有源功率因数校正技术及控制方式分析_张浩

第25卷第3期上海电力学院学报V o l .25,N o .3　2009年6月J o u r n a l o f S h a n g h a i U n i v e r s i t y o f E l e c t r i c P o w e rJ u n e 2009 文章编号:1006-4729(2009)03-0201-07有源功率因数校正技术及控制方式分析 收稿日期:2009-03-30作者简介:张浩(1962-),男,博士,教授,博士生导师,江苏无锡人.主要研究方向为电力系统自动化,工业以太网,现场总线,电力监测与管理,电力企业信息化等.E -m a i l :h z h a n g k @y a h o o .c o m .c n .张　浩,许龙虎(上海电力学院电力与自动化工程学院,上海　200090)摘　要:电力电子设备谐波污染问题越来越严重,功率因数校正技术是解决该问题的最有效方法,而有源功率因数校正(A P F C )技术因其独特的优势成了该领域的研究重点.介绍了功率因数的定义和校正原理,并根据有源功率因数校正电路说明了A P F C 的工作原理,重点阐述了A P F C 技术的各种控制方法及其未来的发展趋势.关键词:有源功率因数;校正技术;控制方式中图分类号:T P 217+.3 文献标识码:AA c t i v e P o w e r F a c t o r C o r r e c t i o n T e c h n o l o g ya n dC o n t r o l Me t h o d s A n a l y s i sZ H A N GH a o ,X UL o n g -h u(C o l l e g e o f E l e c t r i c P o w e r a n dA u t o m a t i o nE n g i n e e r i n g ,S h a n g h a iU n i v e r s i t y o f E l e c t r i c P o w e r ,S h a n g h a i 200090,C h i n a )A b s t r a c t :　T h eh a r m o n i c p o l l u t i o np r o b l e m o f p o w e r e l e c t r o n i cd e v i c e s b e c o m e s m o r ea n dm o r es e r i o u s ,a n d p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o n t e c h n o l o g y i s t h e m o s t e f f e c t i v e m e t h o d t o s o l v e t h i s p r o b l e ma n d t h e a c t i v e p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o n(A P F C )t e c h n o l o g y h a s b e c o m e t h e r e s e a r c hf o c u s o w i n gt oi t s u n i q u e a d v a n t a g e s .T h ed e f i n i t i o na n dp r i n c i p l e s o f p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o na r ei n t r o d u c e d ,t h e w o r k i n g p r i n c i p l e o f A P F Ct e c h n o l o g y i s s h o w e d a c c o r d i n g t o t h e A P F Cc i r c u i t .T h e d e v e l o p m e n t t r e n d a n d v a r i o u s c o n t r o l m e t h o d s o f A P F Ct e c h n o l o g y a r e m a i n l y a n a l y z e d .K e y w o r d s :　a c t i v e p o w e r f a c t o r ;c o r r e c t i o n t e c h n o l o g y ;c o n t r o l m e t h o d s 随着我国经济的发展,各种换流设备的使用越来越多、容量越来越大,加上一些非线性用电设备接入电网,将其产生的谐波电流注入电网,使公用电网的电压波形发生畸变,造成电能质量下降,威胁电网和包括电容器在内的各种电气设备的安全经济运行.为了提高电网的供电质量,限制高次谐波污染,国内外电气组织先后制定了相关标准,我国国家技术监督局1993年颁布了G B /T 14549-93电能质量公用电网谐波,国际电工委员会(I E C )1998年制定了I E C 61000-3-2标准[1].解决电力电子设备谐波污染问题的方法有两种:一是对电网采用滤波补偿;二是对电力电子设备本身进行改进,即进行功率因数校正.相对来说,功率因数校正能够更有效地消除整流装置的谐波,具有更广泛的前景,已经成为电力电子技术的一个重要研究方向[2].功率因数校正技术包括无源功率因数校正和有源功率因数校正.无源校正电路通常由大容量的电感、电容组成,只能将功率因数提高到0.7～0.8,一般应用在中小功率电源中.有源功率因数校正电路是在桥式整流器与输出电容滤波器之间加入一个功率变换电路,能够使功率因数提高到接近1,它工作于高频开关状态,体积小、重量轻,比无源功率因数校正电路效率高,从20世纪80年代中后期开始成为电力电子领域研究的热点,90年代后得到了迅速推广.本文重点介绍有源功率因数校正技术及相关控制方式.1　功率因数的定义及校正原理在电力系统中,电动机及其他带有线圈(绕组)的设备很多,它们除了从电源取得一部分电功率作为有功功率使用外,还将消耗一部分电功率来建立线圈磁场,这就额外地增加了电源的负担.功率因数就是反映总电功率中有功功率所占有的比重,定义为:交流输入有功功率与输入视在功率之比值[3].其表达式为P F =P 实P 视=P V R M S I R M S =V R×I 1c o s φV R I R =I 1co s φI R=γc o s φ式中:V R电网电压有效值;I R 电网电流有效值;I 1基波电流有效值;γ=I 1/I R电网电流交流失真因数(又称基波因数);c o s φ基波电压和基波电流的相移因数.因此,功率因数P F 又可定义为失真因数与相移因数的乘积.由表达式可以看出,P F 由γ和c o s φ决定.c o s φ低,则表示电力电子设备的无功功率大,设备利用率低,导线、变压器绕组损耗大;γ值低,则表示输入电流谐波分量大,对电网造成污染,严重时,对三相四线制供电还会造成中线电位偏移,致使电力电子设备损坏.由于常规整流装置使用晶闸管或二极管,整流器件的导通角远小于180°,从而产生大量谐波电流.而谐波电流不做功,只有基波电流做功,因此功率因数很低.功率因数校正的基本原理,就是在电路上采取有效措施,清除无用谐波,使得交流输入的电流波形完全跟踪交流输入的电压波形,使输入电流波形呈纯正正弦波,并且和输入电压同相位.功率因数与电流总谐波失真度D T H的关系为P F 失真=11+(D T H )2式中,D T H =I 22+I 32+…+I n 2+…/I 12即为所有谐波分量的总有效值和基波分量之商.正弦化是使其他谐波为零,即I R =I 1,则失真因数γ=I 1I R=1同相位是使φ=0°,即c o s 0°=1.在交流输入级加入功率因数校正网络,通过合适的控制电路不断调节输入电流波形,使其尽可能地逼近正弦波,并且与输入的电网电压保持同相,这样就达到了功率因数校正的目的.2　有源功率因数校正电路工作原理 有源功率因数校正(A P F C )电路[4,5]是在整流器和负载之间接入一个D C /D C 开关变换器,应用电压电流反馈技术,使输入端电流波形跟随输入正弦电压波形,从而使输入电流的波形也接近正弦波,以达到提高功率因数的目的.由于在此电路中使用了有源器件,所以称为有源功率因数校正电路.该电路的基本思想是:交流输入电压经全波整流后,对所得的全波整流电压进行D C /D C 变换,通过适当控制,使输入电流波形自动跟随全波整流后的电压波形,达到输入电流的正弦化,同时保持输出电压稳定.有源功率因数校正电路一般都是一个双闭环控制系统.外环是一个电压控制环,它是一个1型控制系统,按照控制理论,1型系统可以无差地跟踪阶跃信号.只要输入一个不变的参考电压,就可以得到一个稳定不变的输出电压.电压控制环的作用是使输出保持一个高于输入电压最高峰值的稳定电压,这是功率因数校正所必需的.内环是一个电流控制环,它是一个2型控制系统.按照控制理论,2型系统可以无差地跟踪斜坡信号,由于正弦波信号变化比斜坡信号慢,所以2型系统也可以无差地跟踪正弦波信号.电流控制环的作用是使输入电流无差地跟踪输入电压的波形,让输入电流与输入电压具有同相的正弦波波形,以达到功率因数校正的目的.双202上　海　电　力　学　院　学　报 2009年闭环控制的效果是使输入电流与输入电压呈同相的正弦波,输出一个高于输入电压最大峰值的稳定直流电压,这个稳定的直流为后级变换电路提供直流能量.有源功率因数校正原理如图l 所示.图1　有源功率因数校正原理 图1中,主电路采用D C /D C 变换电路,外环是一个电压误差放大器和一个模拟乘法器,内环是驱动电路和电流比较器.调节器采用电压、电流双闭环控制方式,电流反馈网络的取样信号是升压变换器的电感电流,电压反馈网络的取样信号是调节器的输出电压.该电路的工作原理如下:单相交流电经过整流后得到单相双半波正弦电压信号,此电压波形作为功率因数校正控制器的输入电流的参考波形,输入到模拟乘法器,为了保证输出电压恒定,将输出电压通过电压反馈网络也引入乘法器,经过乘法器运算后,其结果作为电流波形的参考值,并与实际取样的电流值进行比较,然后通过驱动电路产生的驱动信号,控制D C /D C 变换器的输出电流和电压.由于采用了闭环控制,将D C /D C 变换器的实际电流通过反馈网络引入电流比较器,从而保证了D C /D C 变换器的电流能够准确跟踪乘法运算所规定的电流值.3　有源功率因数校正方法分类3.1　根据有源功率因数校正拓扑分类有源功率因数校正电路按照其校正拓扑可分为降压式、升/降压式、反激式和升压式.其中,降压式因噪音大、滤波难,以及功率开关管上电压应力大、控制驱动电平浮动而极少被采用;升/降压式需要有一个功率开关管的驱动控制信号浮动,电路复杂,因而也较少采用;反激式的输出与输入隔离,输出电压可以任意选择,采用简单电压型控制,适用于150W 以下功率的应用场合;升压式是简单的电流型控制,P F 值高、D T H小、效率高,但是输出电压高于输入电压,适用于75～2000W功率范围的应用场合.升压式具有以下优点:(1)电路中的电感L 适用于电流型控制;(2)由于升压型A P F C 的预调整作用在输出电容器上保持高电压,所以电容器体积小、储能大;(3)在整个交流输入电压变化范围内能保持很高的功率因数;(4)当输入电流连续时,易于E M I 滤波;(5)升压电感L 能阻止快速的电压、电流瞬变,因而可提高电路工作的可靠性.因此,目前升压式有源功率校正电路应用最为广泛.3.2　根据输入电压不同分类根据输入电压的不同,有源功率因数校正电路又可以分为单相和三相两类.三相P F C 有输入功率高等优点,然而它又存在三相之间耦合问题的严重缺点,控制机理复杂,研究难度大,所以单相P F C 的研究较多并相对成熟[6].单相P F C 可以分为两级P F C 和单级P F C [7].3.2.1　两级P F C两级P F C [8-10]方案如图2所示.所谓两级,指的是P F C 前置级和D C /D C 后随级.图2　两级P F C 方案 P F C 前置级使输入电流跟随输入电压,实现功率因数校正;D C /D C 后随级实现隔离和降压.其优点是每级电路可单独分析、设计和控制,特别适合作为分布式电源系统的前置级.P F C 前置级可以是B u c k ,B o o s t ,或B u c k -B o o s t 等.但是由于B o o s t 电路本身的一些优点,用得最多的还是B o o s t 拓扑.D C /D C 后随级可以用正激、反激或其他电路拓扑.两级P F C 虽然功率因数校正效果不错,但由于用B o o s t 升压的电路母线电压高于输入电压峰值,电容电压过高.另外,由于两级传输,使得控制复杂,传输效率低,成本也较高.据统计,使用两级P F C 电路比不使用P F C 的电路成本上升15%,这就限制了其在中小功率场合的应用.203 张　浩,等:有源功率因数校正技术及控制方式分析目前,对两级P F C 的研究主要集中在P F C 的前置级上,研究的热点有以下3个:一是降低M O S F E T 的开通损耗和二极管的反向恢复损耗;二是提高动态响应;三是控制简单化.解决M O S F E T 过大的开通损耗和二极管过大的反向恢复损耗主要有两种技术:一是有源软开关;二是无源软开关,即无源无损吸收网络.3.2.2　单级P F C1990年,美国科罗拉多大学E r i c k s o n 教授等将前置级B o o s t 电路和后随级反激(F l y -b a c k )或正激(F o r w a r d )变换器环节M O S F E T 公用,提出了所谓的单级P F C 变换器[11].单级P F C 方案如图3所示.图3　单级P F C 方案 该方案与传统的两级电路相比省掉了一个M O S F E T ,增加了一个二极管,集功率因数校正和输出隔离、电压稳定于一体,结构简单,效率高.但分析和控制复杂,适用于单一集中式电源系统.对其控制的目的只是让D C /D C 级快速稳定输出,而功率因数则需要功率级自身获得,因此它的输入电流有些畸变,但仍能满足I E C 1000-3-2对电流谐波含量的要求.虽说单级P F C 电路相对比较简单,但也存在着严重的问题.当负载变轻时,输出能量迅速减小,占空比瞬时不变,输入能量也不变,使得输入功率大于输出功率,中间储能电容电压升高,此时减小占空比以保持D C /D C 级输出稳定,最终达到一个新的平衡状态.这样,中间储能电容的耐压值需要很高,甚至达到1000V .当负载变重时,情况则正好相反.因此,怎样降低储能电容上的电压是单级P F C 需要研究的一个问题.3.3　根据电感电流控制方式分类按照输入电感电流是否连续,A P F C 控制方式可分为不连续导通模式(D C M )、连续导通模式(C C M ),以及介于D C M 与C C M 之间的临界或过渡导通模式(T C M )3种.D C M 的控制又称电压跟踪方法,可以采用恒频、变频、等面积等多种方式.它工作在不连续导通模式,用电压跟随器的方法来实现A P F C ,采用此方法比较简单、方便,但开关峰值电流大,(在同容量情况下,D C M 中开关器件通过的峰值电流是C C M 的两倍.)由此导致通态损耗增加.同时,功率因数与输入和输出电压的比值有关,当输入电压变化时,功率因数也将发生变化,因此,D C M 方式的A P F C 电路很少被采用.C C M 方式的A P F C 工作在连续导通模式,用乘法器的方法来实现A P F C .电路的电感电流就是输入电流,电感电流被采样并被控制,使其幅值与输入电压同相位的正弦参考信号成正比,从而达到功率因数校正的目的.乘法器方式的P F C 电路还可以根据输出电压反馈信号,利用一个乘法器电路来控制正弦参考电流信号,从而获得可调整的输出电压.相对于D C M ,C C M 具有以下优点:(1)输入和输出电流纹波小,T H D 和E M I 小,滤波容易;(2)R M S 电流小,器件导通损耗小;(3)适用于大功率应用场合.相对于C C M 来说,T C M 方式的输入电流,输出电压的纹波比较大,因而对开关的冲击较大,同时开关的导通损耗也比较大.因此,下面主要讨论C C M 控制方式.根据是否直接选取瞬态电感电流作为反馈和被控制量,C C M 模式有直接电流控制和间接电流控制之分.直接电流控制有峰值电流控制、滞环电流控制、平均电流控制等方式.电流的控制也可以通过控制整流桥输入端电压的方式间接实现,称为间接电流控制或电压控制.3.3.1　峰值电流控制峰值电流控制方式的基本思想是采用一个正弦基准电流作为上限,由输出检测信号经误差放大后与输入全波电压的检测信号相乘获得,下限则为零.它的工作频率可变,电流不连续,具有电路简单、易于实现的优点,但同时存在以下缺点:(1)电流峰值和平均值之间存在误差,无法满足D T H 很小的要求;(2)电流峰值对噪音敏感;占空比大于0.5时产生次谐波振荡;(3)需要在比较器输入端加谐波补偿.204上　海　电　力　学　院　学　报 2009年目前,这种控制方法趋于被淘汰[12].3.3.2　滞环电流控制滞环电流控制与峰值电流控制的差别是前者检测的电流是电感电流,并且控制电路中多了一个滞环逻辑控制器.它有一个电流滞环带,工作频率可变,最初用于控制电压型逆变器的输出交流电流.对B o o s t电路而言,是最简单的电流控制方式.滞环控制中没有外加的调制信号,电流反馈控制和调制集于一体,可以获得很宽的电流频带宽度.这种控制方式的特点是:控制简单、电流动态响应快、具有内在的电流限制能力;开关频率在一个工频周期内不恒定,引起E M I(电磁干扰)问题和电流过零点死区;负载对开关频率影响很大,滤波器只能按最低频率设计,不可能得到体积和重量最小的设计;滞环宽度对开关频率和系统性能影响很大,需要合理选取.上述特点说明滞环电流控制存在很多缺陷,因此近年来许多学者提出了改进方法,主要是结合D C M控制中恒频控制与滞环控制的优点提出新的控制方法.比如:文献[13]通过“期望等充电方法”实现恒频控制;文献[14]通过变滞环宽度的方式降低最高开关频率等.这些方法虽然改善了系统的性能,但依然存在很多实用性问题. 3.3.3　平均电流控制平均电流控制又称三角载波控制,是在峰值电流控制基础上发展起来的一种电流控制方法,为双环控制系统,即用一个电压环和一个电流环进行控制.经过合适选取电路参数,可保证控制电路的稳定性和快速调解电感电流.电流环有较高的增益带宽,跟踪误差小,瞬态特性较好.平均电流控制具有以下特点:电感电流紧密跟踪网侧电压波形,用较小电感即可使谐波电流含量达到3%以下,这对于P F C是十分重要的;不需要斜率补偿,但为了保证可靠工作,在一定的开关频率下需有环路增益限制;有极好的抗噪能力;多种电路拓扑均有良好的控制作用[12].平均电流控制利用了乘法器校正技术,可应用在任意电路拓扑上,是目前A P F C中应用最多的一种控制策略.功率因数可以达到0.99以上,是一种较先进和实用的功率因数校正技术,特别适用于大功率应用场合[15].3.3.4　间接电流控制间接电流控制即电压控制,是一种基于工频稳态的控制方式.电流不连续,采用固定占空比的方法,电流自动跟随电压.这种控制方法存在诸多缺点,如:自身无限流功能,需要另加过流保护电路;系统从一稳态向另一稳态过渡时电流中会出现直流分量[16];系统动态响应慢.一般用在输出功率比较小的场合.在单级功率因数校正中多采用这种方法.4　其他控制方法及发展趋势随着功率因数校正技术的快速发展,寻求更简化的控制策略、降低功率因数校正的成本成为该领域的发展方向,各种控制方法层出不穷.下面简单介绍几种典型的控制方法及其发展趋势.4.1　单周期控制技术单周期控制技术是20世纪90年代初由美国加州大学的K E Y U EM S m e d l e y提出的[17],它不需要乘法器,是一种非线性控制技术,同时具有调制和控制的双重功能,通过复位开关、积分器、触发电路、比较器达到跟踪指令信号的目的.它的突出特点是,无论是稳态还是暂态,它都能保持受控量(通常为斩波波形)的平均值恰好等于或正比于给定值,即能在一个开关周期内,有效地抑制电源侧的扰动,既没有稳态误差,也没有暂态误差.单周期控制技术的基本思想是在每一个开关周期内使受控量的平均值恰好等于或者正比于控制参考量.它具有优化系统响应、开关频率恒定、减小畸变、抑制电源干扰和易于实现等优点.这种控制技术可广泛应用于非线性系统场合.4.2　电荷泵控制技术D I C K S O NJ F1976年首次提出了理想的电荷泵模型[18].利用电流互感检测开关管的开通电流,并给检测电容充电,当充得的电压达到控制电压时关闭功率开关管,并同时放掉检测电容上的电压,直到下一个时钟脉冲到来使开关管再次开通,而控制电压与电网输入电压同相位,并按正弦规律变化.由于控制信号实际上是开关电流在一个周期内的总电荷,因此也称为电荷控制方式.电荷泵式功率因数校正器使用一个泵电容代替单级功率因数校正器中的大电感,将电子镇流器中P F C级和D C/A C逆变级连接起来,起到调节功率因数的作用.这种电路的使用使得镇流器205 张　浩,等:有源功率因数校正技术及控制方式分析可以进一步减小体积和降低成本.4.3　非线性载波控制技术非线性载波控制理论是一种简单的单级功率因数校正电路,不需要采样电压,其内部电路作为乘法器,即载波发生器为电流控制环产生时变参考信号.电流检测避免了使用复杂的乘法器电路和电流误差放大器.通过比较非线性载波与开关管、二极管或电感电流检测波形获得P WM波形,实现了输入电流跟随输入电压变化,获得了高功率因数.这种控制方法工作在C C M模式,可用于F l y-b a c k,C u k,B o o s t等拓扑中,其调制方式有脉冲前沿调制和脉冲后沿调制两种.非线性载波控制的控制电流可以是开关电流、二极管电流,或是电感电流.从电路的拓扑结构上讲,非线性载波控制技术是在电荷控制的基础上增加了一个外加的非线性补偿,从而提高了系统的稳定性.在非线性载波控制中,当电路工作在电流连续状态下,系统就是稳定的,而当电路工作在断续状态下,系统是小信号稳定的.另外,非线性载波控制工作在断续条件下会产生输入电流的畸变.4.4　无差拍控制无差拍控制[19]的基本思想是将输出参数等间隔地划分为若干个取样周期,根据电路在每一取样周期的起始值,预测在关于取样周期对称的方波脉冲作用下某电路变量在取样周期末尾时的值.适当控制方波脉冲的极性与宽度,就能使输出波形与要求的参数波形重合.不断调整每一取样周期内方波脉冲的极性与宽度,就能获得波形失真小的输出.它是一种在电流滞环比较控制技术基础上发展起来的全数字化的控制技术.无差拍控制技术的优点是数学推导严密、跟踪无过冲、系统动态响应快、易于计算机执行,缺点是要求建立精确的数学模型,当理想模型与实际对象有差异时,剧烈的控制动作会引起输出电压的振荡,不利于系统稳定运行.随着数字信号处理单片机应用的不断普及,这种控制方法必将越来越有前途.4.5　空间矢量调制空间矢量调制[20]是20世纪80年代中后期发展起来的,最初的应用是使电机获得圆形的旋转磁场,称为“磁链跟踪”.目前,空间矢量调制的概念远远超出了电机调速的范畴,成为与S P WM 相并行的一种P WM调制技术.空间矢量调制也是矩阵式变换器的最佳调制方式,三相功率因数校正电路的数字化实现也可用此方式.在模拟控制中用a b c三相对称坐标系,控制量是分段正弦的;在数字化实现时,用同步旋转的d-q正交坐标系,此时,控制量在稳态时为常量,容易保证好的稳态特性;模拟控制时,控制变量是时变的,在电压、电流过零时,可能出现不连续,并且由于模拟控制器的工频增益有限,电流畸变通常比数字控制大.数字控制的带宽主要受运算速度和采样延迟的限制.随着微控制器的性能价格比不断提高,基于空间矢量调制的数字化实现会越来越具吸引力.空间矢量在理论分析上也有优点,用其描述三相电路的状态轨迹,非常直观.4.6　基于李雅谱诺夫的非线性大信号方法控制传统控制方法的数学建模一般是基于系统的小信号线性化处理的,这种方法的缺点是不能保证对系统的大信号进行稳定的扰动.基于此,文献[21]中提出了用大信号扰动的方法直接分析这种非线性系统.仿真和实验结果表明,系统对大信号扰动具有很强的鲁棒性.在功率因数校正领域,国内外专家和学者还提出了很多新的控制方法.文献[22]采用预测开关模式P S M,放弃了传统反馈的控制方式,能在负载变化时保持近似单位功率因数.文献[23]采用混合电流模式采样校正,解决了功率因数校正在C C M与D C M之间转换时产生的输入电流干扰问题,补偿性能好,不受器件处理速度限制.文献[24]在B o o s t电路基础上,通过简化控制,提出了一种无输出电压采样的功率因数校正控制策略,输出电压可通过电压控制增益直接控制.在两级功率因数校正中,对B o o s t P F C前置级研究的重点是电路的完善和控制的简单化.如果工作在P WM硬开关状态下,M O S F E T的开通损耗和二极管的反向恢复损耗都会很大,那么如何消除这两个损耗就会产生出许多关于软开关B o o s t变换器理论的研究(如有源软开关和无源软开关技术).此外,有关功率因数校正的控制策略的简化206上　海　电　力　学　院　学　报 2009年。