开关电源15、有源功率因数校正

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。二极管整流电路电能质量的一些基本概念

基波：频率为工频（我国为50Hz）的电气量（电压、电流）。谐波：频率为非工频的电气量，其频率通常是工频的整数倍。(如250Hz电流称5次谐波电流)。

整流电路电流波形及其频谱300kW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）

电压频谱

电流频谱

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：

定义有功功率和视在功率的比为功率因数PF： 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：其中：，即基波电流有效值和总电流有效值之比，THD称为电流谐波总畸变率，其定义为：THD＝称基波因数。称为基波功率因数。 同理可定义电压谐波总畸变率。

三相电压对称：ua,ub,uc同幅、同频、相位各差120º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）：ua,ub,uc的波形不是正弦畸变=非正弦=含谐波四种情况：对称无畸变对称有畸变不对称无畸变不对称有畸变

三相电压不对称和非正弦（畸变）谐波和无功功率的危害谐波危害：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。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,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。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，损坏设备。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。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。无功功率的危害：增加设备容量 根据公式： 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，从而使得电气设备容量和导线容量的增加。设备和线路的损耗增加 无功功率的增加，使得总电流增大，因而使设备和线路的损耗增加，线路电阻为R,则线路损耗为：

其中：这部分损耗就是无功功率引起的。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(传输)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。 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，消除谐波污染并提高功率因数,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本手段有两条：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。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），功率因数甚至可以控制为1（单位功率因数变流器）。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。无源滤波器缺点：与系统阻抗谐振。多支路。

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（ActivePowerFactorCorrection）。

单相有源功率因数校正电路

下图是单相Boost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Boost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1。

是交流电压经过全波整流后的电压；是交流电流经全波整流后的电流。

下图所示是三相Boost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L从整流桥直流侧移到了交流侧各相。当开关V闭合时，直流侧整流桥被短路，三相电感均处于储能状态，各相电流绝对值增大，当开关V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困难。 三相功率因数校正电路技术远不如单相有源功率因数校正技术成熟。

PWM整流电路

把逆变电路及其PWM控制技术用于整流电路，就构成了PWM整流电路。通过对PWM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，功率因数近似为1（单位功率因数变流器），PWM整流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。对

V1－V4进行PWM控制，在AB端可得到正弦调制的PWM电压波形。在es一定的情况下，电流is的幅值和相位受控于AB端电压的基波分量。单相PWM整流电路三相PWM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PWM整流电路的电流

ick，并且根据下一控制周期开始时刻的电流指令值

ick*

，由差值

ick*-ick计算出IGBT开关时间，使

ick在下一控制周期开始时刻等于ick*

。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PWM整流电路的电流跟踪上电流指令值）。e1,e2,

e3

为电源三相电压，ic1,ic2,ic3

为PWM整流器的三相电流，

R、L

分别为滤波电感的绕组电阻和电感值，Ud

为直流电容电压。

PWM控整流器无差拍控制数学模型为描述三个桥臂IGBT的开关状态，引入开关函数d1*,d2*,d3*,定义如下：A相桥臂上管开通，d1*=1，此时。反之下管开通，d1*=0,

此时。B相桥臂上管开通，d2*=1，此时。反之下管开通，d2*=0,此时。

C相桥臂上管开通，d3*=1,此时。反之下管开通，d3*=0,

此时

。

PWM控整流器无差拍控制数学模型方程改写为以上三个方程相加，并考虑到e1+e2+e3=0，可得

由开关函数表述的直流电压方程

PWM控整流器无差拍控制数学模型定义三个桥臂IGBT上管的开关信号占空比为d1,d2,d3

k=1,2,3其中

tk

为桥臂IGBT上管开通时间，TS

为IGBT开关周期。在一个开关周期TS

内，占空比d1,d2,d3实际上是开关函数

d1*,d2*,d3*

的平均值。当IGBT开关频率比较高时，可用平均值含义的

d1,d2,d3代替d1*,d2*,d3*。

PWM控整流器无差拍控制数学模型由该模型可知，状态变量ic1,ic2,ic3和

Ud的变化可由开关占空比d1,d2,d3控制，将该模型离散化，令k=1,2,3

PWM控整流器无差拍控制数学模型ick*为下一周期起始时刻电流指令值，ick为当前周期PWM整流器电流，由电流霍尔测量电路获得。解得

d1,d2,d3为k=1,2,3该式含义为：当IGBT开关时间等于

tk

时，在一个周期之内PWM整流器使其输出电流ick

等于电流指令值

ick*,从而达到无差拍控制的目的。在求得tk

之后，很容易由DSP内部的PWM发生器产生相应的开关脉冲信号，驱动IGBT。

k=1,2,3

PWM控整流器直流电压控制直流电压指令值

Ud*

与实际值Ud

之差经数字PI调节器调节电源电流

is中的大小。当

is

中加大时，Ud

增大。反之Ud

减小。电压突增、电阻突减时波形仿真结果:采用Simulink/powerlib仿真

1.

空间矢量：1983年Holtz提出。三个任意数x、y、z组成的空间矢量为

—空间矢量逆时针转120º。

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

x=0，y=0，z=0,S=0零矢量三相PWM整流电路在非理想电源电压下的控制

随t增加，以ω旋转。在a-b-c坐标系的坐标为（ua,ub,uc)定义另一个坐标系d-q坐标系，以ω旋转。在d-q坐标系中为静止的一个矢量,其在d-q坐标系中坐标为（ud,uq）。

2.坐标变换

3.

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将上式离散化(k=a,b,c)式中5、仿真结果采用Simulink/powerlib仿真。仿真参数：开关频率fc=8.5KHz，主电抗器电感L=3mH，直流电容C=1000μF,负载电阻R=60Ω。6、实验结果郭文杰，“用于三相电压型PWM整流器的级联式非线性PI控制器”中国电机工程学报。YouXiaojie，LiYongdong“Predictivecurrentcontrolofthree-phasePWMrectifierundertheconditionofnon-idealsourcevoltage”IEEEPEDS’03,Singapore双PWM变频器

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