CPLD在单周控制三相PFC控制电路中的应用_路永福
CPLD 在单周控制三相PFC 控制电路中的应用
路永福1，戴志平2
(1．空军雷达学院研究生管理大队，湖北
武汉
430019；2.空军雷达学院信息与指挥自动化系，湖北
武汉
430019)
摘要：提出了一种基于单周控制三相功率因数校正的简单数字化实现方法．利用CPLD 芯片灵活的编程
逻辑、大容量的存储功能等特点设计出PWM 调制模块实现逻辑控制，并通过仿真实验实现了单周控制的功率因数校正．
关键词：单周控制；功率因数校正；复杂可编程逻辑器件中图分类号：TM46
文献标识码：A
随着非线性负载的电力电子装置应用日益广泛，电网系统中的谐波污染也日趋严重，因此对削除谐波污染的方案研究逐渐成为一个热点问题．单周控制技术（One Cycle Control ）
是一种工作在恒频方式下，利用开关变换器的脉冲和非线性特性，对开关变量的平均值进行不间断的动态控制的新型通用方法，它只需要一个极短的转换过程，就能在一个开关周期内达到新的稳态．在控制参考和开关变量的平均值之间几乎没有稳态误差和动态误差，且响应速度快，抑制干扰的能力强，系统的鲁棒性好，并能对开关变量误差自纠正．
根据单周控制思想，采用复杂可编程逻辑器件（CPLD ），设计出单周控制电路模块，该模块具有可编程性和方案通用性，在实际应用中只需根据电路的实际工作要求改动外围电路的设置，即可达到功率因数校正，同时应用CPLD 降低了电路的复杂性，提高了系统的集成度，通过实验仿真验证了方案的可行性．
1电路结构及原理
本文以三相三开关并联双Boost 整流器
拓
扑为例，整个电路由主电路（见图1）、采样电路、转
换电路和PFC 控制电路（见图2）组成．
根据三相电压变化情况，以A 相过零点作为三相电压的零相位点．将1个工频周期的三相电压均分为6个区域，每60°区域，3个开关将出现两种工作模式：1个开关断开，另2个开关进行开关动作．以（0°~60°）区间为例，u a >0、u c >0、u b <0且
>
、
>
，此时开关的工作情况为V Sb 断
开，V Sa 和V Sc 进行高频斩波控制，使得电感电流i La 和i Lc 分别跟随相电压u a 、u c ，实现三相的功率因数校正功能．
（0°~60°）解耦之后的等效电路如图3所示，各
元件参数分别为：u p =u ab ，u n =u cb ，L p =L a ，L n =L c ，
L t =L b ，V S p =V S ab ，V S n =V S bc ，V D p =V D ap ，V D n =V D cp ，V D t =V D bp ，为了实现三相PFC 功率因数校正，其控制
收稿日期：2005-06-28；修订日期：2005-07-14
作者简介：路永福(1980
B R L
Dan Dbn Dcn
图1主电路拓扑结构
u p
u n
L p L n
V Dp
V Dn
V sn
V sp
L t V Dt
C
图3（0°~60°）等效电路
区域选择电路
LPF
LPF
信
号
选择
逻辑电路
-i La i Lb i Lc
-i Lc R S Q
V Sb
第3期
路永福，等：CPLD 在单周控制三相PFC 控制电路中的应用53
目的是使每一相1个开关周期的电感电流均值跟
随正弦相电压，即
u a =R e
i b u c =R e
u p *=
21
3
u b
1
u c =u 0
〈i Lp 〉=〈i La 〉=i a u n
*
=
21
3
u b
1
u a =u 0
〈i Ln 〉=〈i Lc 〉=i c
(2)
因此，三相PFC 的控制目的可写为
〈〉
〈i Lp 〉u n *
=R e
1d n
u 0
R s
2112
(4)
式中R s 为传输电路的等效电阻(设所有的等效电阻都等于R s )，d p 和d n 是开关V Sp 和V Sn 的占空比．则
u m =u
R e (5)式中u m 为环路补偿电压的输出，u 0为电路的输出电压．于是等式（3）可写为
u m
1d n
〈i Lp 〉〈i Ln 〉
开关频率
图4CPLD 模块应用拓扑结构
开始A 相过零检测延时
延时
延时
延时
延时
延时
对A 、C
相采样
对B 、C 相采样对A 、B 相采样对C 、A 相采样对B 、A 相采样对C 、B 相采样
占空比计算PWM 波产生
图5设计流程
10.0
s
30.0
s
50.0
s
70.0
54空军雷达学院学报2005年
4结束语
本文在分析三相功率因数校正原理的基础上，给出了使用CPLD来实现控制，仿真及实际结果达到预期的目标．由于使用了CPLD使得实际控制电路大大简化，用1块CPLD代替了信号选择、区域选择、滤波、积分复位控制、逻辑控制等电路，直接输出控制开关的信号，使得控制方法更为简单，提高了系统的集成度和可靠性，特别是该算法的可移植性和在线实时控制策略具有广泛的应用前景．参考文献：
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技术出版社，2003．
Application of CPLD in One-cycle Control to the3-phase PFC
LU Yong-fu1,DAI Zhi-ping2
(1.Department of Graduate Management,AFRA,Wuhan430019,China;
2.Dapartment of Information&Command Automation,AFRA,Wuhan430019,China)
Abstract：A simple method to achieve one-cycle control of3-phase power factor was presented.By flexible programmable logic and high capacity memory of CPLD,the PWM modulator can be designed to achieve logic control,which realizes the power factor correction.
Key words：one-cycle control；power factor correction（PFC）；complex programmable logic device(CPLD) (上接第51页)
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Network Simulation of the IEAIS Information
FAN Zhao-yong1，ZHOU Jun2
(1.Department of Graduate Management,AFRA,Wuhan430019,China；2.Division of Science Research,AFRA,Wuhan430019,China)
Abstract：Network simulation is a technology of network plan,design and analysis.It can test and verify the validity of the practical scheme and compare multiple different network design schemes,so that the credible quantificational basis can be provided in the network plan and design.The whole process of IEAIS communication network simulation was analyzed in detail by means of network simulation,and a practical simulation example of the transmission of IEAIS information based on the new simulation tool OPNET was presented as well.Such an example presents the feasibility of network simulation method in solving“what…if…”questions which emerge in the research of IEAIS information network.
Key words：IEAIS；information network；network simulation
单相PWM整流器直接电流控制策略的研究
单相PWM整流器直接电流控制策略的研究 【摘要】通过对单相PWM整流器的控制思路的提出，分析并总结了单相PWM整流器直接电流控制的几种控制策略，分析了每种策略的工作原理和优缺点，并总结和展望了单相PWM整流器直接电流控制技术的发展趋势。 【关键词】单相PWM整流器；直接电流控制 1.前言 随着电力电子技术的发展，功率电子设备的应用越来越广泛，致使大量的非线性负载涌入电网，给电力系统的电压和电流都带来了越来越严重的谐波污染。而PWM整流器提高了系统的功率因数，降低了对电网的谐波污染，得到了人们的重视。 根据输入电感电流状态PWM整流器可分为电流断续工作模式（DCM）和电流连续工作模式（CCM），由于CCM模式具有输入输出电流纹波小、滤波容易、器件导通损耗小、适用于大功率场合等优点，得到了更多地关注。在CCM 模式中，根据是否直接选取瞬态电感电流作为反馈量，又可分为直接电流控制和间接电流控制。间接电流控制结构简单、无需电流传感器，但是它最大的缺点是电流动态响应缓慢，甚至交流侧电流中含有直流分量，且对系统参数波动较敏感。相对于间接电流控制，直接电流控制把整流器的输入电流作为反馈和被控量，形成电流闭环控制，使电流动、静态性能得到了提高，同时也使网侧电流控制对系统参数不敏感，从而增强了电流控制系统的鲁棒性[2][3]。所以，直接电流控制技术有着非常广阔的应用前景和使用价值。 2.单相电压PWM整流器原理框图 单相电压型PWM整流器的拓扑结构如图1所示，它主要由三部分组成：交流回路、功率开关桥路、直流回路。其中交流回路包括交流电动势、网侧电阻及网侧电感等；直流回路包括由电感和电容组成的串联谐振电路用来滤除电网的2次谐波分量、滤波电容及负载等；功率开关桥路由四个反并联二极管的IGBT组成[1]。 单相PWM逆变器的控制思路是：在保证直流侧电压稳定的情况下，使交流侧的电流与电压尽可能的保持同相位，从而使交流侧的功率因数为1。 3.单相PWM整流器直接电流控制技术分析 直接电流控制根据控制方式的不同，又可分为滞环电流控制、峰值电流控制、预测电流控制、平均电流控制、状态反馈控制单周控制等。 3.1 峰值电流控制
开关电压冲击电流控制方法..
开关电源的冲击电流控制方法 开关电源的输入一般有滤波器来减小电源反馈到输入的纹波，输入滤波器一般有电容和电感组成∏形滤波器，图1. 和图2. 分别为典型的AC/DC电源输入电路和DC/DC电源输入电路。 由于电容器在瞬态时可以看成是短路的，当开关电源上电时，会产生非常大的冲击电流，冲击电流的幅度要比稳态工作电流大很多，如对冲击电流不加以限制，不但会烧坏保险丝，烧毁接插件，还会由于共同输入阻抗而干扰附近的电器设备。
图3.通信系统的最大冲击电流限值（AC/DC电源） 图4.通信系统在标称输入电压和最大输出负载时的冲击电流限值（DC/DC电源） 欧洲电信标准协会(the European Telecommunications Standards Institute)对用于通信系统的开关电源的冲击电流大小做了规定，图3为通信系统用AC/DC电源供电时的最大冲击电流限值[4]，图4为通信系统在DC/DC电源供电，标称输入电压和最大输出负载时的最大冲击电流限值[5]。图中It为冲击电流的瞬态值，Im为稳态工作电流。 冲击电流的大小由很多因素决定，如输入电压大小，输入电线阻抗，电源内部输入电感及等效阻抗，输入电容等效串连阻抗等。这些参数根据不同的电源系统和布局不同而不同，很难进行估算，最精确的方法是在实际应用中测量冲击电流的大小。在测量冲击电流时，不能因引入传感器而改变冲击电流的大小，推荐用的传感器为霍尔传感器。
2. AC/DC开关电源的冲击电流限制方法 2.1 串连电阻法 对于小功率开关电源，可以用象图5的串连电阻法。如果电阻选得大，冲击电流就小，但在电阻上的功耗就大，所以必须选择折衷的电阻值，使冲击电流和电阻上的功耗都在允许的范围之内。 图5. 串连电阻法冲击电流控制电路（适用于桥式整流和倍压电路，其冲击电流相同）串连在电路上的电阻必须能承受在开机时的高电压和大电流，大额定电流的电阻在这种应用中比较适合，常用的为线绕电阻，但在高湿度的环境下，则不要用线绕电阻。因线绕电阻在高湿度环境下，瞬态热应力和绕线的膨胀会降低保护层的作用，会因湿气入侵而引起电阻损坏。 图5所示为冲击电流限制电阻的通常位置，对于110V、220V双电压输入电路，应该在R1和R2位置放两个电阻，这样在110V输入连接线连接时和220V输入连接线断开时的冲击电流一样大。对于单输入电压电路，应该在R3位置放电阻。 2.2 热敏电阻法 在小功率开关电源中，负温度系数热敏电阻（NTC）常用在图5中R1，R2，R3位置。在开关电源第一次启动时，NTC的电阻值很大，可限制冲击电流，随着NTC的自身发热，其电阻值变小，使其在工作状态时的功耗减小。 用热敏电阻法也由缺点，当第一次启动后，热敏电阻要过一会儿才到达其工作状态电阻值，如果这时的输入电压在电源可以工作的最小值附近，刚启动时由于热敏电阻阻值还较大，它的压降较大，电源就可能工作在打嗝状态。另外，当开关电源关掉后，热敏电阻需要一段冷却时间来将阻值升高到常温态以备下一次启动，冷却时间根据器件、安装方式、环境温度的不同而不同，一般为1分钟。如果开关电源关掉后马上开启，热敏电阻还没有变冷，这时对冲击电流失去限制作用，这就是在使用这种方法控制冲击电流的电源不允许在关掉后马上开启的原因。
基于改进型电流控制策略的单相并网逆变装置研究
第31卷第2期2012年4月 电工电能新技术 Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy Vol．31，No．2Apr．2012 收稿日期：2011-07-05基金项目：广东省教育部产学研结合项目（2009B090300424）；广东省科技计划项目（2010A010200004）；2010年粤港关 键领域重点突破招标项目“风光互补分布式发电并网控制系统关键技术及产业化” （20100107-3）作者简介：曾晓生（1984-），男，广东籍，硕士研究生，从事光伏控制技术研究； 杨 苹（1967-），女，广西籍，教授，博士生导师，从事电力电子系统分析与控制研究。 基于改进型电流控制策略的单相并网逆变装置研究 曾晓生，杨 苹 （华南理工大学电力学院，广东省绿色能源技术重点实验室，广东广州510640） 摘要：单相并网逆变装置的性能主要取决于其控制技术，传统的并网电流瞬时值单环PI 控制虽然能够获得快速的动态性能，但不能保证输出电流幅值的精度且系统会受电网电压影响。针对以上问题，本文提出了并网电流平均值外环和瞬时值内环的双环控制策略，提高了系统的精度，并在内环加入电网电压前馈环节，消除了电网电压的干扰。通过仿真实验和样机对比实验证明了所提方案的有效性。 关键词：并网逆变；电流控制；双环控制；平均值外环；电网电压前馈 中图分类号：TM464 文献标识码：A 文章编号：1003- 3076（2012）02-0056-041引言 在风能、太阳能并网发电系统中，并网逆变装置 是最为核心的部分。而控制算法的改进是优化并网逆变装置的关键。高性能的逆变器不但动态响应快，而且稳态精度高，抗干扰能力强，系统稳定。 对于单相并网逆变装置，目前广泛应用电流控制的控制方式［1］ ，使逆变器相当于一个电流源。闭 环控制电流的方法有电流瞬时值PI 控制、电流滞环 控制 ［2］ 、单周控制［3］和无差拍控制［4］ 等。其中电流 瞬时值PI 控制已经是工程应用中比较成熟有效的方法，具有简单、易实现的优点，能够使并网逆变器的输出电流快速地跟踪参考电流的变化，有良好的动态性能。随着研究的不断深入，从该方法已经发展出直接电流控制、间接电流控制和混合控制等不同的策略 ［5］ 。然而，单独的电流瞬时控制环不能满 足系统输出精度的要求。因此本文在电流瞬时值PI 控制的基础上加入电流平均值外环，使逆变装置不但有快速的动态性能， 而且有很高的电流幅值精度。同时在电流瞬时值内环加入电网电压前馈，使系统不受电网电压的影响。 2拓扑结构和电流瞬时值内环数学模型 为了设计电流平均值外环，需要首先确定系统 拓扑和建立电流瞬时值内环的控制模型。2.1 拓扑结构 本文选用的逆变系统拓扑结构如图1所示 。 图1系统拓扑结构Fig．1 System topology 图1中，U d 是直流母线电压，电容C 起缓冲无功能量的作用， 逆变电路为电压型单相全桥电路，选用IGBT 作为开关管，每个开关管都并联了一个反馈二极管，为交流侧向直流侧反馈无功能量提供通道。采用单电感的滤波电路， R 为滤波电感及交流进线等效阻抗。在此系统结构上，建立并网电流瞬时值控制模型。2.2 电流瞬时值内环数学模型由图1可以得到以下等式：
PFC的CCM控制策略
PFC的CCM控制策略 PFC的控制策略按照输入电感电流是否连续,分为电流断续模式(DCM)和电流连续模式(CCM),以及介于两者之间的临界DCM(BCM)。有的电路还根据负载功率的大小,使得变换器在DCM和CCM之间转换,称为混连模式(Mixed Conduclion Mode一一MCM)。而CCM根据是否直接选取瞬态电感电流作为反馈量,又可分为直接电流控制和间接电流控制。直接电流控制检测整流器的输入电流作为反馈和被控量,具有系统动态响应快、限流容易、电流控制精度高等优点。本文总结了PFC技术的直接电流控制策略,对比分析了几种典型控制策略的优缺点,指出了这些控制技术的发展趋势。 直接电流控制有峰值电流控制、滞环电流控制、平均电流控制,预测电流控制、无差拍控制、单周控制、状态反馈控制、滑模变结构控制、模糊控制等方式。 1 各种直接电流控制策略1.1 峰值电流控制峰值电流控制的输入电流波形如图1所示,开关管在恒定的时钟周期导通,当输入电流上升到基准电流时,开关管关断。采样电流来自开关电流或电感电流。峰值电流控制的优点是实现容易,但其缺点较多： 1)电流峰值和平均值之间存在误差,无法满足THD很小的要求; 2)电流峰值对噪声敏感; 3)占空比0.5时系统产生次谐波振荡; 4)需要在比较器输入端加斜坡补偿器。 故在PFC中,这种控制方法趋于被淘汰。 1.2 滞环电流控制滞环电流控制的输入电流波形如图2所示,开关导通时电感电流上升,上升到上限阈值时,滞环比较器输出低电平,开关管关断,电感电流下降;下降到下限阈值时,滞环比较器输出高电平,开关管导通,电感电流上升,如此周而复始地工作,其中取样电流来自电感电流。 滞环电流控制是一种简单的Bang-hang控制,它将电流控制与PWM调制合为一体。结构简
PFC直接电流控制策略综述
PFC直接电流控制策略综述 PFC的控制策略控制策略按照输入电感电流是否连续,分为电流断续模式(DCM)和电流连续模式(CCM),以及介于两者之间的临界DCM(BCM)。有的电路还根据负载功率的大小,使得变换器变换器在DCM和CCM之间转换,称为混连模式(Mixed Conduclion Mode一一MCM)。而CCM根据是否直接选取瞬态电感电流作为反馈量,又可分为直接电流控制电流控制和间接电流控制。直接电流控制检测整流器的输入电流作为反馈和被控量,具有系统动态响应快、限流容易、电流控制精度高等优点。本文总结了PFC技术的直接电流控制策略,对比分析了几种典型控制策略的优缺点,指出了这些控制技术的发展趋势。直接电流控制有峰值电流控制、滞环电流控制、平均电流控制,预测电流控制、无差拍控制、单周控制、状态反馈控制、滑模变结构控制、模糊控制等方式。 1 各种直接电流控制策略1.1 峰值电流控制峰值电流控制的输入电流波形,开关管在恒定的时钟周期导通,当输入电流上升到基准电流时,开关管关断。采样电流来自开关电流或电感电流。峰值电流控制的优点是实现容易,但其缺点较多： 1)电流峰值和平均值之间存在误差,无法满足THD很小的要求; 2)电流峰值对噪声敏感; 3)占空比>0.5时系统产生次谐波振荡; 4)需要在比较器输入端加斜坡补偿器。故在PFC中,这种控制方法趋于被淘汰。1.2 滞环电流控制滞环电流控制的输入电流波形,开关导通时电感电流上升,上升到上限阈值时,滞环比较器输出低电平,开关管关断,电感电流下降;下降到下限阈值时,滞环比较器输出高电平,开关管导通,电感电流上升,如此周而复始地工作,其中取样电流来自电感电流。 滞环电流控制是一种简单的Bang-hang控制,它将电流控制与PWM调制合为一体。结构简单,实现容易,且具有很强的鲁棒性和快速动态响应能力。其缺点是开关频率开关频率不固定,滤波器设计困难。目前,关于滞环电流控制改进方案的研究还很活跃,目的在于实现恒频控制。将其他控制方法与滞环电流控制相结合是SPWM电流变换器电流控制策略的发展方向之一。1.3 平均电流控制平均电流控制的输入电流波形。平均电流控制将电感电流信号与锯齿波信号相加。当两信号之和超过基准电流时,开关管关断,当其和小于基准电流时,开关管导通。取样电流来自实际输入电流而不是开关电流。由于电流环有较高的增益带宽、跟踪误差小、瞬态特性较好。THD(<5％)和EMI小、对噪声不敏感、开关频率固定、适用于大功率应用场合,是目前PFC中应用最多的一种控制方式。其缺点是参考电流与实际电流的误差随着占空比的变化而变化,能够引起低次电流谐波。 1．4 预测电流控制预测电流控制就是通过对输入、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,选择优化的电压矢量(脉冲宽度)作用于下一个周期,使实际电流在一个周期内跟踪卜参考电流,实现稳态无误差。其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,数字化实现简单。其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。1．5 单周控制(积分复位控制) 单周控制是一种非线性控制,同时具有调制和控制的双重性。其原理。单周控制通过复位开关、积分器、触发电路、比较器达到跟踪指令信号的目的。 这种方法的基本思想是通过控制开关占空比,在每个周期内强迫开关变量的平均值与控制参考量相等或成一定比例,从而在一个周期内自动消除稳态、瞬态误差,前一周期的误差不会带到下一周期。单周控制能优化系统响应、减小畸变和抑制电源干扰,具有反应快、开关频