PFC电路(功率因数校正)和APFC电路(有源功率因数校正)仿真技术

Matlab功率因数校正电路的研究

王会涛重庆通信学院研究生队

钱希森任开春重庆通信学院电力电子教研室

Matlab是一种功能强大的数值计算软件，应用领域很广。在继Matlab5.3之后推出的电力系统工具箱（Power System Blocket）,它是在Simulink仿真软件的运行环境下的一个电路工具箱，操作简单易学，不需要自己编程，只需用鼠标拖出元器件来搭建自己需要的电路，仿真速度比Pspice快。在仿真过程中，可以随时观察仿真结果，并对仿真结果进行处理，以及对电路参数进行分析和优化，达到事半功倍的效果。本文对Matlab在功率因数校正方面的电路进行建模和仿真分析。

一、功率因数校正的原理

功率因数校正电路基本上是一个AC/DC变换器。其输出是不可调节的直流电压Vd，一个大电容Cd（1000uF）用来滤除低频纹波。电容和电阻作为电路的等效负载，电网仅在每个工频周期的一小部分时间里给负载提供能量。电流中包含丰富的高次谐波电流存在严重的畸变，功率因数校正实际上是对输入电流整形使其尽可能正弦化，同时改善电源系统的输入阻抗，使之尽量呈电阻性，达到基波电流与电压同相位。这就是功率因数校正的基本思路。

常用的功率因数校正控制方式采取双环控制，“外环”电压环和“内环”电流环。其中，电流控制环使输入电流接近正弦，电压控制环使电路输出电压稳定，其输出直流电压经分压后作反馈电压送至电压比较器UA与基准电压比较后，其输出作为乘法器的一个输入，乘法器的另一个输入来自整流后的输入电压。另外，从电感和整流器连接端得到取样电流送到CA的反相端，其输出直接加到PWM比较器A的同相端。其控制流程如图1所示。

图1平均电流控制原理图

二、功率因数校正电路仿真模型的建立

Matlab的仿真电路是以图形仿真软件Simulink为运行环境，在SimPowerSystems库中包括了电路、电力电子、电力传动及电力系统等电工方面常用的元器件。进入SimPowerSystems模块库中用鼠标直接拖动模块放置原理图窗口，然后对其进行参数的设置和原理图的绘制，操作极其简单，完全满足功率因数校正电路的要求。

1、元器件的仿真模型

在Elements库中，库中没有单独的电阻、电感和电容元件，而是电阻电容电感的串联和并联电路，绘制仿真电路图时，通过设置它们的具体参数来得到我们需要的纯电阻、电感和电容值以及允许的有功功率。如把电感和电容都设为0 ，电阻设为需要的值就得到纯电阻，也可以把电阻和电感设为需要的值，电容设为inf来得到一个感性负载。在Electrical elements元件库中，有各种功率开关模块（MOSFET、IGBT、GTO、DIODE等），通过双击其模块进行设置，如DIODE的参数有：电阻值、电感值、导通压降、初始电流、吸收电阻、吸收电容。根据设计需要设置相应的值。

2、主电路的仿真模型

首先，在Electrical Sources 库中找到交流电源将其放置在原理图窗口中，然后双击模块

进行参数设置，输入电压设为220，频率50Hz。画出一个三相功率电路的交流输入电路，为了与实际电路相符合，可以在输入电源间加入小的电阻或电感，然后在Electrical elements 库中拖出DIODE搭成一个桥式整流电路（也可以直接使用整流桥模块），每个二极管两侧并上小的吸收电容，在输出侧拖出功率开关管、电感等搭建需要的电路。最后绘制滤波电路和负载，这样就得到主电路的仿真模型。

图2 主电路的仿真模型

3、测量电路的仿真模型

在Measurements库中，有电压和电流测量模块，电压测量模块并联所测电压两端对其进行测量，电流测量模块串联所测电流支路对其电流进行测量。所测结果通过SCOPE进行观察或通过TO WORKPLACE 将数据送到工作空间进行保存。

4、控制电路的仿真模型

控制模型是由Simulink建成的。Simulink模块和SimPowerSystems模块是两类性质不同的模块，在同时使用两类模块的仿真模型时，必然会有两类模块信号的流动。因此，在组建仿真模型时，当SimPowerSystems模块的信号反馈给Simulink组成的控制系统时，应由电压或电流测量模块作中间接口，开关器件的脉冲输入端可直接接Simulink信号而不需要中间环节。根据前面的功率因数控制方法的原理，用鼠标拖出相应的模块，并设定具体参数得出下面的控制电路的仿真模型。

图3 控制电路的仿真模型

5、功率因数的计算模型

功率因数的计算可以根据功率因数的定义，通过一定的算法在Math模块中直接拖出需要的模块，并对其进行参数的设置，可以很容易的求出整个系统的功率因数的值来。建立的模型如图4所示。

图4 功率因数计算模型

三、结束语

运用Matlab的SimPowerSystems模块可以很直观的对电力系统中复杂的电路进行仿真分析和研究，并通过参数的改变可以使系统达到最优，仿真速度快，不失为一种好的方法。另外，在功率因数校正电路中，电路元件参数的选取，对提高功率因数同样很重要。