李剛,李舒維,邱偉
(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院,廣西南寧 530004)
在全球能源危機(jī)日益嚴(yán)峻的今天,新能源的發(fā)展越來越受到人們的重視,對(duì)于風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等的應(yīng)用也愈加廣泛。由于新能源發(fā)電等級(jí)的多樣性,電能變換器有時(shí)需要通過級(jí)聯(lián)方能滿足實(shí)際需求[1-2]。當(dāng)前級(jí)電能變換器與后級(jí)帶有純電阻負(fù)載并以閉環(huán)方式控制的變換器級(jí)聯(lián)時(shí),可將后級(jí)變換器視為前級(jí)變換器的恒功率負(fù)載(constant power load,CPL)[3]。典型的例子如利用閉環(huán)控制的Buck 穩(wěn)壓變換器接一個(gè)純電阻負(fù)載,在其負(fù)載固定時(shí)該Buck變換器的輸入功率為一個(gè)定值,即可視為一個(gè)恒功率負(fù)載。
利用新能源發(fā)電需要通過大量的電能變換器才能實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)[4]。由于電能變換器大多為電力電子器件,因此在能量轉(zhuǎn)換過程中的諧波問題是無法忽略的。Boost PFC 變換器是眾多功率因數(shù)校正變換器中應(yīng)用十分廣泛的一種。Boost PFC變換器的控制方法經(jīng)過多年的發(fā)展,已經(jīng)由簡單的電流內(nèi)環(huán)及電壓外環(huán)構(gòu)成的雙閉環(huán)PI 控制結(jié)構(gòu),發(fā)展到如今通過利用無橋拓?fù)鋄5-7]或者將微分平坦[8]、占空比預(yù)估算以及模糊控制[9-10]引入控制算法的設(shè)計(jì)方法等,以期達(dá)到良好的控制效果。而一種利用通過狀態(tài)變換和狀態(tài)反饋將一個(gè)非線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為線性系統(tǒng),然后利用經(jīng)典控制理論進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)的方法也被大量利用,文獻(xiàn)[11-12]都利用該控制方法獲得了良好的控制效果,但是其應(yīng)用場景較為簡單,只能實(shí)現(xiàn)Boost PFC 帶純電阻負(fù)載的穩(wěn)定運(yùn)行。而由于在Boost PFC 變換器與Buck 變換器級(jí)聯(lián)的情況下,Boost PFC 變換器的輸出電流不連續(xù),使得該方法在負(fù)載為恒功率負(fù)載時(shí)無法穩(wěn)定運(yùn)行。
為了解決這個(gè)問題,本文以Buck穩(wěn)壓變換器帶一個(gè)純電阻負(fù)載作為恒功率負(fù)載,利用輸入輸出線性化方法構(gòu)造出一種適合恒功率負(fù)載的控制方法;并通過研究發(fā)現(xiàn)Boost PFC 變換器輸出電壓紋波與負(fù)載功率成一定比例關(guān)系,進(jìn)而經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)測算得到能通過輸出電壓紋波的變化預(yù)測出負(fù)載功率的變化的計(jì)算關(guān)系;最后將預(yù)測所得到的負(fù)載功率代入控制方法,實(shí)現(xiàn)了Boost PFC 變換器在輸入輸出線性化方法下帶恒功率負(fù)載恒壓輸出。在專業(yè)的電力電子仿真軟件PSIM 中對(duì)所得到的控制方法進(jìn)行了數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn),仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法具有良好的動(dòng)、靜態(tài)特性,輸入電流能精準(zhǔn)跟蹤輸入電壓,電流波形光滑;負(fù)載跳變時(shí),動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,輸出穩(wěn)定,表明該方法對(duì)負(fù)載具有良好的魯棒性。
圖1為Boost PFC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
圖1 Boost PFC變換器帶恒功率負(fù)載的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology structure of Boost PFC converter with a CPL
圖1 中的恒功率負(fù)載(CPL)為一個(gè)閉環(huán)穩(wěn)定工作的Buck 穩(wěn)壓變換器接一個(gè)純電阻負(fù)載。對(duì)該Boost PFC 變換器用狀態(tài)空間平均法進(jìn)行建模,令vin=E(t),iin=iL,vo=uC,μ為MOS 管Q1的占空比。由于負(fù)載為非純電阻電路,所以只能用iout來表示Boost PFC 變換器的輸出電流,可以得到如下狀態(tài)空間平均模型:
基于式(1)中的狀態(tài)空間的平均模型,選取狀態(tài)變量x=[x1x2]T=[iLuC]T,輸入變量μ可設(shè)為MOS管Q1的占空比,輸出變量可設(shè)為y=h(x),則可得到Boost PFC 變換器的單輸入單輸出仿射非線性系統(tǒng)的模型:
式(2)對(duì)應(yīng)的單輸入單輸出的仿射非線性標(biāo)準(zhǔn)形式為
根據(jù)文獻(xiàn)[11]可知,當(dāng)輸出函數(shù)為h(x)=x1-iref時(shí)(iref為設(shè)定的電流參考值),可以得到如下的非線性坐標(biāo)變換,可將原非線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為新坐標(biāo)系下的線性系統(tǒng):
式中:Φ-1(z)為求逆陣。
可以將式(3)的原非線性系統(tǒng)非精確線性化為一個(gè)準(zhǔn)線性系統(tǒng):
由式(7)得到新坐標(biāo)系下控制律與原坐標(biāo)系下控制律關(guān)系如下式所示:
式中:k為e-kx的衰減系數(shù),其值越大,誤差衰減越快,k>0。
根據(jù)能量守恒(忽略該系統(tǒng)中各種開關(guān)管及電感電阻等器件的功率損耗),再根據(jù)功率因數(shù)矯正后的效果就是Boost PFC 變換器的輸入電流可以很好地跟蹤輸入電壓,即輸入電壓與輸入電流電位相同,設(shè)校正后的正弦輸入電壓峰值為Vm,輸入電流的峰值為Im,期望的輸出電壓恒定為Uref,Iout為負(fù)載的輸入電流,也就是Boost PFC 變換器的輸出電流,則有下式成立:
鑒于Boost PFC 變換器在與Buck 變換器級(jí)聯(lián)時(shí)其輸出端直接與MOS 管Q2相連,在Q2斷開時(shí)段無法得到連續(xù)的輸出電流Iout,致使在負(fù)載發(fā)生擾動(dòng)時(shí)式(12)的計(jì)算發(fā)生延遲甚至失效。解決的辦法是將輸出電流通過其他參量計(jì)算出來,可利用輸出功率Pout和輸出電壓uout來表示輸出電流:
實(shí)際中輸出電壓uout并不等于理想電壓Uref,因?yàn)锽oost PFC 變換器的輸出電壓帶有紋波,并不是一個(gè)定值,采用uout計(jì)算占空比可以提高計(jì)算精度。
將式(12)代入式(11)可得:
至此可以得出:當(dāng)Pout的數(shù)值與負(fù)載功率一致時(shí),便可以得到穩(wěn)定的理想的輸出電壓以及PF值。
在利用PSIM 仿真軟件進(jìn)行仿真研究時(shí)發(fā)現(xiàn),在輸入輸出線性化方法下的Boost PFC 變換器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),其輸出電壓的紋波大小Vpp跟負(fù)載功率Pout有關(guān),且是線性相關(guān)的,圖2 是以基準(zhǔn)輸出電壓為230 V、負(fù)載功率分別為100 W,500 W,1 000 W 為例,利用PSIM 仿真軟件得出的Boost PFC變換器輸出電壓的紋波圖。
圖2 基準(zhǔn)輸出電壓為230 V,負(fù)載功率分別為100 W,500 W,1 000 W時(shí)輸出電壓的波形Fig.2 The output voltage waveforms when the reference output voltage is 230 V and the load power is 100 W,500 W and 1 000W respectively
由圖2 可知,Boost PFC 變換器輸出電壓的紋波隨著負(fù)載功率的增大而增大,分別為1.95 V,9.59 V,19.96 V。
在基準(zhǔn)電壓都是230 V 的情況下,從100 W到1 000 W,每隔25 W 測一組紋波大小,可得到如圖3所示的散點(diǎn)圖。
通過觀察圖3 可以發(fā)現(xiàn),Boost PFC 變換器在穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)的輸出電壓紋波大小Vpp與負(fù)載功率Pout呈線性相關(guān)的關(guān)系。于是利用最小二乘法將圖3中的數(shù)據(jù)擬合成一條直線:
圖3 輸出電壓紋波與負(fù)載功率的散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter diagram of output voltage ripple and load power
即
由此直線可以根據(jù)輸出電壓的紋波大小得到負(fù)載的功率。
根據(jù)上文中穩(wěn)定時(shí)功率與輸出電壓紋波的關(guān)系可以推斷,當(dāng)負(fù)載功率發(fā)生跳變時(shí),其變化的紋波可以用來推算跳變后的負(fù)載功率并對(duì)代入算法中的Pout進(jìn)行校正。在經(jīng)過仿真試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),在跳變后第1 個(gè)周期的紋波(第1 個(gè)周期波峰與波谷的差的絕對(duì)值)會(huì)變大。以1 000 W跳變到500 W 為例,取在輸出電壓的波峰、波谷以及平衡點(diǎn)發(fā)生跳變時(shí)的輸出電壓紋波,如圖4所示。
由圖4 可知,跳變后的第1 周期內(nèi)的紋波分別為42.46 V,32.61 V,42.21 V。可以看到,其跳變后第1個(gè)周期的紋波大小跟跳變時(shí)間有一定關(guān)系,這是穩(wěn)定時(shí)電壓的紋波與跳變時(shí)電壓的變化疊加所導(dǎo)致的。而到了跳變后第3個(gè)周期的峰值分別為294.88 V,294.60 V,295.43 V,幾乎沒有差別,于是為了減小誤差,并且盡量縮短計(jì)算時(shí)間,取跳變后第3個(gè)周期的波峰與跳變前的穩(wěn)定紋波的波谷的差的平均值來對(duì)跳變后的功率進(jìn)行校正,以盡量減少誤差。
圖4 負(fù)載功率跳變時(shí)輸出電壓紋波變化圖Fig.4 Ripple change of output voltage during load power jump
同理,對(duì)于負(fù)載功率變大的情況,其輸出電壓會(huì)變小,取Vm為跳變后第3 個(gè)周期的波谷與跳變前穩(wěn)定紋波波峰之差的平均值。
在基準(zhǔn)電壓是230 V的情況下,以500 W作為初始穩(wěn)定功率為例,統(tǒng)計(jì)其Vm與跳變后的功率Pout,將得到的數(shù)據(jù)繪制成散點(diǎn)圖,如圖5和圖6所示。
由圖5 和圖6 所示的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),跳變后的功率Pout與Vm呈線性相關(guān)關(guān)系,因此可將Pout分別在增大和減小時(shí)與Vm的關(guān)系利用最小二乘法各擬合成一條直線:
圖5 跳變后功率下降時(shí)Pout與Vm的散點(diǎn)圖Fig.5 Scatter diagram of Pout and Vm when power drops after jump
圖6 跳變后功率上升時(shí)Pout與Vm的散點(diǎn)圖Fig.6 Scatter diagram of Pout and Vm when power rises after jump
由式(19)和式(20)可以通過測量Vm的大小來計(jì)算出負(fù)載跳變后負(fù)載的功率即Boost PFC 轉(zhuǎn)換器的輸出功率,由此可以完成一次矯正。
通過測算可以得到初始穩(wěn)定功率從100 W到1 000 W 的跳變后功率與Vm的擬合關(guān)系式并記錄入表1。
表1 不同初始功率的擬合公式Tab.1 Fitting formula of different initial power
在經(jīng)過多組數(shù)據(jù)的測算后可以發(fā)現(xiàn),在某些情況下時(shí),利用上述的擬合公式計(jì)算出的Pout會(huì)與跳變后的實(shí)際功率有較大誤差,會(huì)對(duì)輸出電壓造成影響,若計(jì)算出的Pout大于負(fù)載功率,輸出電壓uout的直流分量將高于Uref,反之則uout的直流分量會(huì)小于Uref。但是輸出電壓的誤差不會(huì)影響到Boost PFC 輸入端的輸入電流跟蹤輸入電壓(后面的仿真實(shí)驗(yàn)會(huì)加以驗(yàn)證)。這些誤差的產(chǎn)生主要原因有兩個(gè):一是算不準(zhǔn),這是本身擬合曲線時(shí)的誤差造成的;二是測不準(zhǔn),這是因?yàn)殡S著負(fù)載功率的變大,穩(wěn)定時(shí)輸出電壓的紋波也會(huì)變大,使得在相同初始穩(wěn)態(tài)功率的情況下,不同的跳變時(shí)刻會(huì)對(duì)Vm的數(shù)值產(chǎn)生較大影響,進(jìn)而影響到代入擬合公式后計(jì)算出的Pout。因此誤差往往會(huì)出現(xiàn)在大范圍的功率跳變和初始穩(wěn)定功率較大的情況下,但是根據(jù)實(shí)際測算可知,100 W到1 000 W 之內(nèi)的跳變,其誤差不會(huì)超過100 W。于是對(duì)于某些對(duì)輸出電壓要求不高的應(yīng)用場景(例如光伏發(fā)電),一次矯正就可以滿足實(shí)際需要,而在某些對(duì)輸出電壓要求高的場景,則需引入二次矯正。
根據(jù)大量數(shù)據(jù)測算的經(jīng)驗(yàn)可知,對(duì)于輸出電壓的直流分量V,即輸出電壓每個(gè)周期(0.01 s)的最大值與最小值的平均值,當(dāng)|Uref-V|>10 V 時(shí),輸入算法得出的Pout與實(shí)際負(fù)載功率相差50 W 左右;當(dāng)|Uref-V|>40 V 時(shí),Pout與實(shí)際負(fù)載功率相差70 W左右;當(dāng)|Uref-V|>80 V 時(shí),Pout與實(shí)際負(fù)載功率相差100 W 左右。經(jīng)過一次矯正到輸出電壓穩(wěn)定的時(shí)間都在0.1 s 左右,負(fù)載跳變范圍越大,輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越久,因此為了使輸出電壓能更快地穩(wěn)定到230 V,二次矯正的方法需盡量簡單迅速。二次矯正的步驟如圖7所示。
圖7 二次矯正的流程圖Fig.7 Flow chart of secondary correction
至此,可以得到當(dāng)負(fù)載發(fā)生跳變時(shí),根據(jù)輸出電壓紋波的變化預(yù)測輸出功率的步驟如圖8所示。
圖8 根據(jù)紋波調(diào)整Pout流程圖Fig.8 Flow chart of Pout adjustment according to ripple
將通過該步驟預(yù)測得到的負(fù)載功率Pout代入式(14),便可使Boost PFC 變換器在帶恒功率負(fù)載的情形下穩(wěn)定運(yùn)行。
系統(tǒng)仿真采用專業(yè)的電力電子仿真軟件PSIM進(jìn)行數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn),仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖如圖9所示。
圖9 Boost PFC帶恒功率負(fù)載輸入輸出線性化方案圖Fig.9 Scheme of input and output linearization of Boost PFC with constant power load
圖9 中,輸入電壓vac=150sin(ωt);Boost PFC變換器的期望輸出電壓Uref=230 V;MOS 管Q1的頻率f1=80 kHz;MOS 管Q2的頻率f2=20 kHz;電感L1=3 mH;電感L2=5 mH;電容C1=700 μF;電容C2=1 000 μF;k=30。與Boost 電路級(jí)聯(lián)的Buck 電路采用電壓單閉環(huán)控制,再接入一個(gè)純電阻負(fù)載可視為一個(gè)恒功率負(fù)載,通過控制接入Buck 電路的純電阻負(fù)載的阻值控制該恒功率負(fù)載功率的大小。MOS 管Q3接一個(gè)脈沖信號(hào)的作用是控制負(fù)載功率的跳變,當(dāng)電阻R1并聯(lián)一個(gè)電阻R2時(shí),負(fù)載的功率會(huì)提升,當(dāng)電阻R1和R2并聯(lián)時(shí),斷開R2支路,負(fù)載功率會(huì)下降,據(jù)此可以控制跳變時(shí)間以及跳變前后的負(fù)載功率。例如:當(dāng)電阻R1=5 Ω 時(shí),該恒功率負(fù)載的功率為500 W,當(dāng)電阻R1=5 Ω,電阻R2=5 Ω 時(shí),Q3由關(guān)斷到接通時(shí),該恒功率負(fù)載的功率由500 W 跳變到1 000 W;當(dāng)電阻R1=10 Ω,電阻R2=10 Ω 時(shí),Q3由接通到關(guān)斷,該恒功率負(fù)載的功率由500 W 跳變到250 W。
負(fù)載功率不變時(shí)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行是為了觀察該算法在帶恒功率負(fù)載時(shí)是否能穩(wěn)定運(yùn)行、啟動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)間以及輸出電壓在啟動(dòng)時(shí)是否有超調(diào)。圖10 為該算法下Boost PFC 變換器帶恒功率負(fù)載的輸入電壓、輸入電流以及輸出電壓。
圖10 Boost PFC變換器帶恒功率負(fù)載的輸入電壓、輸入電流與輸出電壓的啟動(dòng)波形Fig.10 Input voltage,input current and output voltage waveforms of Boost PFC converter with CPL
從圖10 可知,啟動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)間僅為5 ms,此后輸入電流精準(zhǔn)跟蹤輸入電壓,輸出電壓也能穩(wěn)定在230 V,并且整個(gè)調(diào)節(jié)過程幾乎沒有超調(diào)。
圖11、圖12 所示為功率跳變跨度很大時(shí)Boost PFC 變換器的輸出電壓,當(dāng)發(fā)生突變后的第3 個(gè)周期的輸出電壓的峰值為193.63 V,則Vm=94.87 V,代入擬合公式可得跳變后的功率Pout=1 045.90 W,經(jīng)過二次矯正,Pout=995.90 W。
圖11 負(fù)載從500 W跳變到1 000 W時(shí)輸出電壓波形(無二次矯正)Fig.11 The output voltage waveform of load from 500 Wto 1 000 W(without secondary correction)
圖12 負(fù)載從500 W跳變到1 000 W時(shí)輸出電壓波形(有二次矯正)Fig.12 The output voltage waveform of load from 500 W to 1 000 W(with secondary correction)
由圖11、圖12 可知,輸出電壓在經(jīng)過短暫調(diào)整后,在未經(jīng)過二次矯正時(shí)的直流分量明顯高于經(jīng)過二次矯正后的直流分量。
圖13、圖14 為負(fù)載跳變時(shí),輸入電壓、電流波形(無/有二次矯正)。根據(jù)圖13、圖14 所示的結(jié)果可以看到,負(fù)載突變不影響輸入電壓,輸入電流在負(fù)載跳變時(shí)變化平滑,幾乎沒有過渡過程。并且是否加入二次矯正并不影響輸入電流跟蹤輸入電壓。
圖13 負(fù)載從500 W跳變到1 000 W時(shí)輸入電壓和輸入電流波形(無二次矯正)Fig.13 Input voltage and input current waveforms of load from 500 W to 1 000 W(without secondary correction)
圖14 負(fù)載從500 W跳變到1 000 W時(shí)輸入電壓和輸入電流波形(有二次矯正)Fig.14 Input voltage and input current waveforms of load from 500 W to 1 000 W(with secondary correction)
圖15 所示為功率跳變跨度很小時(shí)Boost PFC變換器的輸出電壓,發(fā)生突變后第3個(gè)周期輸出電壓的峰值為228.07 V,則Vm=6.44 V,代入式(19)可得跳變后的功率Pout=590.04 W。圖16為功率跳變跨度很小時(shí)Boost PFC變換器的輸入電壓、電流波形。由圖16可知,在跳變前、后輸入電流都能很好地跟蹤輸入電壓,并且電流變化平滑。
圖15 負(fù)載從500 W跳變到590 W時(shí)輸出電壓波形Fig.15 The output voltage waveform of load from 500 W to 590 W
圖16 負(fù)載從500 W跳變到590 W時(shí)輸入電壓和輸入電流波形Fig.16 Input voltage and input current waveforms of load from 500 W to 590 W
圖17 所示為功率跳變跨度很大時(shí)的Boost PFC 變換器的輸出電壓,發(fā)生突變后的第3 個(gè)周期的輸出電壓的峰值為268.03 V,則Vm=43.36 V,代入式(19)可得跳變后的功率Pout=245.28 W。
圖17 負(fù)載從500 W跳變到250 W時(shí)輸出電壓波形Fig.17 The output voltage waveform of load from 500 W to 250 W
圖18 所示為功率跳變跨度很小時(shí)Boost PFC變換器的輸出電壓,發(fā)生突變后的第3 個(gè)周期的輸出電壓的峰值為246.84 V,則Vm=22.16 V,代入式(19)可得跳變后的功率Pout=408.21 W。
圖18 負(fù)載從500 W跳變到410 W時(shí)輸出電壓波形Fig.18 The output voltage waveform of load from 500 W to 410 W
由圖17、圖18 所示的結(jié)果可知,輸出電壓在經(jīng)過短暫調(diào)整后,除了紋波有相應(yīng)的變化外,其直流分量幾乎不變,在0.63 s 時(shí)沒有觸發(fā)二次矯正。
圖19、圖20 所示為Boost PFC 變換器在負(fù)載跳變前后整流前的輸入電壓與電流,可以看到,負(fù)載突變不影響輸入電流跟蹤輸入電壓,輸入電流在負(fù)載跳變時(shí)變化平滑,幾乎沒有過渡過程。
圖19 負(fù)載從500 W跳變到250 W時(shí)輸入電壓和輸入電流波形Fig.19 Input voltage and input current waveforms of load from 500 W to 250 W
由上述仿真結(jié)果可知,該算法在多種負(fù)載跳變的情況下都有良好的表現(xiàn)。
本文實(shí)現(xiàn)了利用Boost PFC 輸出電壓的紋波對(duì)負(fù)載功率的變化進(jìn)行預(yù)測,利用經(jīng)過輸入輸出線性化方法得到的控制方法來實(shí)現(xiàn)負(fù)載為恒功率負(fù)載的穩(wěn)定運(yùn)行。PSIM軟件仿真表明:該方法啟動(dòng)入穩(wěn)時(shí)間快,在帶恒功率負(fù)載時(shí)幾乎無超調(diào),穩(wěn)態(tài)時(shí)能夠保持輸入電流對(duì)于輸入電壓的精準(zhǔn)跟蹤,輸出電壓亦保持恒定。在負(fù)載跳變的情況下依然可以穩(wěn)定運(yùn)行,輸出電壓能在經(jīng)過短暫的調(diào)整后穩(wěn)定在理想電壓值,電流變化響應(yīng)迅速,電流波形光滑,能一直保持穩(wěn)定運(yùn)行,顯示出所提供的方法具有良好靜態(tài)性能與迅速的動(dòng)態(tài)響應(yīng),以及對(duì)負(fù)載擾動(dòng)的強(qiáng)魯棒性。