（电力系统及其自动化专业论文）直接电流控制的并联pfc研究.pdf

n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f a u t o m a t i o ne n g i n e e r i n g r e s e a r c ho ns h u n tp f c t e c h n o l o g y b a s e do nd i r e c tcu r r e n tco n t r o ls c h e m e a t h e s i si n e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g b y w a n gy a f a n g a d v i s e db y p r o f x i es h a o j u n s u b m i t t e di np a v i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g f e b r u a r y , 2 0 1 0 -iilr， l一 f 一 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 芝垂擎 日飙出业卜 卜卜 ll， l - 卜 南京航空航天人学硕十学何论文 摘要 功率冈数校止技术是抑制谐波电流、提高功率冈数的行之有效地方法，已经得剑了广泛的 研究和应用。 本文参考并联型有源电力滤波器的拓扑，提出并联型p f c 的概念，利川并联接入电网电源 与输出负载之间的逆变器输出负载补偿电流，构成并联型p f c 。电源电流控制方式采用直接电 流控制，无需对负载电流进行检测，不需要通过复另2 的算法计算谐波及无功电流或基波有功电 流。 单个全桥逆变器结构简单，控制相对容易。本文首先针对单桥并联型p f c 进行研究，给出 了主电路、控制电路各参数的设计方法，并制作了原理样机，仿真和实验表明，补偿后电源的 功率冈数接近r1 ，谐波含量人人降低。 为了增加逆变器的带宽、能实现对高次谐波电流的补偿，本文研究采h j 基于倍频 c p s s p w m 技术的多个逆变器并联，以提高等效开关频率，达剑系统要求的技术指标。仿真和 实验表明，两桥并联并联型p f c 系统具有良好的谐波补偿效果和功率冈数校止性能，直流侧均 压易于实现。采用倍频c p s s p w m 技术，能在较低的器件开关频率下实现较高的等效开关频 率。 为了将中等功率的开关器件应用丁高电压场合，本文研究采j h j 多个逆变器级联。级联时， 各级联逆变桥直流侧电压必须均衡。本文对直流侧电容均压控制进行了分析，在此基础上进行 了仿真研究。 关键词：功率冈数校正技术，有源电力滤波器，直接电流控制，倍频c p s s p w m 技术， 谐波补偿 l r c o m p l e xa l g o r i t h m as i n g l e f u l l b r i d g ei n v e r t e rs t r u c t u r ei ss i m p l ea n de a s yt oc o n t r o lr e l a t i v e l y b a s e do n s i n g l e - b r i d g e ，s h u n tp f ci ss t u d i e di nt h i sp a p e r t h ed e s i g nm e t h o do fm a i nc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i t p a r a m e t e r si si n t r o d u c e d t h e nap r o t o t y p eo ft h es h u n tp f cs y s t e mi sr e a l i z e d s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ec o m p e n s a t e dp o w e rf a c t o ri sc l o s et o1 ，h a r m o n i cc o n t e n ti sg r e a t l y r e d u c e d i no r d e rt oi n c r e a s et h eb a n d w i d t ho ft h ei n v e r t e ra n dr e a l i z eh i g h - o r d e rh a r m o n i cc u r r e n t c o m p e n s a t i o n ，m u l t i p l es h u n ti n v e r t e r sw i t hc p s - s p w mt e c h n i q u ea r ed i s c u s s e d t h a tw i l li n c r e a s e t h ee q u i v a l e n ts w i t c h i n gf r e q u e n c yt oa c h i e v et h es y s t e mr e q u i r e m e n t s s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t s s h o wt h a tt h es h u n tp f cs y s t e mi so fg o o dc o m p e n s a t i o na n dp f cp e r f o r m a n c e ，d cs i d ev o l t a g ei s l _ l l 南京航空航大人学硕十学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景1 1 1 1 谐波产生原冈及其危害一l 1 1 1 1 谐波产生的原冈l 1 1 1 2 谐波的危害l 1 1 2 谐波限制标准及其抑制方法2 1 1 2 1 谐波限制标准2 1 1 2 2 谐波抑制方法3 1 2 功率冈数校止技术3 1 2 1 功率冈数的基本概念。3 i 2 2 无源功率冈数校正技术4 1 2 3 有源功率冈数校正技术4 1 3 本文的主要一f ：作5 第二章并联型p f c 分析7 2 1 并联型p f c _ 丁作原理7 2 2 并联型p f c 功率电路拓扑结构8 2 2 1 单个全桥逆变器8 2 2 2 并联型逆变器8 2 2 3 级联型逆变器9 2 3 并联型p f c 控制方案1 0 2 3 1 直接电流控制策略1 0 2 3 2 并联型p f c 直流侧电压控制1 l 2 3 3 并联型p f c 交流侧电流控制l i 2 4 本章小结12 第三章单桥并联型p f c 技术研究1 3 3 1 单桥并联型p f c 参数设计1 3 3 1 1 主电路参数设计1 3 3 1 1 1 主电路容量计算13 3 1 1 2 直流侧电容值选取13 直接电流控制的并联p f c 研究 3 1 1 3 交流侧电感值选取1 4 3 1 2 闭环控制参数设计1 5 3 1 2 1 电流内环设计1 6 3 1 2 2 电压外环设计。1 7 3 2 单桥并联型p f c 仿真研究1 8 3 2 1 仿真参数1 8 3 2 2 仿真模型l9 3 2 3 不同负载情况。卜的仿真研究与分析2 0 3 3 单桥并联型p f c 实验研究2 2 3 3 1 系统结构框图2 2 3 3 2 硬1 i ，l ：电路设计。2 2 3 3 2 1 功率电路没计2 2 3 3 2 2 控制电路设计2 4 3 3 2 3 隔离驱动电路设计2 7 3 3 2 4 保护电路设计2 7 3 3 3 实验结果与分析。2 9 3 4 本章小结3 2 第四章两桥并联并联型p f c 技术研究3 3 4 1 倍频c p s s p w m 技术研究3 3 4 1 1 倍频c p s s p w m 技术原理3 3 4 1 2 基丁倍频c p s s p w m 技术的并联逆变器3 4 4 2 两桥并联并联型p f c 直流侧电压控制3 5 4 - 3 两桥并联并联型p f c 仿真研究一3 5 4 3 1 仿真参数3 5 4 3 2 仿真模型3 6 4 3 3 不同负载情况下的仿真研究3 6 4 4 两桥并联并联型p f c 实验研究3 9 4 4 1 两路移相载波的实现3 9 4 4 2 实验结果与分析4 0 4 4 3 与单桥并联型p f c 对比分析4 4 4 5 本章小结4 8 第五章两桥级联并联型p f c 技术研究4 9 一 一 ， 一 | i ， ， 南京航空航大人学硕十学位论文 5 1 两桥级联并联型p f c 直流侧电压控制一4 9 5 1 1 直流侧电压p i 控制的实现4 9 5 1 2 直流侧电压均压控制的实现4 9 5 1 2 1 控制调制波幅值，4 9 5 1 2 2 控制二角载波幅值4 9 5 2 两桥级联并联型p f c 仿真研究5 0 5 2 1 仿真参数5 0 5 2 2 仿真模型5 0 5 2 3 不同负载情况卜的仿真研究5 2 5 3 本章小结5 4 第入章总结与展望5 5 6 1 全文工作总结5 5 6 2 进一步一i ：作展望5 6 参考文献5 7 至5 【谢6 0 在学期间发表的学术论文6 l 直接电流控制的并联p f c 研究 图清单 图2 1 并联型p f c 原理框图7 图2 2 基于单个逆变桥的并联型p f c 拓扑8 图2 3 基于两桥并联逆变器的并联型p f c 拓扑9 图2 4 基于两桥级联逆变器的并联型p f c 拓扑1 0 图2 5 直接电流控制策略电路框图。1 0 图2 6 直流侧电压控制框图l l 图2 7 交流侧电流控制框图。1 2 图3 1 低通滤波器等效模型一1 5 图3 2 并联型p f c 系统等效框图1 6 图3 3 电流内环控制框图1 6 图3 4 电流内环根轨迹图。1 7 图3 5 直流侧电压外环控制框图17 图3 6 直流侧电压闭环传递函数框图1 8 图3 7 系统仿真框图。1 9 图3 8 电压p i 控制仿真框图1 9 图3 9 电流p 控制仿真框图1 9 图3 1 0p w m 信号产生仿真框图2 0 图3 1 l 主电路仿真框图2 0 图3 1 2 感性负载时系统仿真波形2 0 图3 1 3 容性负载时系统仿真波形2 0 图3 1 4 非线性负载时系统仿真波形2 1 图3 1 5 感性和非线性负载时系统仿真波形2 l 图3 1 6 容性和非线性负载时系统仿真波形2 l 图3 1 7 并联型p f c 系统整体结构框图2 2 图3 18 并联逆变器主电路2 3 图3 19 二阶低通滤波器2 4 图3 2 0 二阶低通滤波器的伯德图：2 5 图3 2 1v s m 0 2 5 a 连接图。2 5 图3 2 2 电源电压采样调理电路2 5 卢 h 南京航空航大人学硕十学位论文 图3 2 3 直流侧电压采样比较电路2 6 图3 2 4 乘法器电路2 6 图3 2 5c s m 0 5 0 l a 连接图2 6 图3 2 6 调制波信号产生2 6 图3 2 7 三角波产生电路2 7 图3 2 8p w m 波的生成2 7 图3 2 9 隔离驱动电路2 7 图3 3 0 过流保护电路2 8 图3 3l 过压保护电路2 8 图3 3 2 过流过压信号综合电路2 8 图3 3 3 感性负载时系统实验波形2 9 图3 3 4 容性负载时系统实验波形3 0 图3 3 51 卜线性负载时系统实验波形3 0 图3 3 6 感性和非线性负载时系统实验波形3 l 图3 3 7 容性和1 f 线性负载时系统实验波形3 l 图4 1 倍频c p s s p w m 调制示意图3 3 图4 2n 个逆变桥的并联叠加电路3 4 图4 3 直流侧电压控制框图一3 5 图4 4p w m 信号产生仿真框图3 6 图4 5 主电路仿真框图3 6 图4 6 感性负载时系统仿真波形3 7 图4 7 容性负载时系统仿真波形3 7 图4 81 f 线性负载时系统仿真波形3 7 图4 9 感性负载和非线性负载时系统仿真波形一3 8 图4 1 0 容性负载和非线性负载时系统仿真波形3 8 图4 1 1 两路移相方波电路4 0 图4 1 2 感性负载2 0 载时系统实验波形4 0 图4 1 3 感性负载半载时系统实验波形4 0 图4 1 4 感性负载满载时系统实验波形4 l 图4 1 5 容性负载2 0 载时系统实验波形4 l 图4 1 6 窬性负载半载时系统实验波形4 l 图4 1 7 容性负载满载时系统实验波形4 2 直接电流控制的行联p f c 研究 图4 1 81 卜线性负载2 0 载时系统实验波形4 2 图4 1 91 卜线性负载半载时系统实验波形4 2 图4 2 0 非线性负载满载时系统实验波形4 3 图4 2 l 感性和1 卜线性负载时系统实验波形4 3 图4 2 2 容性和1 f 线性负载时系统实验波形4 3 图4 2 3 感性负载时补偿后电源电流的频谱与谐波含量对比4 5 图4 2 4 容性负载时补偿后电源电流的频谱与谐波含量对比4 6 图4 2 5 非线性负载时补偿后电源电流的频谱与谐波含鲑对比4 6 图4 2 6 感性和1 线性负载时补偿后l u 源电流的频谱与谐波含量对比4 7 图4 2 7 容性和1 卜线性负载时补偿后电源电流的频谱与谐波含量对比4 8 图5 1 控制调制波幅值的直流侧电压控制框图4 9 图5 2 控制三角载波幅值的直流侧电压控制框图5 0 图5 - 3 系统仿真框图5 0 图5 4 直流侧电乐控制仿真框图5 1 图5 5 电流p 控制仿真框图5 1 图5 6p w m 信号产生仿真框图5l 图5 7 主电路仿真框图5 l 图5 8 感性负载时系统仿真波形5 2 图5 9 容性负载时系统仿真波形5 2 图5 1 0 非线性负载时系统仿真波形5 2 图5 1 1 感性负载和1 f 线性负载时系统仿真波形5 3 图5 1 2 容性负载和1 f 线性负载时系统仿真波形5 3 南京航空航天人学硕+ 学位论文 表清单 表1 1 公川电网谐波电压( 相电压) 限值3 表3 1 不同负载情况及其对应的补偿前后电源电流t h d 和输入p f 2 1 表3 2 样机设计的技术指标2 2 表3 3 不同负载情况及其对应的补偿前后电源电流t h d 利输入p f 3 1 表4 1 不同负载情况及其对应的补偿前后电源电流t h d 和输入p f 3 9 表4 2 不同负载情况及其对应的补偿前后电源电流t h d 和输入p f 。4 4 表5 1 不同负载情况及其对应的补偿前后电源电流t h d 和输入p f 5 3 直接电流控制的并联p f c 研究 注释表 ( 1 ) 缩略词及其全称 缩写 英文全称 p f cp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n p fp o w e rf a c t o r t h d t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n p p f c p a s s i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n a p f ca c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n s a p fs h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e r p w m p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n s p w ms i n u s o i d a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n c p s s p w m i g b t c a r r i e r sp h a s e s h i f t e ds i n u s o i d a lp u l s e w i d t hm o d u l a t i o n i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ( 2 ) 基本符号及其说明 电流波形畸变因数 相移冈数 电源电流 负载电流 基波有功电流 谐波及无功电流 逆变桥补偿电流 逆变桥直流侧电压 有功电流幅值 电源电流指令值 逆变桥直流侧电压基准值 电源电压有效值 逆变器等效开关频率 电源电压峰值 中文名称 功率冈数校正 功率冈数 总谐波欠真度 无源功率冈数校正 有源功率冈数校正 并联型有源电力滤波器 脉宽调制 正弦脉宽调制 载波移相正弦脉宽调制 绝缘栅双极性晶体管 逆变桥补偿电流的有效值 逆变桥无功电流有效值 电网角频率 幅度调制比 调制波 三角载波峰值 逆变桥直流侧电压初值 逆变桥直流侧的偏差电压 比例参数 积分参数 铁心截面积 真空磁导率 最大磁通密度 导线电流密度 缈m 以峨群k足肋易、 b 岛t 0么c e 以z 南京航空航大人学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 随着国l 心经济各行业现代化的发展，以各种各样电力电子设备为主的人量1 卜线性负荷的投 入运用，给电力系统注入了越来越多的谐波，致使电网中的谐波污染日益严重，影响剑电网供 电质量和j 【 j 户使h 的安全性【1 1 。冈此，研究和分析谐波产生的原冈，开展谐波抑制的研究对提 高电网运行质量和满足用户需求具有重要的意义。 1 1 1 谐波产生原因及其危害 1 1 1 1 谐波产生的原因 理想的公刚电网所提供的电压应该是单一而i 司定的频率以及规定的电压幅值，但实际的波 形总有不同的非止弦畸变。公刚电网中谐波产生的原冈主要有以_ 卜三个方面【2 1 ： 1 电源质量不高产生的谐波。发电机由于三相绕组在制作上很雉做到绝对对称，铁心也很 难做剑绝对均匀一致和其他些原冈，使得电源在发出基波电势的同时也会产生谐波电势，但 由丁其值很小，可以忽略。 2 输配电系统产生的谐波。输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的 饱和，磁化曲线呈非线性，饱和程度越深，变压器上作点偏离线性越远，谐波电流也就越人。 加上设计变压器时考虑经济性，使磁性材料一i ：作在磁化曲线的近饱和段上，从而产生谐波电流。 但所占比例也很小。 3 用电设备产生的谐波。在电力电子装置中，整流装置所占的比例最大，目前常用的整流 装置儿乎都采用二极管不控整流或品闸管相控整流。相控整流电路所产生的谐波污染和功率冈 数滞后是众所周知的，而实际上直流侧含滤波电容的二极管整流电路也是污染严重的谐波源， 其输入电流的基波分量相位与电网电压相位大体相同，相移冈数接近l ，但由于其输入电流呈 尖峰状，该电流含有犬量谐波分量，导致电源的输入功率冈数很低，给电网造成严重污染。除 了整流装置，逆变器、斩波器、开关电源等人量的应用，给电网造成的大量的谐波。由用电设 备产生的谐波比例很大，是电网主要的谐波源。 1 。1 1 2 谐波的危害 谐波电流和谐波电压的存在，对公用电网造成了很人的污染，使川电设备所处的环境恶化， 容易导致一系列的故障和事故。谐波对供电系统的危害主要有以一f j l 方面【3 】： 1 谐波使公用电网中的元件产生了附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大 直接电流控制的并联p f c 研究 鼙的3 次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。 2 谐波影响各种电气设备的正常j i ：作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机 械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、 寿命缩短，以至损坏。 3 在电力系统中为了补偿负载的无功功率，提高功率冈数，常在负载处装设并联电容器。 此外，为了滤除谐波，也会装设由电容器和电抗器组成的滤波器。住j ：频卜，这些电容器的容 抗比系统的感抗人得多，不会产生谐振。但对谐波米说，系统的感抗增人而容抗减小容易引起 并联谐振或串联谐振，从而使得谐波被放人儿倍或儿十倍，对电容器和电抗器形成很人的威胁，一 共至引起严重事故。 4 对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰和影响：i ：作性能。这些装置利设备都是按 - 照i ：作丁正常的电网环境下设计的，谐波会影响它f | j 的正常i ：作，严重时就造成误动作。谐波 还会使电气测鼙仪表计量不准确。 5 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致信息丢欠， 使通信系统无法正常：i ：作。 1 1 2 谐波限制标准及其抑制方法 1 1 2 1 谐波限制标准 制定谐波限制标准是解决电力系统谐波危害影响的重要措施，各种机构和学术组织纷纷制 定了相应的谐波标准来限制谐波电压和谐波电流。 1 9 8 2 年国际电一【：委员会( i e c ) 制定了第一个国际组织标准i e c 5 5 5 ，其后进行了多次修改， 如i e c 5 5 5 2 等【4 1 。1 9 9 2 年国际电气与电子j 二程师学会( i e e e ) 出台了i e e e 5 1 9 1 9 9 2 5 1 ，该标 准是一个建议标准，目的是将单次谐波t h d 限制在3 以下，总t h d 限制在5 以下。1 9 9 5 年国际电二l ：委员会( i e c ) 针对每相电流1 6 a 的用电设备制定了i e c 6 1 0 0 0 3 2 标准 6 1 ，同时 针对每相电流 1 6 a 的用电设备制定了i e c 6 1 0 0 0 3 _ 4 标准 7 1 。i e c 6 1 0 0 0 3 - 2 已被采纳为欧洲标 准e n 6 1 0 0 0 3 2 ，自2 0 0 1 年1 月1 日起在欧洲强制执行，取代了i e c 5 5 5 - 2 。 人功率的非线性、冲击性和不对称负载接入电网，使电能质量下降，严重影响了我国国民 j 经济的安全和人民的生活质量。为了保护供用电双方的利益，必须将电能质量指标限制在一定 范围内。为此，我国国家技术监督局于1 9 9 3 年发布了中华人民共和国国家标准g b t 1 4 5 4 9 9 3 ， 电能质量公用电网谐波【s 】，该标准从1 9 9 4 年3 月1 日起开始实施。 对丁不同电压等级的公用电网，允许电压谐波畸变率也不相同。电压等级越高，谐波限制 越严。另外，对偶次谐波的限制也要严丁对奇次谐波的限制。表1 1 给出了公刚电网谐波电压 限值【3 】。 2 南京航空航天人学硕十学何论文 表1 1 公川电网睹波电压( 相电压) 限值 电乐总谐波畸变率各次谐波电压含有率( ) 电网标称电压k v ( ) 奇次偶次 o 3 85 o4 02 o 6 4 03 21 6 1 0 3 5 3 o2 41 2 6 6 l l o2 01 6o 8 1 1 2 2 谐波抑制方法 电力谐波污染的抑制方法有两条【9 】：其一是装设谐波补偿装置米补偿谐波，这对各种谐波 源都是适川的；其二二是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率冈数可以控制 为l ，这当然只适朋予作为主要谐波源的电力电子装置。 本论文主要针对第一种途径开展研究，装设谐波补偿装置的传统方法就是采用l c 调谐滤 波器。这种方法既可补偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛应用。但是这 种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波 放大，使l c 滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿同定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。 因此，本论文开展采用功率冈数校正( p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ，p f c ) 技术的研究，将谐波污 染控制在相应标准要求的范同内。 1 2 功率因数校正技术 1 2 1 功率因数的基本概念 功率冈数p f ( p o w e rf a c t o r ) 1 1 0 1 是指交流输入有功功率p 与视在功率s 的比值，即 p p p f 2 专= 焘 (11)xisu ”“7 其中，u 是电网电压有效值，是电网电流有效值。 在a c d c 变换电路中，略去谐波电流的二次效应，可以认为输入电压为正弦，输入电流 为非正弦，则电流有效值为： i = 陌 式中， 、厶分别为基波电流有效值和第n 次谐波电流有效值。 设基波电流滞后于输入正弦电压的角度为p ，则： ( 1 2 ) 3 直接电流控制的并联p f c 研究 p f = 百u i lc o s 9 = 争c o s 护= 乃幻 ( 1 3 ) u i l u。 l o 式( 1 3 ) 中，屯( = ，。i ) 是电流波形畸变冈数( d i s t o r t i o nf a c t o r ) ，标志着电流波形偏离正 弦的程度；屯( = c o s o ) 是相移冈数( d i s p l a c e m e n tf a c t o r ) ，表示基波电流与正弦电压间相1 1 ：7 = 差， 即功率冈数为电流波形畸变冈数和相移冈数的乘积。 由丁1 卜线性电路的功率冈数与电流波形的失真情况有关，于是引入总谐波火真( t o t a l h a r m o n i cd i s t o r t i o n ，t h d ) 米衡鼙波形畸变情况，其定义为： t h d：巫：匝 i ii i ( 1 4 ) 则功率冈数与总谐波火真t h d 的关系为： p f = 而萧c o s l 9 t h d ( 1 5 ) 、，l + 2 “， 由上式可知，c o s 0 越人，t h d 越小，功率冈数就越高。冈此，提高功率冈数应该从减小 基波电压、基波电流之间的相位著p 和总谐波失真t h d 两方面入手。 p f c 技术根据是否采h 3 有源器件可分为无源p f c ( p a s s i v ep f c ) 技术和有源p f c ( a c t i v e p f c ) 技术。 1 2 2 无源功率因数校正技术 传统的无源p f c 技术采用l c 滤波器来增人整流桥导通角，从而降低电流谐波，提高功率 冈到j 。 无源p f c 技术电路简单、成本低、可靠性高、e m i 小。但存在许多缺点：滤波电感、电容 体积、重量人，输入谐波电流的抑制效果不是很好，难以达到很高的功率冈数( 一般可提高到 0 9 左右) ；由于采| j 电感和电容进行输入滤波， ：作性能与输入电压频率、负载变化及输入电 压变化有关等，因此它比较适用于功率较小、对体积和重量要求不高、对价格敏感的应用场合。 鉴于无源p f c 技术种种不足，为进一步提高功率因数，有源p f c 技术获得了发展。 1 2 3 有源功率因数校正技术 有源功率冈数校正技术( a p f c ) 是减小由于电气装置而引入的高次谐波成分对电网的污染 和提高电气装置的功率冈数p f 值的一种行之有效的方法。 有源功率因数校正技术( a p f c ) 通过在整流器与直流滤波电容间增加一级功率变换电路， 将输入电流校正成与输入电压同相位的正弦波，使功率冈数提高到近似为l ，而且具有稳定的 直流输出电压。a p f c 能对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿，而且补偿特性不受电网阻抗 和负载阻抗的影响，所以和无源功率因数补偿相比，具有补偿性好的优点，近年米受剑了相当 4 j 南京航空航天人学硕十学何论文 的重视【j 引。 有源p f c 技术由丁变换器1 ：作在高频开关状态，具有体积小、重量轻、谐波畸变率t h d 小、功率冈数高及可宽输入电压范陶i ：作等优点。近年来，有源p f c 技术的研究热点集中在： 新拓扑的提出；将d c d c 变换器中的新技术( 如软开关技术和开关电容功率网络等) 应用丁 p f c 电路中；新的控制方法的研究以及单级p f c 变换器的研究。 目前有源p f c 技术人多在整流器与负载之间串联接入d c d c 开关变换器，应川电流反馈 技术，使得输入端电流的波形跟踪交流输入正弦电压波形，从而控制电源电流接近正弦并与电 源电压同相。串联型p f c 存在的问题如f ： 1 需要处理交直流变换的全部功率，为减小输出电压纹波对输入电流波形的影响，即j 环控 制器的带宽设置比较低，导致系统的动态响应慢。 2 为了保证输入电流的正弦性，p f c 电路的功率管需要i ：作在高频状态下，对丁航空交流 电源系统，由丁电源频率为4 0 0 h z ，航空交直流变换设备若采刚p f c 电路改进功率冈数，开关 频率一般要求达到数十k h z ，导致效率低，器件选取i i i 难。 本课题参考_ 并联型有源电力滤波器( s a p f ) 拓扑，提出并联型p f c 的概念，利川并联接入电 网电源与输出负载之间的逆变器输出负载补偿电流，构成并联型p f c ，使得输入端电流的波形 跟踪输入正弦电压波形。采h 并联型p f c 具有两个明显的优点： 1 由于采用并联型结构，可以应用多p f c 支路并联或级联结构，使得采用较低开关频率 即可达到较高的等效开关频率。 2 并联型结构中，p f c 环节无需处理全部交直流变换功率，只需处理谐波和无功功率。 1 3 本文的主要工作 本文对直接电流控制的并联型p f c 进行了深入的分析和研究，文中对p f c 的上作原理、 电路结构、控制方案、系统的软硬件设计做了详细介绍，全文共分为人个部分： 第一章对课题研究的背景、功率冈数校止技术的意义、发展和分类做了简单的介绍，提出 本课题采用并联型p f c 技术。 第二章介绍了并联型p f c 技术的t 作原理，对几种主电路拓扑的补偿效果进行了分析比较。 并联型p f c 为一电流内环、电压外环的双闭环控制系统，电流控制采用直接电流控制策略，不 需要检测和计算负载中谐波及无功电流。 第三章针对单桥p f c 开展研究。首先进行了参数设计，包括主电路参数和闭环控制参数的 设计；其次对单桥p f c 进行了仿真研究：最后设计样机进行实验验证。 第四章对两桥并联并联型p f c 开展研究。为了提高等效开关频率，开关控制策略采用倍频 c p s s p w m 技术。首先简单介绍了倍频c p s ，s p w m 技术，提出直流侧电压采用最入值p i 控制； 其次参考单桥p f c 的设计方法，对两桥并联并联型p f c 进行仿真分析和实验验证；最后将实 5 直接电流控制的并联p f c 研究 验结果与单桥p f c 对比。 第五章对两桥级联并联型p f c 开展研究。级联的关键问题是直流侧均压的实现，文中对级 联桥并联型p f c 的均压控制的实现做了探讨，并通过仿真验证做了可行性验证。将仿真结果与 两桥并联并联型p f c 对比。 第人章对全文进行了总结平i l 同顾，并提出进步的研究l ：作设想。 南京航空航天人学硕十学位论文 第二章并联型p f c 分析 并联型p f c 的控制目标是使电源电流跟踪电源电压，实现单位功率冈数校正。本章首先分 析了并联型p f c 的i ：作原理，接着对功率电路拓扑结构、控制方案进行了分析研究。并联型 p f c 系统采j i j 直接电流控制策略，内环交流测电流p 调节、外环直流测电压p i 调节的舣闭环控 制方案。 2 1 并联型p f c 工作原理 并联型p f c 原理框图如图2 1 所示。谐波源负载电流t 中除了基波有功电流0 外还含有谐 波及无功电流么。当p f c 逆变器输出电流与电流么相等时，电源电流e 中就仅含负载电流 中的基波有功分量f ：，从而实现与电源电压同频同相，获得高的输入端功率因数3 1 。 谐 逆变器 图2 1 并联型p f c 原理框图 上述原理可下列公式描述： 2 屯一l f ( 2 1 ) t2 0 + 么 ( 2 2 ) 令 2 ( 2 3 ) 则 2 么 ( 2 4 ) 由以上公式可知：若直接控制电源电流为负载电流基波有功分量0 ，则逆变器输出的即 为谐波及无功电流么，从而使电源电流与电源电压同相位。由于逆变器直流侧电压仅由电容器 维持，忽略其本身损耗，稳态时逆变器只能吸收或发出谐波及无功电流，且最终控制目标是使 电源电流与电源电压同频同相。因此电源电流的指令电流的相位可由电源电压决定，其幅值可 由逆变器