開關(guān)電源15、有源功率因數(shù)校正

1、有源功率因數(shù)校正開關(guān)電源輸入整流電路對電網(wǎng)的影響開關(guān)電源輸入整流電路對電網(wǎng)的影響 開關(guān)電源一般由公共電網(wǎng)經(jīng)過二極管整流獲得直流電壓。開關(guān)電源一般由公共電網(wǎng)經(jīng)過二極管整流獲得直流電壓。整流電路對于電網(wǎng)來說是非線性負載，負載電流中含有大量整流電路對于電網(wǎng)來說是非線性負載，負載電流中含有大量的諧波和無功成份，使得電網(wǎng)的電能質(zhì)量惡化。的諧波和無功成份，使得電網(wǎng)的電能質(zhì)量惡化。二極管整流電路二極管整流電路電能質(zhì)量的一些基本概念電能質(zhì)量的一些基本概念 基波：基波：頻率為工頻（我國為頻率為工頻（我國為50Hz）的電氣量（電壓、電流）。）的電氣量（電壓、電流）。 諧波：諧波：頻率為非工頻的電氣量，其頻率通常是

2、工頻的整數(shù)倍。頻率為非工頻的電氣量，其頻率通常是工頻的整數(shù)倍。 (如如250 Hz電流稱電流稱5次諧波電流次諧波電流)。 整流電路電流波形及其頻譜整流電路電流波形及其頻譜300kW中頻爐（電源與爐體）中頻爐（電源與爐體）中頻爐滿載時電源電壓（上波形）和電流（下波形）中頻爐滿載時電源電壓（上波形）和電流（下波形） 電壓頻譜電壓頻譜 電流頻譜電流頻譜 正弦電路的無功功率和功率因數(shù)正弦電路的無功功率和功率因數(shù) 在正弦電路，線性負載的情況下，電路中的電在正弦電路，線性負載的情況下，電路中的電壓和電流都是正弦的，電路的無功功率定義為：壓和電流都是正弦的，電路的無功功率定義為：電路的有功功率定義為：電路的

3、有功功率定義為： 定義有功功率和視在功率的比為功率因數(shù)定義有功功率和視在功率的比為功率因數(shù)PF：sinUIQ cosUIP SPPF 非正弦電路的無功功率和功率因數(shù)非正弦電路的無功功率和功率因數(shù) 電壓為正弦，電流為非正弦情況下，功率因數(shù)定義為：電壓為正弦，電流為非正弦情況下，功率因數(shù)定義為： 1211111cos)(11coscoscosTHDIIUIUISPPF 其中：其中：II1，即基波電流有效值和總電流有效值之比，即基波電流有效值和總電流有效值之比，1cosTHD稱為電流諧波總畸變率，其定義為：稱為電流諧波總畸變率，其定義為：THD1121212vIII稱基波因數(shù)。稱基波因數(shù)。 稱為基波

4、功率因數(shù)。稱為基波功率因數(shù)。同理可定義電壓諧波總畸變率。同理可定義電壓諧波總畸變率。三相電壓對稱：三相電壓對稱：ua , ub , uc同幅、同頻、相位各差同幅、同頻、相位各差120三相電壓不對稱：不滿足以上三條件中的任何一個三相電壓不對稱：不滿足以上三條件中的任何一個三相電壓非正弦（畸變）三相電壓非正弦（畸變） ：ua , ub , uc的波形不是正弦的波形不是正弦 畸變畸變=非正弦非正弦=含諧波含諧波四種情況：四種情況： 對稱無畸變對稱無畸變 對稱有畸變對稱有畸變 不對稱無畸變不對稱無畸變 不對稱有畸變不對稱有畸變 三相電壓不對稱和非正弦（畸變）三相電壓不對稱和非正弦（畸變）諧波和無功功率

5、的危害諧波和無功功率的危害諧波危害：諧波危害：n諧波使公用電網(wǎng)的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，降低了諧波使公用電網(wǎng)的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率。發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率。n諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。比如諧波不僅使電諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。比如諧波不僅使電機產(chǎn)生附加損耗機產(chǎn)生附加損耗,還使電機產(chǎn)生機械振動、噪聲和過電壓還使電機產(chǎn)生機械振動、噪聲和過電壓,使變壓器、電容器等設(shè)備過熱、絕緣老化等危害。使變壓器、電容器等設(shè)備過熱、絕緣老化等危害。n諧波引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而諧波引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，損壞

6、設(shè)備。使諧波放大，損壞設(shè)備。n導致繼電保護和自動裝置的誤動作，使電氣測量儀表計導致繼電保護和自動裝置的誤動作，使電氣測量儀表計量不準確。量不準確。1.諧波對控制系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，使通訊質(zhì)量下降諧波對控制系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，使通訊質(zhì)量下降或根本無法正常工作。或根本無法正常工作。無功功率的危害：無功功率的危害：增加設(shè)備容量增加設(shè)備容量根據(jù)公式：根據(jù)公式：無功功率的增加，會導致在有功功率不變的情況無功功率的增加，會導致在有功功率不變的情況下，視在功率的增加和電流增大，從而使得電氣下，視在功率的增加和電流增大，從而使得電氣設(shè)備容量和導線容量的增加。設(shè)備容量和導線容量的增加。n設(shè)備和線路的損耗

7、增加設(shè)備和線路的損耗增加無功功率的增加，使得總電流增大，因而使設(shè)備無功功率的增加，使得總電流增大，因而使設(shè)備和線路的損耗增加，線路電阻為和線路的損耗增加，線路電阻為R, ,則線路損耗為：則線路損耗為： 其中：其中： 這部分損耗就是無功功率引起的。這部分損耗就是無功功率引起的。22QPUISRUQPP222RUQ22使線路和設(shè)備的壓降增大。無功功率的增加，使得線路使線路和設(shè)備的壓降增大。無功功率的增加，使得線路的總電流增大，線路的的總電流增大，線路的(傳輸傳輸)壓降也將隨之增大，嚴重壓降也將隨之增大，嚴重影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量，甚至可能導致電網(wǎng)崩潰。影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量，甚至可能導致電網(wǎng)崩潰。由于電力

8、電子裝置產(chǎn)生大量的諧波和無功功率，嚴重影由于電力電子裝置產(chǎn)生大量的諧波和無功功率，嚴重影響了電力電子技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，因此，消除諧波污染并響了電力電子技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，因此，消除諧波污染并提高功率因數(shù)提高功率因數(shù),已成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)中的一個重大課已成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)中的一個重大課題。解決電力電子裝置的諧波污染和低功率因數(shù)問題的基題。解決電力電子裝置的諧波污染和低功率因數(shù)問題的基本手段有兩條：本手段有兩條：裝設(shè)補償裝置，以補償其諧波和無功功率，各種類型的裝設(shè)補償裝置，以補償其諧波和無功功率，各種類型的電力電子諧波源都可以用這個辦法補償。電力電子諧波源都可以用這個辦法補償。1.對電力電子裝置

9、本身進行改進，使其不產(chǎn)生諧波，且具對電力電子裝置本身進行改進，使其不產(chǎn)生諧波，且具有較高的功率因數(shù)（高功率因數(shù)變流器），功率因數(shù)甚有較高的功率因數(shù)（高功率因數(shù)變流器），功率因數(shù)甚至可以控制為至可以控制為1（單位功率因數(shù)變流器）。（單位功率因數(shù)變流器）。無功功率的危害：無功功率的危害： 加裝補償裝置：無源電力濾波器和有源電力濾波器。加裝補償裝置：無源電力濾波器和有源電力濾波器。 無源濾波器缺點：與系統(tǒng)阻抗諧振。多支路。無源濾波器缺點：與系統(tǒng)阻抗諧振。多支路。 55021)(CLff諧波源CfLsLf5次無源濾波器電源并聯(lián)型有源電力濾波器負載負載電流 iL電源電流 is電源補償電流 ictiLfi

10、LhicisttiLiLiLf對電力電子裝置本身進行改進高功率因數(shù)變流器：通常對電力電子裝置本身進行改進高功率因數(shù)變流器：通常使用有源器件，故稱為有源功率因數(shù)校正電路使用有源器件，故稱為有源功率因數(shù)校正電路（Active Power Factor Correction）。 單相有源功率因數(shù)校正電路單相有源功率因數(shù)校正電路 下圖是單相下圖是單相Boost功率因數(shù)校正電路原理圖。在整流橋和濾功率因數(shù)校正電路原理圖。在整流橋和濾波電容之間增加了由直流電感、二極管和開關(guān)器件組成的波電容之間增加了由直流電感、二極管和開關(guān)器件組成的Boost電路。通過對開關(guān)的控制，可使交流電流的為正弦波，并且和電電路。通

11、過對開關(guān)的控制，可使交流電流的為正弦波，并且和電壓同相位，功率因數(shù)接近為壓同相位，功率因數(shù)接近為1。 Lu是交流電壓經(jīng)過全波整流后的電壓是交流電壓經(jīng)過全波整流后的電壓；1Li是交流電流經(jīng)全波整流后的電流。是交流電流經(jīng)全波整流后的電流。 下圖所示是三相下圖所示是三相Boost功率因數(shù)校正電路，是單相功率因數(shù)校正電路，是單相Boost功率校正電路在三相的延伸。將單相功率因數(shù)校正電路的電感功率校正電路在三相的延伸。將單相功率因數(shù)校正電路的電感L從整流橋直流側(cè)移到了交流側(cè)各相。從整流橋直流側(cè)移到了交流側(cè)各相。 當開關(guān)當開關(guān)V閉合時，直流側(cè)整流橋被短路，三相電感均處于儲閉合時，直流側(cè)整流橋被短路，三相電

12、感均處于儲能狀態(tài)，各相電流絕對值增大，當開關(guān)能狀態(tài)，各相電流絕對值增大，當開關(guān)V斷開時，二極管導通，斷開時，二極管導通，各相電感中儲存的能量連同交流電源一同向直流測電源和負載各相電感中儲存的能量連同交流電源一同向直流測電源和負載供電，各相的電流絕對值減小。供電，各相的電流絕對值減小。三相有源功率因數(shù)校正電路三相有源功率因數(shù)校正電路 三相功率因數(shù)校正電路由于此電路中只有一個開三相功率因數(shù)校正電路由于此電路中只有一個開關(guān)，要控制三相電流均為正弦波且和電壓同相位比較關(guān)，要控制三相電流均為正弦波且和電壓同相位比較困難。困難。三相功率因數(shù)校正電路技術(shù)遠不如單相有源功率三相功率因數(shù)校正電路技術(shù)遠不如單相有

13、源功率因數(shù)校正技術(shù)成熟。因數(shù)校正技術(shù)成熟。 PWM整流電路整流電路 把逆變電路及其把逆變電路及其PWM控制技術(shù)用于整流電路，就構(gòu)控制技術(shù)用于整流電路，就構(gòu)成了成了PWM整流電路。通過對整流電路。通過對PWM整流電路的適當控制，整流電路的適當控制，可以使輸入電流非常接近正弦波，且電流和電壓同相位，可以使輸入電流非常接近正弦波，且電流和電壓同相位，功率因數(shù)近似為功率因數(shù)近似為1（單位功率因數(shù)變流器），（單位功率因數(shù)變流器）， PWM整流整流電路的另一個重要特點是能量可以雙向流動。電路的另一個重要特點是能量可以雙向流動。 PWM整流電路實質(zhì)上是一個受控電流源。整流電路實質(zhì)上是一個受控電流源。 對對

14、V1 V4進行進行PWM控制，在控制，在AB端可得到正弦調(diào)制的端可得到正弦調(diào)制的PWM電壓波形。在電壓波形。在 es 一定的情況下，電流一定的情況下，電流is的幅值和相位受控于的幅值和相位受控于AB端電壓的基波分量。端電壓的基波分量。單相單相PWM整流電路整流電路三相三相PWM整流電路的數(shù)字控制方法無差拍控制整流電路的數(shù)字控制方法無差拍控制 每一個控制周期的開始時刻，采樣每一個控制周期的開始時刻，采樣PWM整流電路的整流電路的電流電流 ick ，并，并且根據(jù)下一控制周期開始時刻的電流指令值且根據(jù)下一控制周期開始時刻的電流指令值 ick* ，由差值，由差值 ick*-ick計算出計算出IGBT開

15、關(guān)時間，使開關(guān)時間，使 ick 在下一控制周期開始時刻等于在下一控制周期開始時刻等于ick* 。這種無差拍。這種無差拍控制方法具有開關(guān)頻率固定、動態(tài)響應(yīng)快的特點（在一個開關(guān)周期內(nèi)控制方法具有開關(guān)頻率固定、動態(tài)響應(yīng)快的特點（在一個開關(guān)周期內(nèi)PWMPWM整流電路的電流跟蹤上電流指令值）。整流電路的電流跟蹤上電流指令值）。e e1 1 , e, e2 2 , , e e3 3 為電源三相電壓，為電源三相電壓，i ic1 c1 , i, ic2 c2 , i, ic3c3 為為PWMPWM整流器的三相電流，整流器的三相電流， R R、L L 分別為濾波電感的繞組電阻和電感值，分別為濾波電感的繞組電阻和

16、電感值，U Ud d 為直流電容電壓。為直流電容電壓。 PWMPWM控整流器無差拍控制數(shù)學模型控整流器無差拍控制數(shù)學模型)(111NODNADccuueuRidtdiL)(222NOENBEccuueuRidtdiL)(333NOFNCFccuueuRidtdiL為描述三個橋臂為描述三個橋臂IGBTIGBT的開關(guān)狀態(tài)，引入開關(guān)函數(shù)的開關(guān)狀態(tài)，引入開關(guān)函數(shù)d d1 1* *, d, d2 2* *, d, d3 3* * , , 定義如下：定義如下：A A相橋臂上管開通，相橋臂上管開通，d d1 1* *=1=1，此時，此時 。反之下管開通，。反之下管開通，d d1 1* *=0 ,=0 , 此

17、時此時 。B B相橋臂上管開通，相橋臂上管開通，d d2 2* *=1=1 ，此時，此時 。反之下管開通，。反之下管開通，d d2 2* *=0 ,=0 , 此時此時 。 C C相橋臂上管開通，相橋臂上管開通，d d3 3* *=1=1 , , 此時此時 。反之下管開通，。反之下管開通，d d3 3* *=0 ,=0 , 此時此時 。0DNu0ENu0FNudDNUudENUudFNUu PWMPWM控整流器無差拍控制數(shù)學模型控整流器無差拍控制數(shù)學模型)(*1111NOdccuUdeRidtdiL)(*2222NOdccuUdeRidtdiL)(*3333NOdccuUdeRidtdiL 方程

18、改寫為方程改寫為以上三個方程相加，并考慮到以上三個方程相加，并考慮到e1 + e2+ e3 = 0 ，可得，可得 )(3*3*2*1dddUudNOLdcccdRUdidididtdUC*33*22*11由開關(guān)函數(shù)表述的直流電壓方程由開關(guān)函數(shù)表述的直流電壓方程 PWMPWM控整流器無差拍控制數(shù)學模型控整流器無差拍控制數(shù)學模型定義三個橋臂定義三個橋臂IGBTIGBT上管上管的開關(guān)信號占空比為的開關(guān)信號占空比為 d d1 1 , d, d2 2 , d, d3 3 SkkTtdk=1,2,3 其中其中 t tk k 為橋臂為橋臂IGBTIGBT上管開通時間，上管開通時間，T TS S 為為IGBT

19、IGBT開關(guān)周期。在一個開關(guān)周期開關(guān)周期。在一個開關(guān)周期T TS S 內(nèi)，占空比內(nèi)，占空比d d1 1 , d, d2 2 , d, d3 3 實際上是開關(guān)函數(shù)實際上是開關(guān)函數(shù) d d1 1* *, d, d2 2* *, d, d3 3* * 的平均值。當?shù)钠骄?。當IGBTIGBT開關(guān)開關(guān)頻率比較高時，可用平均值含義的頻率比較高時，可用平均值含義的 d d1 1 , d, d2 2 , d, d3 3 代替代替d d1 1* *, d, d2 2* *, d, d3 3* *。A相橋臂B相橋臂C相橋臂STtd11STtd22STtd33t1t2t3TSt PWMPWM控整流器無差拍控制數(shù)學

20、模型控整流器無差拍控制數(shù)學模型dcccdcccUiiiRdddddddRddddRddddRUiiidtdCLLL3210321132132131300321312003213110000000000000000000010000100001321eee由該模型可知，狀態(tài)變量由該模型可知，狀態(tài)變量i ic1 c1 , i, ic2 c2 , i, ic3c3和和 U Ud d的變化的變化可由開關(guān)占空比可由開關(guān)占空比d d1 1 , d, d2 2 , d, d3 3 控控制，將該模型離散化，令制，將該模型離散化，令ckckSckiiTdtdi*1k = 1,2,3 PWMPWM控整流器無差拍控

21、制數(shù)學模型控整流器無差拍控制數(shù)學模型i ickck* * 為下一周期起始時刻電流指令值，為下一周期起始時刻電流指令值，i ick ck 為當前周期為當前周期PWMPWM整流器電流，由電流霍爾整流器電流，由電流霍爾測量電路獲得。解得測量電路獲得。解得 d d1 1 , d, d2 2 , d, d3 3 為為211*ckSckSkdkiTLiTLReUdk = 1,2,3 該式含義為：當該式含義為：當IGBT開關(guān)時間等于開關(guān)時間等于 tk 時，在一個周期之內(nèi)時，在一個周期之內(nèi)PWM整流器整流器使其輸出使其輸出電流電流ick 等于電流指令值等于電流指令值 ick* , 從而達到無差拍控制的目的。在

22、求得從而達到無差拍控制的目的。在求得tk 之后，很容易之后，很容易由由DSP內(nèi)部的內(nèi)部的PWM發(fā)生器產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)脈沖信號，驅(qū)動發(fā)生器產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)脈沖信號，驅(qū)動IGBT。 21*ckSckSkdSkiTLiTLReUTtk = 1,2,3 PWMPWM控整流器控整流器直流電壓直流電壓控制控制 直流電壓指令值直流電壓指令值 U Ud d* * 與實際值與實際值U Ud d 之差經(jīng)數(shù)字之差經(jīng)數(shù)字PIPI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)電源電流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)電源電流 i is s 中的大中的大小。當小。當 i is s 中加大時，中加大時，U Ud d 增大。反之增大。反之U Ud d 減小。減小。電壓突增、電阻突減時波形

23、 仿真結(jié)果仿真結(jié)果: 采用Simulink/powerlib仿真1. 空間矢量：空間矢量：1983年年Holtz提出。提出。三個任意數(shù)三個任意數(shù)x、y、z組成的空間矢量為組成的空間矢量為 空間矢量逆時針轉(zhuǎn)空間矢量逆時針轉(zhuǎn)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3432jjzeyexS32je343jeS322jeS3242jeS11SabcS S4

24、4S S1 1S S3 3S S2 2三相三相PWM整流電路在非理想電源電壓下的控制整流電路在非理想電源電壓下的控制 隨隨t增加，以增加，以旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)。 在在a-b-c坐標系的坐標為（坐標系的坐標為（ua , ub , uc )定義另一個坐標系定義另一個坐標系d-q 坐標系，以坐標系，以旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)。 在在d-q坐標系中為靜止的一個矢量坐標系中為靜止的一個矢量,其在其在d-q坐標系中坐標為（坐標系中坐標為（ ud , uq ）。）。)34sin(tUuzmc3432jcjbaeueuuS)32sin(tUuymbtUuxmasinSabcSS0t2/tt2/3tScabtdqSSuduq2. 2

25、. 坐標變換坐標變換 cbaqduuuttttttuu)32sin()32sin(sin)32cos()32cos(cos32cbaqdiiittttttii)32sin()32sin(sin)32cos()32cos(cos32qdcbauuttttttuuu)32sin()32cos()32sin()32cos(sincosqdcbaiittttttiii)32sin()32cos()32sin()32cos(sincos3. 非理想電源電壓下的電源電壓基波提取電流指令相位獲得非理想電源電壓下的電源電壓基波提取電流指令相位獲得babENDNaeedtdiLuudtdiLcbcFNENbee

26、dtdiLuudtdiLd*aDNUdud*bENUdud*cFNUduRUdidididtdUCd*cc*bb*aadbad*b*abaeeUdd dtdiLdtdiLcbd*c*bcbeeUdd dtdiLdtdiL由于平均值意義的da、 db 、dc 代替da*、 db* 、dc*， 4、非理想電源電壓下的無差拍控制、非理想電源電壓下的無差拍控制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/將上式離散化 sk*kkTiidtdi(k=a,b,c) 21(231)ee2exxxTLUdcbacbasda21)2(23