專利名稱：一種功率因數自適應控制方法
技術領域：
本發明屬于電力系統控制技術領域，具體地說，是涉及一種用于改善電力系統功率因數的控制方法。
背景技術：
在電力系統中，電力質量的定量測量通常有兩個要素，即功率因數(PowerFactor,PF)和總諧波失真量(Total Harmonic Distortion,THD)。大多數電力電子設備在應用過程中都會對電力系統造成不同程度的干擾影響，特別是需要變流的電源設備，例如整流器、UPS系統、變頻傳動系統、晶閘管系統等，變流后的電流輸出通常為斷續、短暫的高峰值電流脈沖，由此產生的電路損耗、總諧波含量和輻射干擾都將明顯增加。為了提高電力系統的利用率，需要在電力電子設備中，連接電力系統的供電線路中增加功率因數校正器，功率因數校正PFC (Power Factor Correction)技術可以有效降·低諧波含量，提高功率因數，減少無功功率，高效率無污染的利用電網電能。目前，隨著數字控制技術和集成IC的快速發展，PFC技術在電路拓撲結構和控制技術上都有了明顯的進步。但是，這些PFC技術都是在基于恒定電源頻率的基礎上研究產生并加以應用的。例如我國目前采用的是50Hz的交流電源，針對國內機型提出的PFC技術僅適用于對50Hz的交流電源進行功率因數校正。而對于采用60Hz交流供電的國家來說，這些PFC技術就不適用了。這就使得PFC技術在出口產品上的應用受到了很大的限制，需要技術人員針對出口機型重新設計適用于60Hz交流供電的PFC技術，由此造成了研發周期長，生產效率低下等一系列問題。

發明內容
本發明的目的在于提供一種功率因數自適應控制方法，在減少電源諧波含量、提高電源利用率的同時，可以實現對不同頻率交流電源的自適應控制。為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案予以實現
一種功率因數自適應控制方法，在對交流輸入電源進行整流變換的整流橋的直流側連接斬波器，通過處理器產生脈沖信號控制所述斬波器通斷，以生成平滑的直流母線電壓Vdc ;所述脈沖信號的產生過程為
獲取所述交流輸入電源的電壓正弦波形，從所述電壓正弦波形中選取N個采樣點，并對每個采樣點的正弦值取絕對值，形成第一電壓參考值Vs ；
將所述直流母線電壓Vdc與設定的目標電壓Vdc-ref進行比較，并進行電壓誤差補償處理后，生成第二電壓參考值Vpi ；
在一個交流周期內對所述交流輸入電源的交流電壓Vac進行N次采樣，對每個采樣點的電壓值取絕對值后，計算N個電壓值的平均值，對所述平均值進行平方運算后取倒數，形成第三電壓參考值Vcomp ；
將三個電壓參考值相乘后，作為電流參考值Iac-ref與整流橋整流輸出的直流母線電流Iac進行比較，并進行電流誤差補償處理后，輸出計算結果Ipi ；
利用所述計算結果Ipi確定脈沖信號的占空比，形成所述的脈沖信號。優選的，在所述形成第一電壓參考值Vs的過程中，優選根據所述交流輸入電源的交流電壓峰值，利用正弦值查表法形成所述交流輸入電源的電壓正弦波形。進一步的，在所述形成第一電壓參考值Vs和形成第三電壓參考值Vcomp的過程中，還包括確定采樣點個數N的步驟
處理器以固定的AD采樣頻率采集交流電壓Vac的瞬時值，當采集到的交流電壓瞬時值Vac (η)為正數,而Vac (η_1)為負數時,判定Vac (η)是過零點，記錄兩個過零點之間的采集個數，即為一個交流電壓周期的采樣點個數N。
為了消除高頻干擾信號的影響，保證檢測的可靠性，對所述采樣點個數N進行容錯處理，步驟如下
設定交流輸入電源的頻率范圍為ΗΓΗ2，則交流輸入電源的周期范圍為tl、2，其中，tl=l/H2,t2=l/Hl ；
計算N的有效范圍為N1 N2，其中，Nl=tl/T，N2=t2/T, T為處理器的AD采樣周期；
從上一個過零點到本次過零點，如果N的記錄個數在所述的有效范圍內，則本次過零點是有效過零點；否則將本次過零點作為無效過零點處理，繼續累加記錄采集個數，直到下一個過零點，然后重復執行本步驟的有效過零點判斷過程，直到生成在有效范圍內的采樣點個數N。優選的，所述交流輸入電源的頻率范圍設定在45Hz飛5Hz之間，由此形成的功率因數自適應控制方法可以適用于對50Hz和60Hz的交流電源進行功率因數校正。又進一步的，在所述形成第一電壓參考值Vs的過程中，以過零點為起始點，將交流電壓Vac的一個周期(Γ2 π用(Γ2Η-1表示，其中P為處理器的數據處理位數，則每一個數值對應的弧度值為2 π /215'計算每一個所述的弧度值所對應的正弦值，由此形成一個正弦值表；
設定查表步長為2Ρ_7Ν，按照查表步長對所述正弦值表進行查表；將所述交流輸入電源的交流電壓峰值與每一次查表所得到的正弦值相乘，相乘的積取絕對值，形成所述的第一電壓參考值Vs。由于N值的計算結果與交流輸入電源的頻率相關聯，因而由此形成的第一電壓參考值Vs與所述交流輸入電源同頻率。再進一步的，在所述形成第三電壓參考值Vcomp的過程中，以過零點為起始點，在交流輸入電源的一個交流周期內，對所述交流電壓Vac進行N次采樣，對采集到的N個交流電壓瞬時值取絕對值后求取平均值，并對所述平均值進行平方運算后取倒數，形成所述的第三電壓參考值Vcomp。優選的，對于所述電壓誤差補償處理和電流誤差補償處理過程優選采用PID運算處理方式，即
所述電壓誤差補償處理過程為求取所述目標電壓Vdc-ref與直流母線電壓Vdc之間的差值，代入PID運算公式計算生成結果Ipi?？紤]到負載功率的不同，優選將所述三個電壓參考值相乘后，再乘以系數KM，形成所述的電流參考值Iac-ref ;其中，所述系數KM在2_10的范圍內取值。更進一步的，所述脈沖信號的頻率Fl等于處理器的AD采樣頻率，利用所述計算結果Ipi確定脈沖信號的占空比的過程為
a、根據脈沖信號的頻率F1、處理器的主頻FCY以及處理器中比較器工作頻率的預分頻值Pl，計算載波頻率寄存器的值0C1TMR，即
—=(0C1TMR + 1)*—!—； i l '+FCY
b、將計算結果Ipi寫入占空比寄存器；
C、比較器在其工作的每一個時鐘周期計數一次，并將計數值與占空比寄存器的值進行一次比較，如果計數值與占空比寄存器的值相等，則產生匹配中斷；
d、所述處理器在匹配中斷產生前，輸出控制斬波器導通的高電平，在匹配中斷產生時反轉變為低電平，直到比較器的計數值等于OClTMR時復位成高電平，并對比較器的計數值清零；重復執行fd，形成所述的脈沖信號。與現有技術相比，本發明的優點和積極效果是本發明的功率因數校正方法不僅可以減少電源諧波含量，提高電源的利用率，而且可以在不同頻率的交流電源上實現自適應控制。將該方法應用在目前的變頻空調產品中，不僅適用于基于50Hz交流電源輸入的本國空調器，同樣也適用于基于60Hz交流電源輸入的出口空調器機型，真正達到了一次開發、多機型適用的設計目的，大大縮短了產品的開發周期，降低了研發成本。結合附圖閱讀本發明實施方式的詳細描述后，本發明的其他特點和優點將變得更加清楚。


圖I是有源PFC電路的拓撲結構示意 圖2是本發明所提出的功率因數自適應控制方法的一種實施例的控制流程 圖3是圖2中第一電壓參考值Vs的生成方法的一種實施例的生成流程 圖4是圖2和圖3整合后的整體系統架構 圖5是圖2中輸出比較PWM模塊的工作原理示意 圖6是PFC不啟動時交流輸入電源的電流測試波形 圖7是PFC啟動后交流輸入電源的電流測試波形 圖8是為支持本發明所提出的功率因數自適應控制方法而設計的有源PFC電路的一種實施例的硬件架構框 圖9是圖8中電流保護電路的一種實施例的電路原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
進行詳細地描述。PFC是Power Factor Correction的英文縮寫，即功率因數校正。功率因數指的是有效功率與總耗電量(視在功率)之間的關系，也就是有效功率除以總耗電量(視在功率)的比值。基本上，功率因數可以衡量電力被有效利用的程度，功率因數的值越大，代表電力的利用率越 高。為了提高電網電能的利用率，減少電力電子設備對電網造成的干擾影響，在絕大部分電力電子設備的電源電路設計中要求增加PFC電路，以提高電源的轉換效率?？紤]到不同國家的電網所采用的電源頻率不同，有的是50Hz，有的是60Hz，為了使設計出來的PFC電路能夠適用于不同頻率的交流輸入電源，本實施例提出了一種功率因數自適應控制方法，可以實現有源PFC在50Hz、60Hz等不同頻率交流電源上的自適應控制。下面首先對有源PFC電路的基本硬件拓撲結構進行具體說明，參見圖I所述。在有源PFC電路中主要包括處理器、電感LI和斬波器。其中，電感LI為支持大電流通過的電抗器，在電路中起到儲能的作用。電網提供的工頻交流電源AC首先輸入到整流橋整流成單向直流電源，然后經由電感LI傳輸至斬波器。所述斬波器在處理器輸出的脈沖信號的控制作用下導通或者關斷，保證在高輸入功率因數下輸入電流為正弦波，并通過對整流橋整流輸出的單向直流電源進行斬波處理，以生成平滑、恒定的直流母線電壓Vdc，輸出至后級的用電負載。為了獲得較高的功率因數，需要對斬波器的導通和關斷時序進行嚴格的控制，也就是說需要處理器生成合適的脈沖信號來控制斬波器準確通斷，以生成與交流輸入電壓同相位的正弦交流輸入電流，使得功率因數得以顯著提升。為了使一套PFC電路能夠適用在不同頻率的交流輸入電源上，需要對處理器生成的脈沖信號的占空比進行自適應調節，即針對輸入的交流電源AC頻率，自動計算生成不同占空比的PWM脈沖信號，輸出至斬波器的·控制極，以實現對斬波器的通斷控制。為了實現功率因數的自適應控制，需要設計專門的控制策略來產生所述的PWM脈沖信號，其基本設計思路是由于通過斬波器輸出的直流母線電壓Vdc和通過整流橋整流輸出的直流母線電流Iac是有源PFC控制的兩個主要參數，為了實現對所述兩個主要參數的調節，本實施例的PFC技術采用電流環和電壓環共同控制的雙閉環系統，其軟件控制框圖參見圖2所示，主要包括電壓誤差補償器、電壓前饋補償器和電流誤差補償器。其中，在電流環系統中，電流誤差補償器的電流參考值Iac-ref是通過計算交流輸入電源的整流輸入電壓Vs、電壓誤差補償器的輸出電壓Vpi以及電壓前饋補償器的輸出電壓Vcomp三者的乘積來獲得的。乘以與交流輸入電源同步的整流輸入電壓Vs，是為了使得電流信號的參考值Iac-ref具有與整流輸入電壓Vs相同的波形。電壓誤差補償器對于保持恒定的輸出功率至關重要，因為它負責對輸出的直流母線電壓Vdc與輸出電壓的標稱值(所述標稱值是在程序中設定的直流電壓目標值，即目標電壓Vdc-ref，所述目標電壓Vdc-ref —般設置在350V)的偏離進行補償。電流內環通過調節流經電感LI的直流母線電流Iac，使其波形上能夠盡可能地跟隨整流輸入電壓Vs的波形變化，從而獲得較高的功率因數?；谏鲜鲈O計思路，需要從有源PFC硬件電路設計和PFC軟件控制算法兩方面出發具體設計有源PFC自適應控制系統，以實現對不同頻率交流輸入電源的自適應控制。下面首先從PFC自適應控制方法上，闡述所述PWM脈沖信號的生成過程，具體包括以下主要部分
(I)本實施例的PFC自適應控制算法需要采集三個輸入信號交流輸入電源的交流電壓Vac、整流橋整流輸出的直流母線電流Iac和經斬波器斬波變換處理后輸出的直流母線電壓Vdc。所述三個輸入信號的采樣頻率可以設計成與處理器的AD采樣頻率一致。在本實施例中，所述處理器優選采用數字信號控制器DSC (DSC即Digital Signal Controller的英文縮寫)來進行PFC控制算法的計算，其AD采樣頻率以16KHz為例進行說明。(2)對于確定電流內環的基準信號(即電流參考值Iac-ref)的其中一個參考值一整流輸入電壓Vs，本實施例采用獲取交流輸入電源的電壓正弦波形，從所述電壓正弦波形中選取N個采樣點，并對每個采樣點的正弦值取絕對值的方法，來形成所述的整流輸入電壓Vs,作為第一電壓參考值。為了獲取交流輸入電源的電壓正弦波形，本實施例優選采用正弦值查表法，利用交流輸入電源的交流電壓峰值，形成交流電壓的正弦波形。即獲取所述交流輸入電源的電壓正弦波形，從所述電壓正弦波形中檢測過零點、測量計算交流電源頻率，計算交流電壓峰值，通過查表和計算形成所述的整流輸入電壓Vs，作為第一電壓參考值。為了使PFC控制方法能夠自動適應不同頻率的交流輸入電源，例如實現有源PFC在50Hz和60Hz交流電源上的自適應控制，本實施例采用以下方法來生成所述的第一電壓參考值Vs
處理器以固定的AD采樣頻率(本實施例以16KHz為例進行說明)采集交流電壓Vac的瞬時值，當采集到的交流電壓瞬時值Vac (η)為正數，而Vac (η_1)為負數時，則可認為Vac(η)是過零點，記錄兩個過零點之間的采集個數(包括過零點)，作為一個交流電壓周期的采樣點個數N。由于在驅動斬波器導通和關斷的過程中會產生高頻干擾信號，為了保證檢測的可靠性，需要對所述的采樣點個數N進行容錯處理，即通過限定N的有效范圍，來增強算法的可靠性。在本實施例中，所述N的有效范圍可以采用以下方法獲得
設定交流輸入電源的頻率范圍為ΗΓΗ2，則交流輸入電源的周期范圍為11、2，其中，tl=l/H2,t2=l/Hl ；
計算N的有效范圍為N1 N2，其中，Nl=tl/T, N2=t2/T, T為處理器的AD采樣周期。以兼容50Hz和60Hz兩種電源頻率的PFC自適應控制方法為例進行說明，此時，可以將交流輸入電源的頻率范圍設定在45Hz飛5Hz之間，相應的，交流輸入電源的周期范圍即
為
權利要求
1.一種功率因數自適應控制方法，其特征在于在對交流輸入電源進行整流變換的整流橋的直流側連接斬波器，通過處理器產生脈沖信號控制所述斬波器通斷，以生成平滑的直流母線電壓VdC ;所述脈沖信號的產生過程為 獲取所述交流輸入電源的電壓正弦波形，從所述電壓正弦波形中選取N個采樣點，并對每個采樣點的正弦值取絕對值，形成第一電壓參考值Vs ； 將所述直流母線電壓Vdc與設定的目標電壓Vdc-ref進行比較，并進行電壓誤差補償處理后，生成第二電壓參考值Vpi ； 在一個交流周期內對所述交流輸入電源的交流電壓Vac進行N次采樣，對每個采樣點的電壓值取絕對值后，計算N個電壓值的平均值，對所述平均值進行平方運算后取倒數，形成第三電壓參考值Vcomp ； 將三個電壓參考值相乘后，作為電流參考值Iac-ref與整流橋整流輸出的直流母線電 流Iac進行比較，并進行電流誤差補償處理后，輸出計算結果Ipi ； 利用所述計算結果Ipi確定脈沖信號的占空比，形成所述的脈沖信號。
2.根據權利要求I所述的功率因數自適應控制方法，其特征在于在所述形成第一電壓參考值Vs的過程中，根據所述交流輸入電源的交流電壓峰值，利用正弦值查表法形成所述交流輸入電源的電壓正弦波形。
3.根據權利要求2所述的功率因數自適應控制方法，其特征在于在所述形成第一電壓參考值Vs和形成第三電壓參考值Vcomp的過程中，還包括確定采樣點個數N的步驟 處理器以固定的AD采樣頻率采集交流電壓Vac的瞬時值，當采集到的交流電壓瞬時值Vac (η)為正數,而Vac (η_1)為負數時,判定Vac (η)是過零點，記錄兩個過零點之間的采集個數，即為一個交流周期的采樣點個數N。
4.根據權利要求3所述的功率因數自適應控制方法，其特征在于對所述采樣點個數N進行容錯處理，步驟如下 設定交流輸入電源的頻率范圍為ΗΓΗ2，則交流輸入電源的周期范圍為tl、2，其中，tl=l/H2,t2=l/Hl ； 計算N的有效范圍為N1 N2，其中，Nl=tl/T，N2=t2/T, T為處理器的AD采樣周期； 從上一個過零點到本次過零點，如果N的記錄個數在所述的有效范圍內，則本次過零點是有效過零點；否則將本次過零點作為無效過零點，繼續累加記錄采集個數，直到下一個過零點，然后重復執行本步驟的有效過零點判斷過程，直到生成在有效范圍內的采樣點個數N。
5.根據權利要求4所述的功率因數自適應控制方法，其特征在于所述交流輸入電源的頻率范圍設定在45Hz 65Hz之間。
6.根據權利要求3所述的功率因數自適應控制方法，其特征在于在所述形成第一電壓參考值Vs的過程中，以過零點為起始點，將交流電壓Vac的一個周期(Γ2 π用Olp-1表示，其中P為處理器的數據處理位數，則每一個數值對應的弧度值為2 π /f-1,計算每一個所述的弧度值所對應的正弦值，由此形成一個正弦值表； 設定查表步長為2P_7N，按照查表步長對所述正弦值表進行查表；將所述交流輸入電源的交流電壓峰值與每一次查表所得到的正弦值相乘，相乘的積取絕對值，形成所述的第一電壓參考值Vs。
7.根據權利要求3所述的功率因數自適應控制方法，其特征在于在所述形成第三電壓參考值Vcomp的過程中，以過零點為起始點，在交流輸入電源的一個交流周期內，對所述交流電壓Vac進行N次采樣，對采集到的N個交流電壓瞬時值取絕對值后求取平均值，并對所述平均值進行平方運算后取倒數，形成所述的第三電壓參考值Vcomp。
8.根據權利要求I所述的功率因數自適應控制方法，其特征在于所述電壓誤差補償處理過程為求取所述目標電壓Vdc-ref與直流母線電壓Vdc之間的差值，代入PID運算公式計算生成所述的第二電壓參考值Vpi ； 所述電流誤差補償處理過程為求取所述電流參考值Iac-ref與直流母線電流Iac之間的差值，代入PID運算公式計算生成結果Ipi。
9.根據權利要求I至8中任一項所述的功率因數自適應控制方法，其特征在于將所 述三個電壓參考值相乘后，乘以系數KM，形成所述的電流參考值Iac-ref ;其中，所述系數KM在2-10的范圍內取值。
10.根據權利要求I至8中任一項所述的功率因數自適應控制方法，其特征在于所述脈沖信號的頻率Fl等于處理器的AD采樣頻率，利用所述計算結果Ipi確定脈沖信號的占空比的過程為 a、根據脈沖信號的頻率F1、處理器的主頻FCY以及處理器中比較器工作頻率的預分頻值Pl，計算載波頻率寄存器的值0C1TMR，即 —=(ocmm. +1) *—J- *Pl ； Fl 、) FCY ' b、將計算結果Ipi寫入占空比寄存器； C、比較器在其工作的每一個時鐘周期計數一次，并將計數值與占空比寄存器的值進行一次比較，如果計數值與占空比寄存器的值相等，則產生匹配中斷； d、所述處理器在匹配中斷產生前，輸出控制斬波器導通的高電平，在匹配中斷產生時反轉變為低電平，直到比較器的計數值等于OClTMR時復位成高電平，并對比較器的計數值清零；重復執行fd，形成所述的脈沖信號。
全文摘要
本發明公開了一種功率因數自適應控制方法，通過計算生成三個電壓參考值，并將三個電壓參考值相乘后，作為電流參考值與直流母線電流進行比較，并進行電流誤差補償處理后，輸出計算結果；利用所述計算結果確定占空比，形成脈沖信號，控制斬波器通斷，以對整流橋整流輸出的直流電壓進行斬波處理后，生成平滑的直流母線電壓以及與交流輸入電壓同相位的交流輸入電流，提高功率因數，減小電流諧波畸變率。本發明的功率因數校正方法可以在不同頻率的交流電源上實現自適應控制。將該方法應用在變頻空調產品中，可以適用于基于50Hz和60Hz交流電源輸入的空調機型，真正達到了一次開發、多機型適用的設計目的，縮短了開發周期，降低了研發成本。
文檔編號H02M1/42GK102857087SQ20121034227
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月17日 優先權日2012年9月17日
發明者尹發展 申請人:海信(山東)空調有限公司