基于模型预测的新型三电平PFC电路研究.pdf
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1、三电平功率因数校正(Power Factor Correction,PFC)电路作为一种有效降低开关管电压应力的方法,可在一定程度上减小开关损耗和滤波器的体积。为减少传统 T 型拓扑的开关管数量,降低拓扑成本即控制的复杂度,将 T 型拓扑、背靠背拓扑和三电平结构有机融合,构造出一种开关管数量少的新型三电平功率因数校正拓扑(Nnovel Three-Level Power Factor Correction Topology,NTLPT)。为有效减少该拓扑结构系统稳态误差,拓扑采用模型预测控制,可实现新型三电平功率因数校正拓扑在一个工频周期内二极管桥臂间输出三电平波形。详细分析了所提拓扑的电路结
2、构和工作原理,根据所用模型预测控制对拓扑的模型及优化目标作出了详细推导。通过MATLAB/Simulink 仿真平台,搭建了额定输入为 220 V/50 Hz,额定输出为 1 kW/400 V 的仿真试验平台。仿真结果验证了新型三电平功率因数校正拓扑的可行性和理论分析的正确性,可广泛使用。关键词:整流器;三电平;三电平功率因数校正拓扑;背靠背结构;PFC;模型预测控制Research on Three-Level PFC Circuit Topology Based on Model Prediction ControlZHOU Mohan,LI Wenjing,ZENG Yuhan,YANG
3、 Anquan,MA Hui(College of Electrical Engineering,China Three Gorges University,Yichang 443002,China)Abstract:The application of three-level power factor correction(PFC)technology can effectively reduce the switching tube voltage stress and reduce the size of the filter to some extent.To reduce the n
4、umber of switching tubes in the traditional T-topology,a novel three-level power factor correction topology(NTLPT)with a small number of switching tubes is constructed by organically integrating the T-topology and back-to-back topology.To effectively reduce the system steady-state error,the topology
5、 uses model predictive control,which enables the novel three-level power factor correction topology to output a three-level waveform between diode bridge arms in one operating frequency cycle.The paper presents a detailed analysis of the circuit structure and operating principle of the proposed topo
6、logy,and a detailed derivation of the model and optimization objectives of the topology based on the model predictive control used.Simulation experiments with input 220 V/50 Hz and rated output 1 kW/400 V are built by MATLAB/Simulink simulation platform.The simulation results verify 电力系统 收稿日期:2022-1
7、1-20基金项目:国家电网湖北省电力科技项目(202100785)。作者简介:周沫函(1997),女,硕士研究生,研究方向为多电平整流技术,;李文静(1986),女,实验师,研究方向为电气英语;曾雨涵(1998),男,硕士研究生,研究方向为多电平控制策略;杨安全(1997),男,硕士研究生,研究方向为多电平技术及电网规划;马辉(1985),男,博士,副教授,研究方向为电力电子技术以及新能源接入微网相关技术。(通信作者)引文格式:周沫函,李文静,曾雨涵,等.基于模型预测的新型三电平 PFC 电路研究 J.电力学报,2023,38(02):83-89.DOI:10.13357/j.dlxb.202
8、3.009.第 38 卷电力学报the feasibility of the new tri-level power factor correction topology and the correctness of the theoretical analysis.Key words:rectifier;three-level;three-level power-factor correction topology;back-to-back topology;PFC;predictive instantaneous current control0 引言 三电平 Boost整流器作为一种常用
9、结构,具有整流和稳压功能,其具备开关元件需承受电压应力小与开关损耗较低等优点,广泛应用在电动汽车充电桩及高效开关电源等场景1-3。T 型结构作为三电平整流器中的一种常见结构,相对传统三电平钳位型拓扑,其减少了开关管使用数量,但开关管承受的电压应力不变,故降低了拓扑使用成本,扩大了应用范围,受到众多学者的广泛关注4-10。文献 1-3 提出了部分拓扑构造方法,并对提出的拓扑作出了详细的分析,为本文基于 T 型结构构造新型拓扑提供了理论依据。三电平整流器常采用基于比例积分(PI)的 PWM 整流器电流控制,此方法存在稳态误差等问题,采用新型控制方法替代 PI控制是一种减少稳态误差的有效方法4-6,
10、其中模型预测控制是常用的方法之一,该控制可有效减少系统的稳态误差,便于系统稳定、经济运行7-10。本文结合现有文献中的推导方法,针对传统 T型三电平拓扑使用开关管数目较多的问题,提出了一种新型三电平功率因数校正拓扑(Novel Three-Level Power Factor Correction Topology,NTLPT),并分析了NTLPT不同模态下的运行情况。对所提拓扑应用模型预测控制策略,设置关于网侧输入电压电流的惩罚函数,通过寻找惩罚函数的最小值,找到电压电流的最优解,进行调整以达到优化输入电流和电容平衡的目的。最后通过搭建 MATLAB/Simulink仿真平台进行验证。结果表
11、明该拓扑可实现三电平功能,且与模型预测控制策略适应良好,能有效控制其电容电压平衡,拓扑稳态性能良好,满足单位功率因数运行等要求。1 新型三电平功率因数拓扑及其模态分析 1.1新型三电平功率因数校正拓扑结构图 1为功率可双向流通的传统 T 型三电平拓扑3,相比于传统二极管钳位型拓扑,T 型结构有更高的转换效率,能有效减少开关管数量,广泛应用于低电压大电流场合;其中类似于开关管S5、S6反向串联的结构称为背靠背结构,可有效增加拓扑可靠性。为降低成本、减少开关管数量、降低拓扑的成本与损耗,根据文献 1-3 所示的构造方法,将传统 T 型三电平拓扑中开关管整流桥臂替换为二极管桥臂,降低了器件成本。在桥
12、臂之间串入背靠背结构,桥臂与分裂电容之间插入两个开关管与两个二极管的反向组合,使开关管与二极管可承受电压应力不变,构成可单相传输的新型三电平功率因数校正拓扑(NTLPT),其拓扑结构见图 2。减少开关管的数量可降低控制的复杂性,且控制系统可控制背靠背结构中两个开关管同时开断,故在拓扑使用的开关管数目相同时,背靠背结构的控制复杂度明显降低。NTLPT 在udc/2与-udc/2模态时电流路径不同,保留了开关管 S3、S4散热均匀的特点,使其更适应于大功率密度的场合。图 2新型三电平功率因数校正拓扑Fig.2A novel three-level power factor correction t
13、opology图 1传统 T型三电平拓扑Fig.1Traditional T-type three-level topology84第 2 期周沫函,等:基于模型预测的新型三电平 PFC电路研究1.2模态分析为验证 NTLPT 的可行性,对其作工作原理进行分析。该拓扑分别在电网电压的正、负半周期运行,一个周期内 6种工作模态电路如图 3所示,其中idc为直流侧输出电流,iL为交流侧电感电流。为简化分析,假定理想条件:1)所有元件均为理想元件,不考虑寄生参数影响;2)两电容值足够大且容值相同,即C1=C2,直流输出电压恒定,R为纯阻性负载1-2。模态 1:如图 3(a)所示,网侧电源us工作于正
14、半周期,开关管S1S4全部关断,电流依次通过电感 L、二极管 D1、电容 C1、电容 C2、二极管 D4返回电源;电容 C1、C2同时充电,其中充电电流为iL-idc,电感处于放电状态,此时 a、b两点间桥臂电压uab=+udc。模态2:如图3(b)所示,网侧电源us工作于正半周期,仅有开关管S3导通,电流依次通过电感L、二极管D1、电容C1、二极管D5、开关管S3返回电源;电容C1充电,充电电流为iL-idc,此时a、b两点间桥臂电压uab=+udc/2。模态 3:如图 3(c)所示,网侧电源us工作于正半周期,开关管 S1、S2导通,其中电源电流通过开关管S2的体二极管再返回电源,实现电感
15、 L 的储能;电容 C1、C2同时向负载 R 提供能量,放电电流为 idc,此时 a、b两点间桥臂电压uab=0。模态 4:如图 3(d)所示,网侧电源us工作于负半周期,开关管 S1、S2导通,其中电源电流通过开关管 S1的体二极管再返回电源,实现电感 L的储能,此时 a、b两点间桥臂电压uab=0。模态 5:如图 3(e)所示,网侧电源us工作于负半周期,仅有开关管S4导通,电流依次通过二极管D6、开关管S4、电容 C2、二极管D2、电感 L再返回电源,此时 a、b两点间桥臂电压uab=-udc/2。模态 6:如图 3(f)所示,网侧电源us工作于负半周期,开关管S1S4全部关断,电流依次
16、通过二极管D3、电容 C1、电容 C2、二极管D2、电感 L 再返回电源;此时电容 C1、C2同时充电,其中充电电流为iL-idc,此时 a、b两点间桥臂电压uab=-udc。由上述模态分析,可得开关状态表,如表1所示。其中S1S4为开关管开关状态:1表示开关管处于导通状态,0表示开关管处于关断状态;iL项中+表示此模态处于电源正半周期,表示此模态处于电源负半周期。图 3NTLPT六种工作模态Fig.3Six working modes of NTLPT表 1NTLPT 开关状态表Tab.1Switchs status table of NTLPT模态12iL+uab+udc+udc/2S10
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