??本文介紹功率因數(shù)校正(PFC)的simulink仿真實(shí)現(xiàn)，并用PID控制器將功率因數(shù)調(diào)整為近似1。最后將控制器離散化，用C語(yǔ)言的形式編寫代碼實(shí)現(xiàn)PID控制simulink中的模型實(shí)現(xiàn)同樣的效果。（僅作為學(xué)習(xí)參考作用，若有不足請(qǐng)指出討論。）

單相功率因數(shù)校正PFC電路的simulink仿真（從電路圖搭建到C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)PID控制）

• 一、功率因數(shù)校正（PFC）電路原理
• • 1.PFC含義
  • 2.PFC電路原理
  • 3.閉環(huán)控制設(shè)計(jì)原理
  • 4.電壓外環(huán)的任務(wù)
  • 5.電流內(nèi)環(huán)的任務(wù)
• 二、Simulink仿真電路搭建
• • 1.給定元器件參數(shù)
  • 2.Boost電路搭建
  • 3.PID控制電路搭建（搭建simulink自帶PID控制器）
  • 4.測(cè)量電路搭建
  • 5.電路匯總
• 三、仿真電路分析
• • 1.直流輸出電壓波形及平均值
  • 2.直流輸出電壓的FFT分析
  • 3.整流器輸出電壓與電感電流波形
  • 4.電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)電流的波形圖
  • 5.電流畸變系數(shù)、功率因數(shù)計(jì)算
• 四、C語(yǔ)言編寫PID控制器
• • 1.搭建simulink中C語(yǔ)言的編譯環(huán)境
  • 2.電路連接圖
  • 3.C語(yǔ)言編寫的PID控制代碼
  • 4.控制器分析
• 五、仿真文件獲取
• • 1.積分獲取
  • 2.免費(fèi)獲取
• 六、其余電力電子電路

一、功率因數(shù)校正（PFC）電路原理

1.PFC含義

??功率因數(shù)校正（Power Factor Correction，PFC）電路，是指在傳統(tǒng)的不控整流中融入有源器件，使得交流側(cè)電流在一定程度上正弦化，從而減小裝置的非線性、改善功率因數(shù)的一種高頻整流電路。
??基本的單相PFC電路在單相橋式不可控整流器和負(fù)載電阻之間增加一個(gè)DC-DC功率變換電路，通常采用Boost電路（Boost電路原理及simulink仿真可以參考這個(gè)鏈接）。通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂艬oost電路中開(kāi)關(guān)管的通斷，將整流器的輸入電流校正成為與電網(wǎng)電壓同相位的正弦波，消除諧波和無(wú)功電流，將電網(wǎng)功率因數(shù)提高到近似為1。電路的原理圖如圖所示：

2.PFC電路原理

??假定開(kāi)關(guān)頻率足夠高，保證電感$L$的電流連續(xù)；輸出電容$C$足夠大，輸出電壓$u_o$可認(rèn)為是恒定直流電壓。電網(wǎng)電壓$u_i$為理想正弦，即$u_i=U_m?sin(wt)$，則不可控整流橋的輸出電壓$u_d$為正弦半波，$u_d=|u_i|=U_m?|sin(wt)|$。
??當(dāng)開(kāi)關(guān)管$Q$導(dǎo)通時(shí)，對(duì)電感$L$充電，電感電流$i_L$增加，電容$C$向負(fù)載放點(diǎn)；當(dāng)$Q$關(guān)斷，二極管$Diode$導(dǎo)通時(shí)，電感兩端電壓$u_L$反向，$u_d$和$u_L$對(duì)電容充電，電感電流$i_L$減小。電感電流滿足：

??通過(guò)控制$Q$的通斷，即調(diào)節(jié)占空比$D$，可以控制電感電流$i_L$。若能控制$i_L$近似為正弦半波電流，且與$u_d$同相位，則整流橋交流側(cè)電流也近似為正弦電流，且與電網(wǎng)電壓$u_i$同相位，即可達(dá)到功率因數(shù)校正的目的。為此，需要引入閉環(huán)控制。

3.閉環(huán)控制設(shè)計(jì)原理

??控制器必須滿足以下兩個(gè)要求：
??①實(shí)現(xiàn)輸出直流電壓$u_o$的調(diào)節(jié)，使其達(dá)到給定值；
??②保證電網(wǎng)側(cè)電流正弦化，且功率因數(shù)為1.
??即在穩(wěn)定輸出電壓$u_o$的情況下，使電感電流$i_L$與$u_d$波形相同。采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的單相PFC雙閉環(huán)控制的原理圖如下所示：

4.電壓外環(huán)的任務(wù)

??電壓外環(huán)的任務(wù)是得到可以實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的電感電流指令值$i_L^{?}$。給定輸出電壓$u_o^{?}$減去測(cè)量到的實(shí)際輸出電壓$u_o$的差值，經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器后輸出電感電流$I_L^{?}$的指令。測(cè)量到的整流橋出口電壓$u_d$除以其幅值$U_m$后，可以得到$u_d$表示波形的量$u_d^{’}$，$u_d^{’}$為幅值為1的正弦半波，相位與$u_d$相同。$I_L^{?}$與$u_d^{’}$相乘，便可以得到電感電流的指令值$i_L^{?}$。$i_L^{?}$為與$u_d$同相位的正弦半波電流，其幅值可控制直流電壓$u_o$的大小。

5.電流內(nèi)環(huán)的任務(wù)

??電流內(nèi)環(huán)的任務(wù)是通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管$Q$的通斷，使實(shí)際的電感電流$i_L$跟蹤其指令值$i_L^{?}$。此處采用滯環(huán)電流控制法。根據(jù)電流的公式，當(dāng)$Q$導(dǎo)通時(shí)電感電流增大，而當(dāng)$Q$關(guān)斷時(shí)，電感電流減小。令$i_L^{?}$減去$i_L$，若差值△$i_L$大于規(guī)定的上限△$i_{L_{max}}$，則令$Q$導(dǎo)通，以增大$i_L$；若差值△$i_L$小于規(guī)定的下限△$i_{L_{min}}$，則令$Q$關(guān)斷，以減小$i_L$。通過(guò)滯環(huán)控制，可以保證實(shí)際的電感電流$i_L$在其指令值$i_L^{?}$附近波動(dòng)，波動(dòng)的大小與滯環(huán)寬度有關(guān)，即與設(shè)定的△$i_{L_{max}}$和△$i_{L_{min}}$相關(guān)。

二、Simulink仿真電路搭建

1.給定元器件參數(shù)

① 輸入電壓有效值為220V,頻率為50Hz；
② 輸出直流電壓指令u*o為400V；
③ 電感L=6mH；電容C=320uF；負(fù)載電阻R=160Ω；
④ 二極管整流橋：Rs=1e5Ω，Cs=1e-6F，Ron=1e-3Ω，Lon=0，Vf=0；
⑤ 開(kāi)關(guān)管Q采用MOSFET，Ron=0.001Ω，Lon=0，Vf=0.8V，Ic=0，Rs=1e5Ω，Cs=inf；
⑥ Boost電路中二極管參數(shù)：Ron=0.001Ω，Lon=0，Vf=0.8V，Ic=0，Rs=500Ω，Cs=250e-9F。
⑦ Relay滯環(huán)電流控制模塊寬度設(shè)置為[-0.5,0.5],Switch on point為1，Switch off point為-1；
⑧ 仿真算法：ode23tb

2.Boost電路搭建

??Boost電路的搭建可以參考這篇文章。搭建好的電路圖如下：

3.PID控制電路搭建（搭建simulink自帶PID控制器）

4.測(cè)量電路搭建

??其中，功率因數(shù)計(jì)算函數(shù)如下：

5.電路匯總

三、仿真電路分析

??將powergui設(shè)置為離散模型，Ts=1e-6,PID控制器的P為0.02，I為10。

1.直流輸出電壓波形及平均值

??輸出電壓波形如下：

??輸出電壓平均值如下：

??可以發(fā)現(xiàn)，直流電壓波動(dòng)周期為0.01s，頻率為工頻（50Hz）的兩倍。

2.直流輸出電壓的FFT分析

3.整流器輸出電壓與電感電流波形

4.電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)電流的波形圖

5.電流畸變系數(shù)、功率因數(shù)計(jì)算

??可以看出，電壓和電流是同相位的，即功率因數(shù)基本為1（0.9997）。也可以觀察Fourier模塊的相角觀察到電流與電壓是同相位的，這滿足控制器實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)電流正弦化，且功率因數(shù)為1的要求，達(dá)到了PFC的目的。

四、C語(yǔ)言編寫PID控制器

1.搭建simulink中C語(yǔ)言的編譯環(huán)境

??拖出s-function-builder模塊。（需要去了解一下如何在simulink中搭建C語(yǔ)言的編譯環(huán)境，本文是裝好了進(jìn)行應(yīng)用。可以參考:鏈接1、鏈接2、鏈接3）

2.電路連接圖

3.C語(yǔ)言編寫的PID控制代碼

/** Include Files**/ #if defined(MATLAB_MEX_FILE) #include "tmwtypes.h" #include "simstruc_types.h" #else #include "rtwtypes.h" #endif/* %%%-SFUNWIZ_wrapper_includes_Changes_BEGIN --- EDIT HERE TO _END */ #include <math.h> /* %%%-SFUNWIZ_wrapper_includes_Changes_END --- EDIT HERE TO _BEGIN */ #define u_width 1 #define y_width 1struct _pid{float SetSpeed;//定義設(shè)定值float ActualSpeed;//定義實(shí)際值float err;//定義偏差值float err_last;//定義最上前的偏差值float err_next;//定義上一個(gè)偏差值 float Kp,Ki,Kd;//定義比例、積分、微分系數(shù) };static struct _pid pid={ 0,0,0,0,0,0.02,0.01,1.15 };float PID_realize(float Err) {//pid.SetSpeed=speed;//設(shè)定值 pid.err=Err;//pid.SetSpeed-pid.ActualSpeed;//誤差項(xiàng) float incrementSpeed=pid.Kp*(pid.err-pid.err_next)+pid.Ki*pid.err;//pid.Kd*(pid.err-2*pid.err_next+pid.err_last) ;//這里不用微分環(huán)節(jié)pid.ActualSpeed+=incrementSpeed;pid.err_last=pid.err_next;pid.err_next=pid.err;return pid.ActualSpeed; }//u0是輸入的誤差項(xiàng)，y0是控制器的輸出 void mytest_Outputs_wrapper(const real_T *u0,real_T *y0) {y0[0] =PID_realize(u0[0]); }

4.控制器分析

①比例環(huán)節(jié)

??可以發(fā)現(xiàn)僅有比例環(huán)節(jié)的情況下系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差，需要增加積分環(huán)節(jié)消除穩(wěn)態(tài)誤差。

②比例積分環(huán)節(jié)

??引入比例積分環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差消失，輸出為給定的400V電壓。電網(wǎng)電流和電壓同相位，功率因數(shù)由和計(jì)算得近似為1。以上是C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)PID控制器的效果，具體的PID參數(shù)可自行設(shè)置。

五、仿真文件獲取

1.積分獲取

Matlab2017b仿真文件地址

2.免費(fèi)獲取

關(guān)注公眾號(hào)【凱期可期】后臺(tái)回復(fù)：電力電子

六、其余電力電子電路

其余電路參考

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的单相功率因数校正PFC电路的simulink仿真（从电路图搭建到C语言实现PID控制），直接拿来做课设啦！的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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