低谐波高功率因素的单相整流电路的预测电流控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电气工程技术领域，具体地，涉及一种低谐波高功率因素的单相整流 电路的预测电流控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着电力电子技术的不断发展，电力电子器件在各行各业有诸多应用，但许多电 力电子器件会产生谐波污染，影响电网的电能质量。因此国家要求接入电网的用电设备所 产生的电流谐波需要达到相关的国家标准。
[0003] 经检索，专利CN103312199A，"直接网侧功率控制的单相功率因素校正器"介绍了 一种单相功率因素校准的方法。这种方法通过在直流侧增加DC-DC变换器，利用检测到的 直流侧电压电流大小，对网侧功率进行直接控制，以达到功率因素校准的目的。但这种方法 对输入电流没有进行直接控制，输入电流的谐波不能得到有效控制。
[0004] 朱荣伍和伍小杰等.《采用比例谐振调节器的单相电压型PffM整流器》.高电压技 术.V36,No. 8, 2010. 8:2095-2100 ;这种方法采用母线电压外环和输入电流内环的双闭环 控制，且电流内环采用比例谐振控制器能够实现交流量的稳态无静差控制。这种方法对输 入电流进行直接闭环控制，使得功率因素提高的同时，又抑制了输入电流中的谐波含量。但 这种方法不能适应整流器的负载大小会进行变化、直流侧电容较小的工作场合，因为直流 侧电压波动的加大时，其电压外环响应速度不够快，使得电流跟踪较差，电流谐波增大、功 率因素降低。
[0005]现有技术虽然能一定程度上提高单相整流器的输入功率因素，降低输入电流的谐 波含量，但输入电流谐波含量依然偏高，功率因素依然难以接近1。特别在整流器的负载大 小会发生较大变化、直流侧电容较小时，现有技术难以适应直流侧电压波动加大的新情况， 会出现输入谐波大幅增加，功率因素急剧下降的问题。
【发明内容】
[0006]针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种低谐波高功率因素的单相整流 电路的预测电流控制方法，实现对单相整流电路实现可以不受负载大小变化和直流侧电压 波动影响的低谐波高功率因素控制。
[0007] 为实现以上目的，本发明提供一种低谐波高功率因素的单相整流电路的预测电流 控制方法，通过对单相可控整流电路的预测电流控制，实现输入电流谐波的大幅降低和单 位输入功率因素。所述控制方法采用电压外环电流内环的双闭环控制，包括如下步骤：
[0008]第一步、计算给定输入电流，并分别计算下一个开关周期各个开关状态对应的输 入电流预测值；
[0009]第二步、计算各个开关状态对应的输入电流预测值与给定输入电流的差值，选择 其中差值的绝对值最小的开关状态作为下一个开关周期所采用的开关开通关断的状态。
[0010] 优选地，第一步中：
[0011] 首先，直流侧电压外环采用PI控制器，由电压外环得到母线电容吸收的功率 (Pdc*)，即通过给定直流侧电压（Udc*)与实际直流侧电压（Udc)的差值经过一个PI控制 器得到母线电容吸收的功率（Pdc*);
[0012] 接着，将母线电容吸收的功率（Pdc*)加上后端输出的功率（Pout)得到整流器的 输入功率（Pin*);
[0013] 然后，将输入功率（Pin*)除以电网电压的有效值得到给定输入电流的有效值；
[0014] 最后，给定输入电流的有效值乘以电网角度对应的正弦值得到与电网电压同相变 化的给定电流；该给定电流既满足单位功率因素的要求，又满足低谐波含量的要求，且能够 跟随负载的大小进行变化。
[0015] 更优选地，当直流侧电容较小、负载较大时，所述直流侧电压的波动将会加大，此 时需要改变给定直流侧电压为一个二倍电网频率变化的波动量，以便实际直流侧电压能够 很好的跟随给定值。
[0016] 更优选地，所述电网角度通过锁相环得到。
[0017] 优选地，第一步中，输入电流内环采用预测电流控制，根据单相可控整流电路的电 流预测模型，分别计算下一个开关周期各个开关状态对应的电流预测值，可立电压方程如 下：
[0019] 式中：u为电网电压，i输入电流，R为输入侧线路电阻，L为输入电感，V为整流器 产生的电压；
[0020] 将式（1)在第（k+1)个采样周期的时刻处离散化后的表达式如下：
[0022] 式中：Ts为采样周期时间；u(k)是指第k个采样周期时刻的电网电压，Ri(k+1)是 指Ri(k+1)代表R与i(k+1)相乘，i(k)是指第k个采样周期时刻的输入电流，i(k+1)是指 第（k+1)个采样周期时刻的输入电流，V(k+1)是指第（k+1)个采样周期时刻的整流桥产生 的电压；
[0023] 由于一个采样周期很短，假设u(k+1)~u(k)，对式（2)进行整理得以下表达式：
[0025] 根据式（3)即可求得各个开关状态对应的输入电流的预测值。
[0026] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0027] 本发明解决了传统控制方法下单相可控整流电路输入电流谐波含量较高、功率因 素偏低的问题，特别在整流器的负载大小会发生变化、直流侧电容较小的工作场合，由于直 流侧电压波动的加大，传统的控制方法会出现输入谐波大幅增加，功率因素急剧下降的问 题。本发明对单相整流电路实现可以不受负载大小变化和直流侧电压波动影响的低谐波高 功率因素控制，且由于仅有一个PI控制器，控制器参数容易调节；同时可以省去一般的电 流预测方法中先产生参考电压矢量再进行PWM调制的繁琐过程。
【附图说明】
[0028] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
[0029] 图1为本发明一实施例的三种单相可控整流电路结构示意图；
[0030] 图2为本发明一实施例的控制框图；
[0031] 图3为本发明一实施例的控制流程图。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明 的保护范围。
[0033] 本发明提供一种低谐波高功率因素的单相整流电路的预测电流控制方法，所述方 法对单相可控整流电路进行电流预测控制，实现输入电流谐波的大幅降低和单位输入功率 因素；如图3所示，一种低谐波高功率因素的单相整流电路的预测电流控制方法的控制流 程图，包括以下步骤：
[0034] 第一步：计算给定输入电流。
[0035] 首先由电压外环得到母线电容吸收的功率（Pdc*)，即通过给定直流侧（Udc*)电 压与实际直流侧电压（Udc)的差值经过一个PI控制器得到母线电容吸收的功率（Pdc*)。接 着将母线电容吸收的功率加上后端输出的功率（Pout)得到整流器的输入功率（Pin*)。然 后将输入功率除以电网电压的有效值可以得到给定输入电流的有效值。这是由于电网电压 比较稳定，且可以被实时测量，其有效值可以认为是一个已知恒定量。最后，给定输入电流 的有效值乘以电网角度对应的正弦值得到与电网电压同相变化的给定电流。这一给定电流 既满足单位功率因素的要求，又满足低谐波含量的要求，且能够跟随负载的大小进行变化。 如图2所示。
[0036] 第一步中需要说明的是当直流侧电容较小，负载较大时，直流侧电压的波动将会 加大，此时需要改变给定直流侧电压为一个二倍电网频率变化的波动量，以便实际直流侧 电压能够很好的跟