非线性控制的功率因数校正技术(胡炎申).doc

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。 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、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。 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。然而如果为纯电容性或纯电感性负载如图2(b)和图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。 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 图5 桥式整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，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；影响电网的可靠性；造成电能利用率下降等。 1．2 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 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0.97~0.99，甚至接近1；谐波畸变率THD小；可在较宽的输入电压范围(如90~264Vac)和宽频带下工作；体积小、重量轻；输出电压恒定，动态响应较快。