APFC控制電路，仿真時間設置為0.5 s。輸入電流電壓波形如圖3所示，圖4為輸出直流電壓波形，可以看出波形在0.13 s左右達到穩(wěn)定值，且最大超調(diào)量為40 V。

2.2 加入AW-PI調(diào)節(jié)器的APFC仿真

把圖2（b）控制電路中的PID控制器換成Anti-Windup PI調(diào)節(jié)器，如圖5所示，仿真時間設置為0.5 s。加入AW-PI調(diào)節(jié)器后的輸入電壓電流和輸出直流電壓分別如圖6、圖7所示，通過與圖3、圖4對比可以看出，加入AW-PI調(diào)節(jié)器后不僅可以保證輸入電流跟隨輸入電壓呈現(xiàn)正弦波變化，從而抑制了諧波的產(chǎn)生，而且輸出直流電壓最大超調(diào)量為15 V，在0.04 s就可以達到穩(wěn)定。這表明加入抗飽和積分后降低了控制器的飽和輸出值，縮短了控制器的輸出達到穩(wěn)定值所需時間，優(yōu)化了動態(tài)性能。

3 結(jié) 論

在保證高功率因數(shù)的前提下，為了減小APFC電路輸出直流電壓的超調(diào)量，提高控制器的動態(tài)性能，在控制電路中加入了抗飽和PI調(diào)節(jié)器。通過仿真結(jié)果對比分析，基于抗積分飽和的APFC電路不僅具有高輸入功率因數(shù)的優(yōu)點，還大大減小了輸出直流電壓達到穩(wěn)定值所需時間，提高了控制器的性能。