关键词：双向AC-DC变换器；图腾柱无桥PFC；逆变并网

0 引言

随着绿色能源发电设备、储能装置及各种形式电能负荷的设备迅速发展,传统的电力系统设备已不能满足各种电源形式、多向能量流动的控制要 求[1-4],同时无法匹配电力市场发展需求。在这种背景下,双向AC/DC变换器作为能源互联网的关键硬件组件———能源路由器,发挥着至关重要的作用,特别是在系统稳定运行和能量合理分配方面[5-6]。

传统的单相AC-DC为全桥拓扑,采用单极性和双极性PWM调制,但是无论是单极性PWM还是双极性PWM,每个开关周期内均存在4个不同的开关状态。在单极性PWM中，通过改变2个对立开关的开关状态，实现对输出电压的调制，这种方式在输出波形中往往包含更多的开关转换，能有效提升输出电压的直流分量。然而，由于采用了单极性调制，输出波形中可能出现频繁的开关损耗，增加了开关器件的热管理需求，降低了整体效率。开关损耗较大，严重影响了工作效率[7-8]，为此，本文提出一种优化PWM调制方法来控制图腾柱无桥PFC，在一个开关周期里设备仅需改变前桥臂中的一个开关管状态，就可实现图腾柱无桥PFC升压电感的充放电，这样不仅抬升了输出电压还降低了开关损耗。

双向AC-DC变换器分为多级式和单级式。多级式双向AC-DC变换器主要有两级式和三级式，其中两级式运用最为广泛。两级式拓扑通常由前级PWM整流器和后级DAB或谐振变换器构成，该结构前后级控制相对独立简单，已广泛应用于各种交直流电能变换中[9-10]。而相对两级式拓扑，单级式拓扑实现功率单级变换，具有高效、高功率密度和低成本等潜在优势[11-13]。图腾柱无桥PFC由4个MOSFET开关管及泵升电感组成，其本质作用在于抑制谐波并参与功率因数校正。

基于上述分析，本文提出一种额定功率500W的单级式单相并网双向AC-DC变换器，主要从系统主拓扑结构、控制策略及其控制算法等方面展开研究，通过理论分析与实验验证，探讨了其在并网发电和负载需求调节中的应用潜力，为未来的智能电网建设提供了模型参考。

1 系统主拓扑结构

图1展示了一个单相Totem-Pole变换器的拓扑结构。在该拓扑中，主要开关功率管 Q3和Q4由高频脉宽调制信号PWM1A和PWM1B驱动，从而控制流过的电流。而辅助功率管Q1和Q2则通过 GPIO2A和 GPIO2B进行控制，以实现常开或常闭的状态，替代传统的二极管，进而提高系统的能效。该系统还配备了多个模拟数字转换器(ADC)来监测重要的电气参数。具体来说，ADC1用于采集电感中流动的交流电流，ADC2负责测量电网的交流电压，而ADC3用于获取母线的直流电压。这些数据采集为系统的运行监控和性能优化提供了重要的基础支持。通过这种设计，Totem-Pole变换器能实现更高的能效和更好的控制性能。

2 控制策略及其控制算法

2.1 ACDC整流工作模式

在AC→DC整流工作模式中，采用脉宽调制(PWM)技术来进行功率的计算和分配，如图2所示。系统以交流(AC)电源作为输入源，功率转换管与电感器构成一个整流升压的电路结构。通过实时监测和跟踪AC电压波形，算法能生成相应的PWM驱动信号，从而实现功率因数校正(PFC)功能。

具体而言，在AC电压的正半周期，开关管S2的导通时间由占空比D确定，进而决定升压的程度。与之相对，开关管S1的导通状态则由(1一D)来调控。在此过程中，二极管SD2始终处于导通状态，而二极管SD1则保持关断。在AC电压的负半周期中，反过来，S1的导通时间同样由占空比D来定义，而S2的导通状态则由(1一D)调控。在这种情况下，SD1实现导通，而SD2则保持关断状态。通过这种方式，系统能灵活地调整功率管的导通和关断时机，实现对电力的有效管理，同时提高整体电源的功率因数。此方法不仅确保了电源的稳定性，还显著提升了效率和性能。

2.2 DC→AC逆变工作模式

在DC→AC工作模式中，采用脉宽调制(PWM)技术进行计算和信号分配。当直流电源作为输入时，功率开关管与电感共同工作于逆变模式。在这一过程中，必须持续跟踪交流电压波形，以生成相应的PWM驱动信号，从而实现与电网的同步并网功能。

在不同的时间点，电流的流向会随着时间的变化而变化，如图3所示(D随正弦波变化)。这说明了电流负载的动态特性及逆变器在调节输出电压时的复杂性。通过精确控制PWM信号的宽度和频率，可有效地调整输出电压的幅度和相位，使其与电网电压保持一致。该过程需实时监测电流和电压的状态，以及时调整PWM信号，从而确保逆变器的稳定性和可靠性。此外，合理的控制算法也能提高系统的效率，减少能量损失。因此，逆变转换中PWM的应用不仅是实现并网的关键技术，也对提升整体电能质量起到了重要作用。

2.3 PID控制算法

本文设计的样机算法包括功率因数校正(PFC)和锁相环(PLL)，均基于PID控制算法。PID算法在闭环控制系统中应用广泛，其全称为比例-积分-微分(Proportional-In-tegral-Derivative)，由比例(P)、积分(I)和微分(D)组成。该算法综合了这3种控制机制，通过引人反馈回路，利用输出(实际值)与输人(目标值)之间的偏差来调节系统，从而保持系统稳定并避免偏离设定目标。闭环控制系统也被称为反馈控制系统，具体控制流程如图4所示。

连续控制的理想 PID控制规律为:

本文用到的电流环和电压环均为PI控制。比例控制(Proportion)环节可成比例地反映系统的偏差信号，即输出与输入偏差成正比，可用来减小系统偏差。此环节公式如下:

式中，u为输出；Kp为比例系数；e为偏差。

在实际应用中，如果仅有比例环节的控制，可能会给系统带来静态误差问题。静态误差是指系统控制过程趋于稳定时，目标值与实测值之间的偏差。积分环节(Integral)可对偏差e进行积分。只要存在偏差，积分环节就会不断起作用，主要用于消除静态误差，提高系统的无差度。引入积分环节后，比例+积分环节的公式如下:

由此可知，当积分系数Ki或累计偏差越大时，输出就越大，系统消除静态误差的时间就越短。

3 实验验证

3.1 实验平台

搭建由单相双向AC-DC变换器、STM32F407控制电路、辅助电源、交流采用、直流采样、驱动电路、直流电原及负载组成的实验平台。测试设备包括FLUKENORMA4000CN高精度功率分析仪、固纬 GDS-2304A波形捕捉混合型数字示波器、固纬 GDM-8352可编程四位半台数字万用表。为了进一步验证无桥图腾柱双向AC-DC转换器的有效性，本文设计并研制了一台额定功率为500W的样机。该样机的主要性能指标如下:在正向工作模式下，输入为220(1±1%)V的交流电，输出为24V直流电;在反向工作模式下，输入为24V直流电，输出则为220V的交流电。

为实现上述功能，本文采用了无桥图腾柱拓扑结构，这样不仅可有效提高转换效率，还能保证在双向运行时的稳定性与可靠性。在实际实验中，搭建了一个全面的实验平台，如图5所示。该实验平台具备实时监测电流、电压及功率等重要指标的能力，确保在不同工作状态下，样机的性能表现能被全面评估。

在实验中，进行了多项测试，涵盖了样机在不同负载条件下的表现，同时验证了其在正向和反向工作模式下的转换效率及动态响应特性。通过对实验数据的分析，以便深入理解无桥图腾柱双向AC-DC转换器在实际应用中的潜力和优势，从而为后续的技术改进和商业应用提供依据。

3.2 实验结果

本文提出的无桥图腾柱功率因数校正(PFC)整流实验旨在验证所设计电路的实际性能和有效性。整流实验包括对比分析实施PFC技术前后系统输出波形的差异。

表1展示了在应用PFC技术前后的关键性能参数，包括输入电压、输入电流、输出电压及功率因数等指标。可以看出，采用PFC技术后，系统的功率因数明显提高，电流波形趋于正弦形状，且谐波含量显著降低。这说明通过有效的PFC控制，能优化电能的传输和使用效率，从而满足更严格的电力质量标准。

图6对比了PFC实施前后的波形特征。在实施PFC前，输入电流波形呈现明显畸变，在负载变化时，电流的相位滞后于输入电压，导致功率因数降低。相较之下，实施PFC技术后，电流波形呈现良好的正弦性，与输入电压波形基本重合，表明相位差得到有效减小，系统运行更加高效且稳定。

通过实验数据和波形分析，有效验证了无桥图腾柱PFC(功率因数校正)的可行性。实验中，功率因数达到了0.976%，显示出系统良好的能量利用效率。同时，谐波总畸变率为7.3%，表明该PFC设计在谐波抑制方面具备一定效果。在没有进行其他优化的情况下，成功将系统的效率提升至93.8%，为进一步提升系统性能提供了良好的基础。

为了验证系统在反向工作并网条件下的状况，进行了相关实验。表2和图7展示了实验数据和波形结果。

由图7的波形可看出，变换器输出逆变并网的相位基本一致，电压谐波总畸变率仅为3.77%。实验结果不仅为无桥图腾柱PFC在并网运行条件下的可行性提供了实证支持，也为进一步的研究与应用奠定了坚实的基础。通过对实验数据的分析，能深入理解系统在不同运行条件下的动态特性，以及如何进一步优化系统，以提高其性能和稳定性。

4 结语

本文提出了一种基于图腾柱式无桥单相并网双向AC-DC电路的设计方案，该方案在闭环控制上应用了功率因数校正(PFC)控制技术，从而显著提高了系统的工作效率。通过采用相位锁定环(PLL)控制方法，逆变器能实现与电网的有效并网功能。为验证设计的有效性，研制了一台额定功率500W的样机。实验结果表明，系统的正向工作效率达到了93.8%，与非优化系统相比存在显著提升。在反向工作状态下，系统的输出相位与电网相位基本一致，显示出良好的并网特性。此外，系统的电压谐波总畸变率(THD)仅为3.77%，表明该电路在谐波抑制方面表现出色。这一系列实验结果充分验证了本文所提电路设计及其控制方法的合理性和可行性，为未来在相关应用领域提供了有效的参考依据。

综上所述，基于图腾柱式无桥单相并网双向AC-DC电路的设计，结合先进的控制策略，能实现高效率、低谐波的电能转换，具有广阔的应用前景。在后续的研究中，将继续优化控制算法，并探索其在更大功率范围内的应用潜力，以进一步提升系统性能和稳定性。

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