开关电源15、有源功率因数校正

1、有源功率因数校正开关电源输入整流电路对电网的影响开关电源输入整流电路对电网的影响 开关电源一般由公共电网经过二极管整流获得直流电压。开关电源一般由公共电网经过二极管整流获得直流电压。整流电路对于电网来说是非线性负载，负载电流中含有大量整流电路对于电网来说是非线性负载，负载电流中含有大量的谐波和无功成份，使得电网的电能质量恶化。的谐波和无功成份，使得电网的电能质量恶化。二极管整流电路二极管整流电路电能质量的一些基本概念电能质量的一些基本概念 基波：基波：频率为工频（我国为频率为工频（我国为50Hz）的电气量（电压、电流）。）的电气量（电压、电流）。 谐波：谐波：频率为非工频频率为非工频的电气量，

2、其频率通常是的电气量，其频率通常是工频工频的整数倍。的整数倍。 (如如250 Hz电流称电流称5次谐波次谐波电流电流)。 整流电路电流波形及其频谱整流电路电流波形及其频谱300kW中频炉（电源与炉体）中频炉（电源与炉体）中频炉满载时电源电压（上波形）和电流（下波形）中频炉满载时电源电压（上波形）和电流（下波形） 电压频谱电压频谱 电流频谱电流频谱 正弦电路的无功功率和功率因数正弦电路的无功功率和功率因数 在正弦电路，线性负载的情况下，电路中的电在正弦电路，线性负载的情况下，电路中的电压和电流都是正弦的，电路的无功功率定义为：压和电流都是正弦的，电路的无功功率定义为：电路的有功功率定义为：电路的

3、有功功率定义为： 定义有功功率和视在功率的比为功率因数定义有功功率和视在功率的比为功率因数PF：sinUIQ cosUIP SPPF 非正弦电路的无功功率和功率因数非正弦电路的无功功率和功率因数 电压为正弦，电流为非正弦情况下，功率因数定义为：电压为正弦，电流为非正弦情况下，功率因数定义为： 1211111cos)(11coscoscosTHDIIUIUISPPF 其中：其中：II1，即基波电流有效值和总电流有效值之比，即基波电流有效值和总电流有效值之比，1cosTHD称为电流谐波总畸变率，其定义为：称为电流谐波总畸变率，其定义为：THD1121212vIII称基波因数。称基波因数。 称为基波

4、功率因数。称为基波功率因数。同理可定义电压谐波总畸变率。同理可定义电压谐波总畸变率。三相电压对称：三相电压对称：ua , ub , uc同幅、同频、相位各差同幅、同频、相位各差120三相电压不对称：不满足以上三条件中的任何一个三相电压不对称：不满足以上三条件中的任何一个三相电压非正弦（畸变）三相电压非正弦（畸变） ：ua , ub , uc的波形不是正弦的波形不是正弦 畸变畸变=非正弦非正弦=含谐波含谐波四种情况：四种情况： 对称无畸变对称无畸变 对称有畸变对称有畸变 不对称无畸变不对称无畸变 不对称有畸变不对称有畸变 三相电压不对称和非正弦（畸变）三相电压不对称和非正弦（畸变）谐波和无功功率

5、的危害谐波和无功功率的危害谐波危害：谐波危害：1.谐波使公用电网的元件产生了附加的谐波损耗，降低了谐波使公用电网的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。发电、输电及用电设备的效率。2.谐波影响各种电气设备的正常工作。比如谐波不仅使电谐波影响各种电气设备的正常工作。比如谐波不仅使电机产生附加损耗机产生附加损耗,还使电机产生机械振动、噪声和过电压还使电机产生机械振动、噪声和过电压,使变压器、电容器等设备过热、绝缘老化等危害。使变压器、电容器等设备过热、绝缘老化等危害。3.谐波引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而谐波引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大

6、，损坏设备。使谐波放大，损坏设备。4.导致继电保护和自动装置的误动作，使电气测量仪表计导致继电保护和自动装置的误动作，使电气测量仪表计量不准确。量不准确。5.谐波对控制系统和通讯系统产生干扰，使通讯质量下降谐波对控制系统和通讯系统产生干扰，使通讯质量下降或根本无法正常工作。或根本无法正常工作。无功功率的危害：无功功率的危害：1.增加设备容量增加设备容量根据公式：根据公式：无功功率的增加，会导致在有功功率不变的情况无功功率的增加，会导致在有功功率不变的情况下，视在功率的增加和电流增大，从而使得电气下，视在功率的增加和电流增大，从而使得电气设备容量和导线容量的增加。设备容量和导线容量的增加。2.设

7、备和线路的损耗增加设备和线路的损耗增加无功功率的增加，使得总电流增大，因而使设备无功功率的增加，使得总电流增大，因而使设备和线路的损耗增加，线路电阻为和线路的损耗增加，线路电阻为R, ,则线路损耗为：则线路损耗为： 其中：其中： 这部分损耗就是无功功率引起的。这部分损耗就是无功功率引起的。22QPUISRUQPP222RUQ223.使线路和设备的压降增大。无功功率的增加，使得线路使线路和设备的压降增大。无功功率的增加，使得线路的总电流增大，线路的的总电流增大，线路的(传输传输)压降也将随之增大，严重压降也将随之增大，严重影响电网的供电质量，甚至可能导致电网崩溃。影响电网的供电质量，甚至可能导致

8、电网崩溃。由于电力电子装置产生大量的谐波和无功功率，严重影由于电力电子装置产生大量的谐波和无功功率，严重影响了电力电子技术的发展与应用，因此，消除谐波污染并响了电力电子技术的发展与应用，因此，消除谐波污染并提高功率因数提高功率因数,已成为现代电力电子技术中的一个重大课已成为现代电力电子技术中的一个重大课题。解决电力电子装置的谐波污染和低功率因数问题的基题。解决电力电子装置的谐波污染和低功率因数问题的基本手段有两条：本手段有两条：1.装设补偿装置，以补偿其谐波和无功功率，各种类型的装设补偿装置，以补偿其谐波和无功功率，各种类型的电力电子谐波源都可以用这个办法补偿。电力电子谐波源都可以用这个办法补

9、偿。2.对电力电子装置本身进行改进，使其不产生谐波，且具对电力电子装置本身进行改进，使其不产生谐波，且具有较高的功率因数（高功率因数变流器），功率因数甚有较高的功率因数（高功率因数变流器），功率因数甚至可以控制为至可以控制为1（单位功率因数变流器）。（单位功率因数变流器）。无功功率的危害：无功功率的危害： 加装补偿装置：无源电力滤波器和有源电力滤波器。加装补偿装置：无源电力滤波器和有源电力滤波器。 无源滤波器缺点：与系统阻抗谐振。多支路。无源滤波器缺点：与系统阻抗谐振。多支路。 55021)(CLff谐波源CfLsLf5次无源滤波器电源并联型有源电力滤波器负载负载电流 iL电源电流 is电源补

10、偿电流 ictiLfiLhicisttiLiLiLf对电力电子装置本身进行改进高功率因数变流器：通常对电力电子装置本身进行改进高功率因数变流器：通常使用有源器件，故称为有源功率因数校正电路使用有源器件，故称为有源功率因数校正电路（Active Power Factor Correction）。 单相有源功率因数校正电路单相有源功率因数校正电路 下图是单相下图是单相Boost功率因数校正电路原理图。在整流桥和滤功率因数校正电路原理图。在整流桥和滤波电容之间增加了由直流电感、二极管和开关器件组成的波电容之间增加了由直流电感、二极管和开关器件组成的Boost电路。通过对开关的控制，可使交流电流的为正

11、弦波，并且和电电路。通过对开关的控制，可使交流电流的为正弦波，并且和电压同相位，功率因数接近为压同相位，功率因数接近为1。 Lu是交流电压经过全波整流后的电压是交流电压经过全波整流后的电压；1Li是交流电流经全波整流后的电流。是交流电流经全波整流后的电流。 下图所示是三相下图所示是三相Boost功率因数校正电路，是单相功率因数校正电路，是单相Boost功率校正电路在三相的延伸。将单相功率因数校正电路的电感功率校正电路在三相的延伸。将单相功率因数校正电路的电感L从整流桥直流侧移到了交流侧各相。从整流桥直流侧移到了交流侧各相。 当开关当开关V闭合时，直流侧整流桥被短路，三相电感均处于储闭合时，直流

12、侧整流桥被短路，三相电感均处于储能状态，各相电流绝对值增大，当开关能状态，各相电流绝对值增大，当开关V断开时，二极管导通，断开时，二极管导通，各相电感中储存的能量连同交流电源一同向直流测电源和负载各相电感中储存的能量连同交流电源一同向直流测电源和负载供电，各相的电流绝对值减小。供电，各相的电流绝对值减小。三相有源功率因数校正电路三相有源功率因数校正电路 三相功率因数校正电路由于此电路中只有一个开三相功率因数校正电路由于此电路中只有一个开关，要控制三相电流均为正弦波且和电压同相位比较关，要控制三相电流均为正弦波且和电压同相位比较困难。困难。三相功率因数校正电路技术远不如单相有源功率三相功率因数校

13、正电路技术远不如单相有源功率因数校正技术成熟。因数校正技术成熟。 PWM整流电路整流电路 把逆变电路及其把逆变电路及其PWM控制技术用于整流电路，就构控制技术用于整流电路，就构成了成了PWM整流电路。通过对整流电路。通过对PWM整流电路的适当控制，整流电路的适当控制，可以使输入电流非常接近正弦波，且电流和电压同相位，可以使输入电流非常接近正弦波，且电流和电压同相位，功率因数近似为功率因数近似为1（单位功率因数变流器），（单位功率因数变流器）， PWM整流整流电路的另一个重要特点是能量可以双向流动。电路的另一个重要特点是能量可以双向流动。 PWM整流电路实质上是一个受控电流源。整流电路实质上是一

14、个受控电流源。 对对 V1 V4进行进行PWM控制，在控制，在AB端可得到正弦调制的端可得到正弦调制的PWM电压波形。在电压波形。在 es 一定的情况下，电流一定的情况下，电流is的幅值和相位受控于的幅值和相位受控于AB端电压的基波分量。端电压的基波分量。单相单相PWM整流电路整流电路三相三相PWM整流电路的数字控制方法无差拍控制整流电路的数字控制方法无差拍控制 每一个控制周期的开始时刻，采样每一个控制周期的开始时刻，采样PWM整流电路的整流电路的电流电流 ick ，并，并且根据下一控制周期开始时刻的电流指令值且根据下一控制周期开始时刻的电流指令值 ick* ，由差值，由差值 ick*-ick

15、计算出计算出IGBT开关时间，使开关时间，使 ick 在下一控制周期开始时刻等于在下一控制周期开始时刻等于ick* 。这种无差拍。这种无差拍控制方法具有开关频率固定、动态响应快的特点（在一个开关周期内控制方法具有开关频率固定、动态响应快的特点（在一个开关周期内PWMPWM整流电路的电流跟踪上电流指令值）。整流电路的电流跟踪上电流指令值）。e e1 1 , e, e2 2 , , e e3 3 为电源三相电压，为电源三相电压，i ic1 c1 , i, ic2 c2 , i, ic3c3 为为PWMPWM整流器的三相电流，整流器的三相电流， R R、L L 分别为滤波电感的绕组电阻和电感值，分别

16、为滤波电感的绕组电阻和电感值，U Ud d 为直流电容电压。为直流电容电压。 PWMPWM控整流器无差拍控制数学模型控整流器无差拍控制数学模型)(111NODNADccuueuRidtdiL)(222NOENBEccuueuRidtdiL)(333NOFNCFccuueuRidtdiL为描述三个桥臂为描述三个桥臂IGBTIGBT的开关状态，引入开关函数的开关状态，引入开关函数d d1 1* *, d, d2 2* *, d, d3 3* * , , 定义如下：定义如下：A A相桥臂上管开通，相桥臂上管开通，d d1 1* *=1=1，此时，此时 。反之下管开通，。反之下管开通，d d1 1*

17、*=0 ,=0 , 此时此时 。B B相桥臂上管开通，相桥臂上管开通，d d2 2* *=1=1 ，此时，此时 。反之下管开通，。反之下管开通，d d2 2* *=0 ,=0 , 此时此时 。 C C相桥臂上管开通，相桥臂上管开通，d d3 3* *=1=1 , , 此时此时 。反之下管开通，。反之下管开通，d d3 3* *=0 ,=0 , 此时此时 。0DNu0ENu0FNudDNUudENUudFNUu PWMPWM控整流器无差拍控制数学模型控整流器无差拍控制数学模型)(*1111NOdccuUdeRidtdiL)(*2222NOdccuUdeRidtdiL)(*3333NOdccuUd

18、eRidtdiL 方程改写为方程改写为以上三个方程相加，并考虑到以上三个方程相加，并考虑到e1 + e2+ e3 = 0 ，可得，可得 )(3*3*2*1dddUudNOLdcccdRUdidididtdUC*33*22*11由开关函数表述的直流电压方程由开关函数表述的直流电压方程 PWMPWM控整流器无差拍控制数学模型控整流器无差拍控制数学模型定义三个桥臂定义三个桥臂IGBTIGBT上管上管的开关信号占空比为的开关信号占空比为 d d1 1 , d, d2 2 , d, d3 3 SkkTtdk=1,2,3 其中其中 t tk k 为桥臂为桥臂IGBTIGBT上管开通时间，上管开通时间，T

19、TS S 为为IGBTIGBT开关周期。在一个开关周期开关周期。在一个开关周期T TS S 内，占空比内，占空比d d1 1 , d, d2 2 , d, d3 3 实际上是开关函数实际上是开关函数 d d1 1* *, d, d2 2* *, d, d3 3* * 的平均值。当的平均值。当IGBTIGBT开关开关频率比较高时，可用平均值含义的频率比较高时，可用平均值含义的 d d1 1 , d, d2 2 , d, d3 3 代替代替d d1 1* *, d, d2 2* *, d, d3 3* *。A相桥臂B相桥臂C相桥臂STtd11STtd22STtd33t1t2t3TSt PWMPWM

20、控整流器无差拍控制数学模型控整流器无差拍控制数学模型dcccdcccUiiiRdddddddRddddRddddRUiiidtdCLLL3210321132132131300321312003213110000000000000000000010000100001321eee由该模型可知，状态变量由该模型可知，状态变量i ic1 c1 , i, ic2 c2 , i, ic3c3和和 U Ud d的变化的变化可由开关占空比可由开关占空比d d1 1 , d, d2 2 , d, d3 3 控控制，将该模型离散化，令制，将该模型离散化，令ckckSckiiTdtdi*1k = 1,2,3 PWM

21、PWM控整流器无差拍控制数学模型控整流器无差拍控制数学模型i ickck* * 为下一周期起始时刻电流指令值，为下一周期起始时刻电流指令值，i ickck 为当前周期为当前周期PWMPWM整流器电流，由电流霍尔整流器电流，由电流霍尔测量电路获得。解得测量电路获得。解得 d d1 1 , d, d2 2 , d, d3 3 为为211*ckSckSkdkiTLiTLReUdk = 1,2,3 该式含义为：当该式含义为：当IGBT开关时间等于开关时间等于 tk 时，在一个周期之内时，在一个周期之内PWM整流器整流器使其输出使其输出电流电流ick 等于电流指令值等于电流指令值 ick* , 从而达到

22、无差拍控制的目的。在求得从而达到无差拍控制的目的。在求得tk 之后，很容易之后，很容易由由DSP内部的内部的PWM发生器产生相应的开关脉冲信号，驱动发生器产生相应的开关脉冲信号，驱动IGBT。 21*ckSckSkdSkiTLiTLReUTtk = 1,2,3 PWMPWM控整流器控整流器直流电压直流电压控制控制 直流电压指令值直流电压指令值 U Ud d* * 与实际值与实际值U Ud d 之差经数字之差经数字PIPI调节器调节电源电流调节器调节电源电流 i is s 中的大中的大小。当小。当 i is s 中加大时，中加大时，U Ud d 增大。反之增大。反之U Ud d 减小。减小。电压

23、突增、电阻突减时波形 仿真结果仿真结果: 采用Simulink/powerlib仿真1. 空间矢量：空间矢量：1983年年Holtz提出。提出。三个任意数三个任意数x、y、z组成的空间矢量为组成的空间矢量为 空间矢量逆时针转空间矢量逆时针转120。 例如：例如： x = 1，y = 0，z = 0， x = 0，y =1，z = 0， x = 0，y =0，z =1， x =2，y =1，z = 0， x =1，y = 1，z = 1，S = 0 零矢量零矢量 x = 0，y = 0，z = 0, S = 0 零矢量零矢量3432jjzeyexS32je343jeS322jeS3242jeS1

24、1SabcS S4 4S S1 1S S3 3S S2 2三相三相PWM整流电路在非理想电源电压下的控制整流电路在非理想电源电压下的控制 随随t增加，以增加，以旋转。旋转。 在在a-b-c坐标系的坐标为（坐标系的坐标为（ua , ub , uc )定义另一个坐标系定义另一个坐标系d-q 坐标系，以坐标系，以旋转。旋转。 在在d-q坐标系中为静止的一个矢量坐标系中为静止的一个矢量,其在其在d-q坐标系中坐标为（坐标系中坐标为（ ud , uq ）。）。)34sin(tUuzmc3432jcjbaeueuuS)32sin(tUuymbtUuxmasinSabcSS0t2/tt2/3tScabtdq

25、SSuduq2. 2. 坐标变换坐标变换 cbaqduuuttttttuu)32sin()32sin(sin)32cos()32cos(cos32cbaqdiiittttttii)32sin()32sin(sin)32cos()32cos(cos32qdcbauuttttttuuu)32sin()32cos()32sin()32cos(sincosqdcbaiittttttiii)32sin()32cos()32sin()32cos(sincos3. 非理想电源电压下的电源电压基波提取电流指令相位获得非理想电源电压下的电源电压基波提取电流指令相位获得babENDNaeedtdiLuudtdiL

26、cbcFNENbeedtdiLuudtdiLd*aDNUdud*bENUdud*cFNUduRUdidididtdUCd*cc*bb*aadbad*b*abaeeUdd dtdiLdtdiLcbd*c*bcbeeUdd dtdiLdtdiL由于平均值意义的da、 db 、dc 代替da*、 db* 、dc*， 4、非理想电源电压下的无差拍控制、非理想电源电压下的无差拍控制0eee0 0 0 0 10 0 1 1001UiiiR1 )d(d)d(dd0 0 d 0 0 d 0 0 UiiidtdC0 0 0 L0 0 L L00Lcbadcbacbbacbadcba/将上式离散化 sk*kkTiidtdi(k=a,b,c) 21(231)ee2exxxTLUdcbacbasda21)2(231