Abstract: Based on the principle and characteristic of PFC, a simulator model is built based on Matlab about PFC. The process of the model-building is introduced in detail and the arithmetic is given. Finally, a three-phase passive PFC circuit is simulated and its parameters are optimized, the model is validated. Meanwhile, the simulation result shows that the SimPowerSystems model of Matlab is an accurate, intuitionistic and effective method on simulation analysis and research of complicated circuit.

Keywords: power-factor; model; simulation

 

0 引言

       Matlab是一種功能強大的數(shù)值計算軟件，應(yīng)用領(lǐng)域很廣。在繼Matlab5.3之后推出的電力系統(tǒng)工具箱（Power System Blocket）,它是在Simulink仿真軟件的運行環(huán)境下的一個電路工具箱，操作簡單易學(xué)，不需要自己編程，只需用鼠標(biāo)拖出元器件來搭建自己需要的電路，仿真速度比Pspice快。。在仿真過程中，可以隨時觀察仿真結(jié)果，并對仿真結(jié)果進行處理，以及對電路參數(shù)進行分析和優(yōu)化，達(dá)到事半功倍的效果。本文對Matlab在功率因數(shù)校正方面的電路進行建模和仿真分析。

      功率因數(shù)校正電路基本上是一個AC/DC變換器。其輸出是不可調(diào)節(jié)的直流電壓Vd，一個大電容Cd（1000uF）用來濾除低頻紋波。電容和電阻作為電路的等效負(fù)載，電網(wǎng)僅在每個工頻周期的一小部分時間里給負(fù)載提供能量。電流中包含豐富的高次諧波電流存在嚴(yán)重的畸變，功率因數(shù)校正實際上是對輸入電流整形使其盡可能正弦化，同時改善電源系統(tǒng)的輸入阻抗，使之盡量呈電阻性，達(dá)到基波電流與電壓同相位。這就是功率因數(shù)校正的基本思路。

常用的功率因數(shù)校正控制方式采取雙環(huán)控制，“外環(huán)”電壓環(huán)和“內(nèi)環(huán)”電流環(huán)。其中，電流控制環(huán)使輸入電流接近正弦，電壓控制環(huán)使電路輸出電壓穩(wěn)定，其輸出直流電壓經(jīng)分壓后作反饋電壓送至電壓比較器UA與基準(zhǔn)電壓比較后，其輸出作為乘法器的一個輸入，乘法器的另一個輸入來自整流后的輸入電壓。另外，從電感和整流器連接端得到取樣電流送到CA的反相端，其輸出直接加到PWM比較器A的同相端。其控制流程如圖1所示。

      圖1平均電流控制原理圖

2 功率因數(shù)校正電路仿真模型的建立

      Matlab的仿真電路是以圖形仿真軟件Simulink為運行環(huán)境，在SimPowerSystems庫中包括了電路、電力電子、電力傳動及電力系統(tǒng)等電工方面常用的元器件。進入SimPowerSystems模塊庫中用鼠標(biāo)直接拖動模塊放置原理圖窗口，然后對其進行參數(shù)的設(shè)置和原理圖的繪制，操作極其簡單，完全滿足功率因數(shù)校正電路的要求。

2.1元器件的仿真模型

      在Elements庫中，庫中沒有單獨的電阻、電感和電容元件，而是電阻電容電感的串聯(lián)和并聯(lián)電路，繪制仿真電路圖時，通過設(shè)置它們的具體參數(shù)來得到我們需要的純電阻、電感和電容值以及允許的有功功率。如把電感和電容都設(shè)為0 ，電阻設(shè)為需要的值就得到純電阻，也可以把電阻和電感設(shè)為需要的值，電容設(shè)為inf來得到一個感性負(fù)載。在Electrical elements元件庫中，有各種功率開關(guān)模塊（MOSFET、IGBT、GTO、DIODE等），通過雙擊其模塊進行設(shè)置，如DIODE的參數(shù)有：電阻值、電感值、導(dǎo)通壓降、初始電流、吸收電阻、吸收電容。根據(jù)設(shè)計需要設(shè)置相應(yīng)的值。

2.2 主電路的仿真模型

      首先，在Electrical Sources 庫中找到交流電源將其放置在原理圖窗口中，然后雙擊模塊進行參數(shù)設(shè)置，輸入電壓設(shè)為220，頻率50Hz。畫出一個三相功率電路的交流輸入電路，為了與實際電路相符合，可以在輸入電源間加入小的電阻或電感，然后在Electrical elements庫中拖出DIODE搭成一個橋式整流電路（也可以直接使用整流橋模塊），每個二極管兩側(cè)并上小的吸收電容，在輸出側(cè)拖出功率開關(guān)管、電感等搭建需要的電路。最后，繪制濾波電路和負(fù)載，這樣就得到主電路的仿真模型。

圖2 主電路的仿真模型

2.3測量電路的仿真模型

      在Measurements庫中，有電壓和電流測量模塊，電壓測量模塊并聯(lián)所測電壓兩端對其進行測量，電流測量模塊串聯(lián)所測電流支路對其電流進行測量。所測結(jié)果通過SCOPE進行觀察或通過TO WORKPLACE 將數(shù)據(jù)送到工作空間進行保存。

2.4控制電路的仿真模型

      控制模型是由Simulink建成的。Simulink模塊和SimPowerSystems模塊是兩類性質(zhì)不同的模塊，在同時使用兩類模塊的仿真模型時，必然會有兩類模塊信號的流動。因此，在組建仿真模型時，當(dāng)SimPowerSystems模塊的信號反饋給Simulink組成的控制系統(tǒng)時，應(yīng)由電壓或電流測量模塊作中間接口，開關(guān)器件的脈沖輸入端可直接接Simulink信號而不需要中間環(huán)節(jié)。根據(jù)前面的功率因數(shù)控制方法的原理，用鼠標(biāo)拖出相應(yīng)的模塊，并設(shè)定具體參數(shù)得出下面的控制電路的仿真模型。

圖3 控制電路的仿真模型

2.5功率因數(shù)的計算模型

      功率因數(shù)的計算可以根據(jù)功率因數(shù)的定義，通過一定的算法在Math模塊中直接拖出需要的模塊，并對其進行參數(shù)的設(shè)置，可以很容易的求出整個系統(tǒng)的功率因數(shù)的值來。建立的模型如圖4所示。

圖4 功率因數(shù)計算模型

      根據(jù)Matlab仿真模型的建立過程，可以對一個實際的三相功率因數(shù)校正電路（如圖5）進行仿真分析。在建立仿真模型時，模型中有二極管等非線性器件，需要采用剛性的數(shù)值積分方法。選用Ode23tb有較快的仿真速度，通過Matlab的仿真實驗得到該電路的優(yōu)化參數(shù)如下：L1=0.02H，C1=50uF，并在每個二極管兩側(cè)并上0.1uF的電容，其仿真波形如圖6，圖7所示：

圖5 三相無源功率因數(shù)校正電路

      該電路是一種三相無源功率因數(shù)校正電路，在輸出側(cè)加上了L、C濾波電路。通過仿真，電感L1、C1以及二極管兩端的電容可以構(gòu)成諧振回路，使得輸入相電流按正弦規(guī)律變化，有效的抑制了諧波的含量，功率因數(shù)較高。通過Matlab的仿真和參數(shù)的優(yōu)化，最終可以將功率因數(shù)提高到0.961。

           圖6輸入相電壓和相電路波形       

               

               圖7 整流后電壓和電流波形

表1 功率因數(shù)隨負(fù)載變化的仿真結(jié)果

      仿真結(jié)果表明，運用Matlab的SimPowerSystems模塊可以很直觀的對電力系統(tǒng)中復(fù)雜的電路進行仿真分析和研究，并通過參數(shù)的改變可以使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)，仿真速度快，不失為一種好的方法。另外，在功率因數(shù)校正電路中，電路元件參數(shù)的選取，對提高功率因數(shù)同樣很重要。