本文介绍功率因数校正(PFC)的simulink仿真实现，并用PID控制器将功率因数调整为近似1。最后将控制器离散化，用C语言的形式编写代码实现PID控制simulink中的模型实现同样的效果。（仅作为学习参考作用，若有不足请指出讨论。）

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）

• 一、功率因数校正（PFC）电路原理
• • 1.PFC含义
  • 2.PFC电路原理
  • 3.闭环控制设计原理
  • 4.电压外环的任务
  • 5.电流内环的任务
• 二、Simulink仿真电路搭建
• • 1.给定元器件参数
  • 2.Boost电路搭建
  • 3.PID控制电路搭建（搭建simulink自带PID控制器）
  • 4.测量电路搭建
  • 5.电路汇总
• 三、仿真电路分析
• • 1.直流输出电压波形及平均值
  • 2.直流输出电压的FFT分析
  • 3.整流器输出电压与电感电流波形
  • 4.电网电压和电网电流的波形图
  • 5.电流畸变系数、功率因数计算
• 四、C语言编写PID控制器
• • 1.搭建simulink中C语言的编译环境
  • 2.电路连接图
  • 3.C语言编写的PID控制代码
  • 4.控制器分析
• 五、仿真文件获取
• • 1.积分获取
  • 2.免费获取
• 六、其余电力电子电路

一、功率因数校正（PFC）电路原理

1.PFC含义

  功率因数校正（Power Factor Correction，PFC）电路，是指在传统的不控整流中融入有源器件，使得交流侧电流在一定程度上正弦化，从而减小装置的非线性、改善功率因数的一种高频整流电路。
 基本的单相PFC电路在单相桥式不可控整流器和负载电阻之间增加一个DC-DC功率变换电路，通常采用Boost电路（Boost电路原理及simulink仿真可以参考这个链接）。通过适当的控制Boost电路中开关管的通断，将整流器的输入电流校正成为与电网电压同相位的正弦波，消除谐波和无功电流，将电网功率因数提高到近似为1。电路的原理图如图所示：

2.PFC电路原理

  假定开关频率足够高，保证电感$L$的电流连续；输出电容$C$足够大，输出电压 u o u_o uo​可认为是恒定直流电压。电网电压 u i u_i ui​为理想正弦，即 u i = U m ∗ s i n ( w t ) u_i=U_m*sin(wt) ui​=Um​∗sin(wt)，则不可控整流桥的输出电压 u d u_d ud​为正弦半波， u d = ∣ u i ∣ = U m ∗ ∣ s i n ( w t ) ∣ u_d=|u_i|=U_m*|sin(wt)| ud​=∣ui​∣=Um​∗∣sin(wt)∣。
 当开关管$Q$导通时，对电感$L$充电，电感电流 i L i_L iL​增加，电容$C$向负载放点；当$Q$关断，二极管$Diode$导通时，电感两端电压 u L u_L uL​反向， u d u_d ud​和 u L u_L uL​对电容充电，电感电流 i L i_L iL​减小。电感电流满足：

  通过控制$Q$的通断，即调节占空比$D$，可以控制电感电流 i L i_L iL​。若能控制 i L i_L iL​近似为正弦半波电流，且与 u d u_d ud​同相位，则整流桥交流侧电流也近似为正弦电流，且与电网电压 u i u_i ui​同相位，即可达到功率因数校正的目的。为此，需要引入闭环控制。

3.闭环控制设计原理

  控制器必须满足以下两个要求：
 ①实现输出直流电压 u o u_o uo​的调节，使其达到给定值；
 ②保证电网侧电流正弦化，且功率因数为1.
 即在稳定输出电压 u o u_o uo​的情况下，使电感电流 i L i_L iL​与 u d u_d ud​波形相同。采用电压外环、电流内环的单相PFC双闭环控制的原理图如下所示：

4.电压外环的任务

  电压外环的任务是得到可以实现控制目标的电感电流指令值 i L ∗ i^{*}_L iL∗​。给定输出电压 u o ∗ u^{*}_o uo∗​减去测量到的实际输出电压 u o u_o uo​的差值，经过PI调节器后输出电感电流 I L ∗ I^{*}_L IL∗​的指令。测量到的整流桥出口电压 u d u_d ud​除以其幅值 U m U_m Um​后，可以得到 u d u_d ud​表示波形的量 u d ’ u^’_d ud’​， u d ’ u^’_d ud’​为幅值为1的正弦半波，相位与 u d u_d ud​相同。 I L ∗ I^{*}_L IL∗​与 u d ’ u^’_d ud’​相乘，便可以得到电感电流的指令值 i L ∗ i^{*}_L iL∗​。 i L ∗ i^{*}_L iL∗​为与 u d u_d ud​同相位的正弦半波电流，其幅值可控制直流电压 u o u_o uo​的大小。

5.电流内环的任务

  电流内环的任务是通过控制开关管$Q$的通断，使实际的电感电流 i L i_L iL​跟踪其指令值 i L ∗ i^{*}_L iL∗​。此处采用滞环电流控制法。根据电流的公式，当$Q$导通时电感电流增大，而当$Q$关断时，电感电流减小。令 i L ∗ i^{*}_L iL∗​减去 i L i_L iL​，若差值△ i L i_L iL​大于规定的上限△ i L m a x i_{L_{max}} iLmax​​，则令$Q$导通，以增大 i L i_L iL​；若差值△ i L i_L iL​小于规定的下限△ i L m i n i_{L_{min}} iLmin​​，则令$Q$关断，以减小 i L i_L iL​。通过滞环控制，可以保证实际的电感电流 i L i_L iL​在其指令值 i L ∗ i^{*}_L iL∗​附近波动，波动的大小与滞环宽度有关，即与设定的△ i L m a x i_{L_{max}} iLmax​​和△ i L m i n i_{L_{min}} iLmin​​相关。

二、Simulink仿真电路搭建

1.给定元器件参数

① 输入电压有效值为220V,频率为50Hz；
② 输出直流电压指令u*o为400V；
③ 电感L=6mH；电容C=320uF；负载电阻R=160Ω；
④ 二极管整流桥：Rs=1e5Ω，Cs=1e-6F，Ron=1e-3Ω，Lon=0，Vf=0；
⑤ 开关管Q采用MOSFET，Ron=0.001Ω，Lon=0，Vf=0.8V，Ic=0，Rs=1e5Ω，Cs=inf；
⑥ Boost电路中二极管参数：Ron=0.001Ω，Lon=0，Vf=0.8V，Ic=0，Rs=500Ω，Cs=250e-9F。
⑦ Relay滞环电流控制模块宽度设置为[-0.5,0.5],Switch on point为1，Switch off point为-1；
⑧ 仿真算法：ode23tb

2.Boost电路搭建

  Boost电路的搭建可以参考这篇文章。搭建好的电路图如下：

3.PID控制电路搭建（搭建simulink自带PID控制器）

4.测量电路搭建

  其中，功率因数计算函数如下：

5.电路汇总

三、仿真电路分析

  将powergui设置为离散模型，Ts=1e-6,PID控制器的P为0.02，I为10。

1.直流输出电压波形及平均值

  输出电压波形如下：

  输出电压平均值如下：

  可以发现，直流电压波动周期为0.01s，频率为工频（50Hz）的两倍。

2.直流输出电压的FFT分析

3.整流器输出电压与电感电流波形

4.电网电压和电网电流的波形图

5.电流畸变系数、功率因数计算

  可以看出，电压和电流是同相位的，即功率因数基本为1（0.9997）。也可以观察Fourier模块的相角观察到电流与电压是同相位的，这满足控制器实现电网侧电流正弦化，且功率因数为1的要求，达到了PFC的目的。

四、C语言编写PID控制器

1.搭建simulink中C语言的编译环境

  拖出s-function-builder模块。（需要去了解一下如何在simulink中搭建C语言的编译环境，本文是装好了进行应用。可以参考:链接1、链接2、链接3）

2.电路连接图

3.C语言编写的PID控制代码

/* * 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 /* %%%-SFUNWIZ_wrapper_includes_Changes_END --- EDIT HERE TO _BEGIN */#define u_width 1#define y_width 1 struct _pid{    float SetSpeed;//定义设定值    float ActualSpeed;//定义实际值    float err;//定义偏差值    float err_last;//定义最上前的偏差值    float err_next;//定义上一个偏差值     float Kp,Ki,Kd;//定义比例、积分、微分系数};static struct _pid pid={0,0,0,0,0,0.02,0.01,1.15}; float PID_realize(float Err){ //pid.SetSpeed=speed;//设定值  pid.err=Err;//pid.SetSpeed-pid.ActualSpeed;//误差项  float incrementSpeed=  pid.Kp*(pid.err-pid.err_next)+  pid.Ki*pid.err;  //pid.Kd*(pid.err-2*pid.err_next+pid.err_last) ;//这里不用微分环节 pid.ActualSpeed+=incrementSpeed; pid.err_last=pid.err_next; pid.err_next=pid.err; return pid.ActualSpeed;} //u0是输入的误差项，y0是控制器的输出void mytest_Outputs_wrapper(const real_T *u0,   real_T *y0){     y0[0] =PID_realize(u0[0]);}

4.控制器分析

①比例环节

  可以发现仅有比例环节的情况下系统存在稳态误差，需要增加积分环节消除稳态误差。

②比例积分环节

  引入比例积分环节后，系统的稳态误差消失，输出为给定的400V电压。电网电流和电压同相位，功率因数由和计算得近似为1。以上是C语言实现PID控制器的效果，具体的PID参数可自行设置。

五、仿真文件获取

1.积分获取

Matlab2017b仿真文件地址

2.免费获取

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六、其余电力电子电路

其余电路参考