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1、1非线性控制的功率因数校正技术胡炎申 华南理工大学电力学院摘要：本文简要回顾了电网中存在电流谐波失真的现状，概括了各种不同方式的功率因数校正电路，论述了使用电力电子技术实现有源功率因数校正的有效性。在对比有源功率因数校正电路中各种控制方式的基础上，提出了两种可能的非线性控制方法：非线性电流内环控制，可以达到最佳的控制性能，虽然电流内环可能存在不稳定性，但具有进一步研究的实用价值；鲁棒性控制，克服常规电流模式控制策略的局限性，实现输入电流完全跟随电流参考信号，而不受输入电压、输出负载或其他因素的影响。最后分别仿真 Boost与 SEPIC 电路，证明这两种非线性方法可实现高功率因数与低谐波失真。
2、1背景介绍随着信息科技与半导体技术的不断发展，通信设备与计算机系统中的电源要求达到更高的功率等级、更小的体积、更高的工作效率、及更高的可靠性。作为电源系统前端AC/DC 变换器的关键组成部分，功率因数校正电路的运行可靠性、提高网侧的功率因数、及减小网侧谐波失真的重要目标。1.1 电网中的谐波由于内部的阻抗特性，有些电气产品的功率因数较低。发电厂经由输配电系统送至用户端的市电为 220V/50Hz 的交流电，而电气产品的负载阻抗有三种状况：电阻性、电容性、和电感性，其中只有电阻性负载会消耗功率而产生如光、音、或热等能源转换，而纯电容性或电感性负载只会储存能量，并不会造成能量的消耗。图 1、图 2
3、、及图 3 分别为纯电阻性、纯电容性和纯电感性负载加上交流电压后的电压、电流、及功率的电路简图和波形。2图 1 纯电阻性负载的电路简图和波形图 2 纯电容性负载的电路简图和波形图 3 纯电感性负载的电路简图和波形消耗的瞬时功率为电压和电流的乘积，即 ，把波形图上每一点 V 和 I 的正IVP弦波波形相乘而得到另一个波形 P，则发现到图 1(b)的纯电阻性负载，功率 P 都是在正的方向上变化，而在一个周期内电源 V 在电阻 R 上所做的功率 W 为 P 为在周期 T 内和横轴所围绕的面积，即 ，由此可知加在电阻性负载上的电源作有功功率。然而如果为dtWT0纯电容性或纯电感性负载如图 2(b)和图
4、 3(b)，其功率变化是在横轴的上下来回震荡，且每相位变换一次，其所作的功 W 为 P 在周期 T 内的积分，即 ，这是因为90 00dtT正相面积和反相面积相互抵消，可见电流作功只是正相时间给负载，但是在反相时又把功返送回去，所作的是无功功率，因此纯电容或纯电感负载只储存能量而不消耗或转换能量。3一般而言，不同的电气产品其负载状况都不一样，其电压和电流波形愈加复杂。以桥式整流电路为例，几乎所有使用到直流电压的电气产品，其电源供应器的最前面一般大都会使用桥式整流，再加上一个大容量的滤波电容，以得到较为平直的直流电压。其电路如图 4，各节点的波形如图 5。图 4 桥式整流滤波电路4图 5 桥式整
5、流滤波电路各点电压及电流波形在没有滤波电容 C 的情况下，正弦波交流电 Va 输入桥式整流后得到如 Vb 的波形，经过滤波电容 C 的储存电荷作用后，得到近似稳定的直流电压波形 Vc，仔细看 Vc 波形上的时段 A，Vc=Vb，此即表示 Vb 点有电流流向 Vc 点而至负载同时对电容 C 充电以保持电压，故 Vb 点有电流 j 流向电容及负载，同时 Va 点亦有电流 l。而进入时段 B，Vc 点电压由于有电容保持之故，刚呈现近乎峰值电压的准位，随后因为负载的消耗功率而有缓慢下降的趋势，但是此时的 Vc 电压仍高于 Vb，故此时段 Vb 点的电流 j=0，相对的 Va 点的电流亦l=0。由此可知
6、，Va 点的电压供应，只会在 Va 为峰值的附近(即时段 A)时才会有电流，故电流波形为脉冲状，并且发生严重畸变，产生大量谐波并且造成输入端功率因数下降。二极管整流电路对电网产生了大量谐波和无功功率，其危害主要有 ：造成供电质量下降；1影响电网的可靠性；造成电能利用率下降等。12 功率因数校正技术为了减少 AC/DC 变换器输入端谐波电流造成的噪声和对电网产生的谐波污染，以保证电网的供电质量，提高电网的可靠性；同时也为了提高输入端功率因数，以达到节能的效果；必须限制 AC/DC 电路输入端谐波电流分量。由于电力电子装置是现在最主要的谐波污染源，迫使电力电子领域的研究人员对谐波的污染问题要给出有
7、效的解决方案。功率因数校正电路(PFC)的可使输入电压与电流波形一致、相位相同，可分为无源功因校正和有源功因校正。无源功因校正电路对于功因值的要求较不严格，而使用低频滤波电感串联在输入端上，如图 6，或配合电容作 LC 型或 型低通滤波器，如图 7。图 6 仅用电感滤波来改善功因值5图 7 使用 LC 与 型滤波来改善功因值对于谐波失真、功率因数要求严格的场合，多采用有源功率因数校正电路(APFC)，其主要优点是：可获得较高的功率因数，如 0.970.99，甚至接近 1；谐波畸变率 THD 小；可在较宽的输入电压范围(如 90264Vac)和宽频带下工作；体积小、重量轻；输出电压恒定，动态响应
8、较快。功率因数是电路对电网供电质量的一个重要指标，开关电路电路这类非线性系统中，定义功率因数为：-iniIVP视 在 功 率有 功 功 率-(1)若电网输入电压 为正弦波，输入电流为非正弦波，因而电流有效值为：i-.221ninIII-(2)、 、 分别为电流基波分量、二次谐波和 n 次谐波电流有效值。1I2nI设基波电流 落后 的相位差为 ，则有功功率和功率因数可表示为：1iV-cosIPin-(3)-s11ininiIV-(4)上式中， ，此式表示基波电流相对值，称为波形因.2211ninIII数， 称为位移因数，即功率因数为畸变因数和位移因数的乘积。cos仅用功率因数并不能表征电流谐波的
9、特性，高的功率因数比较容易得到，但 0.999 的功率因数仍有 3%的波形失真，功率因数为 0.95 的波形其失真可能大于 30%，因此必须引入总谐波畸变 THD 这样一个指标。-2132.IITHDninh 6-(5)为所有谐波电流的总有效值。由以上两式可得：hI-21THDin-(6)当 时， -021TIin-(7)有源功率因数校正的基本原理是在整流器和负载之间接入一个 DC/DC 开关变换器，应用电流反馈技术，使输入端电流波形跟踪输入正弦电压波形，使其接近正弦波。PFC 电路的具体实现可以利用六类基本 DC/DC 变换拓扑(Buck，Boost，Buck-Boost，Cuk，SEPIC
10、，ZETA)中的任意一种 。有源功率因数校正的基本思想是，通过高频2变换技术，使设备入端对电网呈现出电阻特性 。这样，输入电流的波形与输入电压的波3形就始终能够保持一致，只要电网是正弦的，输入电流也就是正弦的，没有谐波，没有相位差。事实上，PFC 电路是将电网电压的采样信号作为电流控制的跟踪目标。虽然现在的电网电压中由于电力电子装置的原因，含有较大所分的低次谐波，不是纯正弦波，但是一旦电力电子装置的功率因数得到了提高，谐波电流对电网的污染就会得到减缓甚至解除，则电网就会比较接近理想电压源了。有源功率因数校正技术从上世纪 80 年代中后期就开始成为电力电子研究领域的热点，各国学者从电路拓扑、控制
11、策略、建模分别等角度进行了深入的研究。现在 APFC 技术已经广泛应用于 AC/DC 开关电源，交流不间断电源(UPS)，荧光灯电子镇流器以及其他电子仪器中 。上世纪 90 年代以来，有源功率因数校正技术取得了长足的发展。42. 功率因数校正的一般控制方式近年来，有关功率因数校正的控制新方法也有不少学术报道，主要是单周期控制和滑模控制 。对于三相功率因数校正电路，除了运用单相 PFC 的控制策略外，还针对三相65电路的特点，逐渐发展出新的控制策略，如空间矢量控制，解耦控制，d-q 轴变换控制，模糊控制等。空间矢量控制(SVM)控制方法的应用，改善了电路控制的效果，成为功率因数技术的有力工具。7
12、PFC 电路一般工作于电流断续导通模式(DCM)、临界导通模式(CRM)，如图 8 所示，及电流连续导通模式(CCM)。常用电路架构为定频 Boost 升压电路 ，如图 9 所示，优点有：7输入电流平滑，电磁干扰较小降低对输入 EMI 滤波器的要求；开关电流应力小；输入电流为电感电流，较易实现电流模式控制；直流输出电压高于输入电压峰值，输出电容可储存更多能量以提供保持时间等。a DCM/CRM PFC 电路图b DCM 输入电流 c CRM 输入电流图 8 DCM/CRM 功率因数校正电路8图 9 Boost PFC 电路电流连续模式的 Boost 功率因数校正电路的闭环控制策略如图 10 所
13、示。电流内环用于形成输入电流的正弦波形，输出电压 与参考信号 的差值生成电压误差信号，再与oVr输入正弦电压的全波整流信号 ( )相乘，生成电流参考信号 。检测后的电感电流gvin*i反馈给电流控制器。电流控制器用于控制功率开关，使电感电流的形状与相位与电流参Li考信号 相同。因此，输入电流将与输入正弦电压具有相同的波形与相位。另外，电压外*环用于稳定输出直流电压。a 控制系统 b 相关波形图 10 Boost 功率因数校正电路的闭环控制策略9近来有许多研究用于改进电流模式控制的 Boost 功率因数校正电路，其中的峰值电流模式控制 PFC 如图 11 所示。峰值电流模式控制相似于图 10 所
14、示的电流模式控制，电流参考信号由全波整流的输入正弦电压产生。峰值电流模式控当占空比超过 50%时内部存在不稳定，同时由于不断变化的输入电压这种不稳定会变得更加复杂。并且对噪声非常敏感，因为检测电流的瞬态值，但输入电流可能存在失真、使用输入电压检测导致电路的复杂性增加、电流内环需要外加斜坡补偿、并且电压外环必须要使用乘法器 。8图 11 峰值电流模式控制的 PFC 电路而平均电流模式 PFC 电路将使用一个单独的电流误差放大器，如图 12 所示，这个误差放大器具有两极点、单零点、补偿网络，以控制电感电流及稳定电流内环。因此，输入电压跟随着输入电压波形 。相较于峰值电流模式控制，其主要的优点是可以不再使用峰7值电流模式控制所必须使用的斜坡补偿。然而，控制系统的复杂性却又有增加。这样的双极点、单零点的补偿网络难以分析与设计 ，同时需要有检测输入电压和电压外环的乘法9器。另外，这种控制策略近年来的研究也表明，平均电流模式控制由于输入电压的阻抗特性在某些情况下可能变得不稳定 。1010图 12 平均电流模式控制 PFC 电路在这些控制策略中，通过检测与控制 Boost 变换器的电感电流，因而输入电流跟随输入正弦电压。众多学术文献指出的电流检测方式，要么如平均电流模式控制 检测电感电7流；要么如峰值
