功率因數(shù)的提高原理在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用廣西大學(xué)電氣工程摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展及人們生活水平的不斷提高，各種電器和電氣設(shè)備在人們的生活、工作中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但由于高頻開關(guān)電源或一些交流市電的非線性負(fù)載會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流成分，大量的諧波電流成分不但不做功，而且會(huì)對(duì)電網(wǎng)和其它相鄰用電設(shè)備產(chǎn)生大量的諧波干擾，惡化電網(wǎng)的功率因數(shù)，對(duì)周圍環(huán)境造成電磁污染，降低電網(wǎng)的供電效率。為了響應(yīng)國家節(jié)能減排的號(hào)召，提高經(jīng)濟(jì)效益、節(jié)約能源，我們可以通過功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)來提高功率因數(shù)。功率因數(shù)校正技術(shù)是提高電子產(chǎn)品的功率因數(shù)、降低諧波干擾的有效方法之一，按實(shí)現(xiàn)方法可以分為有源功率因數(shù)校正(APFC)和無源功率因數(shù)校正(PPFC)兩大類。本文主要介紹有源功率因數(shù)校正技術(shù)的基本工作原理、控制方法和在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：有源功率因數(shù)校正技術(shù)(APFC) 節(jié)約能源功率因數(shù)的提高TheapplicationoftheimprovementprincipleofpowerfactorinthepowersystemAbstract:withthedevelopmentofsocialeconomyandpeople'slivingstandard,allsortsofelectrieequipmentaregettingmoreandmorewidelyinpeople'slifeandwork.ButbecauseHighFrequencySwitch-ModePowerSupplyorsomeexchangeofutilitynonlinearloadsproducesalargenumberofharmoniccurrentcomponent,alargenumberofharmoniccurrentcomponentnotonlydon'twork,butalsoproducealotofharmonicinterfereneewhichcaninterferewiththeworkofelectricalnetworkandotheradjacentelectricalequipment.Sotheyreducethepowerfactorandsupplyefficiencyoftheelectricalnetwork,andpollutethesurroundingsbyelectromagnetism.Inordertofollowthetopicthatthegovernmentisappealingtosaveenergyandreduceemission,improvingeconomicefficiencyandsavingtheenergy,wecanadoptthePowerFactorCorrection(PFC)technologytoimprovethepowerfactor.Powerfactorcorrectiontechnologyisoneoftheeffectivewaystoimprovethepowerfactorofelectronicproductsandreducetheharmonicinterferenee.Accordingtotherealizationmethod,itcanbedividedintoActivePowerFactorCorrection(APFC)andPassivePowerFactorCorrection(PPFC).Thispassagemainlyintroducesthebasicprinciple,controlmethodandtheapplicationinelectricalpowersystemoftheActivePowerFactorCorrectiontechnology.Keywords:theActivePowerFactorCorrection(APFC)savingenergytheimprovementofpowerfactor0引言20世紀(jì)80年代初，開關(guān)電源類產(chǎn)品的普及促進(jìn)了功率因數(shù)校正技術(shù)的發(fā)展，功率因數(shù)校正問題隨供電系統(tǒng)進(jìn)入了辦公室和家庭。開關(guān)電源的諧波干擾引起人們的重視，有關(guān)部門做出了相應(yīng)的規(guī)定，以限定其危害程度，并制定出相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，作為產(chǎn)品規(guī)定。由于有關(guān)

標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制規(guī)定，以及功率因數(shù)校正控制集成電路生產(chǎn)廠家的熱情努力，推動(dòng)了功率因數(shù)校正技術(shù)的應(yīng)用和普及，而其中的有源功率校正技術(shù)在電路工作特性和電路工作穩(wěn)定性等方面都較無源功率因數(shù)校正技術(shù)的相關(guān)指標(biāo)要好，得到了廣泛的應(yīng)用。有源功率因數(shù)校正(APFC)技術(shù)是減少由于電氣裝置而引入的高次諧波成分對(duì)電網(wǎng)的污染和提高電氣裝置的功率因數(shù)PF值的一種行之有效的方法。目前，電力系統(tǒng)的諧波的消除主要采用有源濾波技術(shù)，有兩種方法。一種是在電網(wǎng)的公用負(fù)載端井接一個(gè)專用的功率變換器對(duì)無功及諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償，這就是有源濾波器。它能將電網(wǎng)電流補(bǔ)償成為與電網(wǎng)電壓同相的正弦電流。另一種是電力電子裝置本身的整流器和濾波電容之間增加一個(gè)功率變換電路，這就是有源功率因數(shù)校正器。1有源功率因數(shù)校正(APFC)技術(shù)的基本原理及其特點(diǎn)有源功率因數(shù)校正器的基本原理是將輸入交流電進(jìn)行全波整流得到雙半波正弦脈動(dòng)電壓，在整流電路與濾波電容之間加人DC/DC變換電路，通過輸出電壓檢測與電壓波形基準(zhǔn)比較，進(jìn)行適當(dāng)控制使輸人電流的波形自動(dòng)跟隨輸人電壓的波形，將整流器的輸入電流校正成與電網(wǎng)電壓同相位的正弦波，消除了諧波和無功電流，將電網(wǎng)功率因數(shù)提高到近似為1。從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出和較大功率因數(shù)輸入，其原理如圖1示RLRL圖1是APFC的電路的單級(jí)式結(jié)構(gòu)，集功率因數(shù)校正和輸出隔離、電壓穩(wěn)定于一體，結(jié)構(gòu)簡單,效率高，但分析和控制復(fù)雜，適用于單一集中式電源系統(tǒng)，其電路的特點(diǎn)是：)功率因數(shù)高，PF可達(dá)0.99以上；2)總諧波畸變率低，THD<10%；(3)交流輸入電壓范圍寬，交流輸入電壓范圍可達(dá)AC90~270V；輸出電壓穩(wěn)定；所需磁性元件小。有源功率因數(shù)校正的控制方法有源功率因數(shù)校正技術(shù)的思路是，控制已整流后的電流，使之在對(duì)濾波大電容充電之前能與整流后的電壓波形相同，從而避免形成電流脈沖，達(dá)到改善功率因數(shù)的目的?；竟β室驍?shù)電路的控制方式如圖2所示?？刂菩酒镉幸粋€(gè)乘法器，它將輸入整流電壓波形瞬時(shí)值與誤差放大器的輸出相乘，作為電流參考信號(hào)，使輸入電流跟隨正弦電壓波形。

圖2基本功率因數(shù)校正電路圖2基本功率因數(shù)校正電路2．1根據(jù)導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)間及開關(guān)頻率分類總的說來，可能的開關(guān)電源控制器的種類有以下幾種：可變3，恒定『off，變頻；⑵恒定滄，可變Gff,變頻；可變幾“，可變Gff,恒頻；可變附，可變丁亦，變頻。2.2根據(jù)電感電流控制方式分類通過電感元件電流的控制方式主要有連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)、不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)及介于CCM與DCM之間的臨界或過渡導(dǎo)通模式(TCM)3種。不連續(xù)導(dǎo)通模式DCM。在DCM工作的PFC變換器，應(yīng)用比較廣泛。但DCM技術(shù)的缺點(diǎn)是，輸入電流紋波比較大，因而開關(guān)的損耗很大，輸出電壓的紋波也較大，對(duì)負(fù)載有一定的影響；因此它一般只適用于對(duì)功率因數(shù)要求不高，功率較小的場合。連續(xù)導(dǎo)通模式CCM。在CCM工作的PFC變換器，輸入電流及輸出電壓紋波都比較小，但控制較復(fù)雜、開關(guān)損耗較大、成本也較高。一般適用于大功率、大電流的產(chǎn)品中，輸出功率高達(dá)500w以上乃至3kw。臨界導(dǎo)通模式TCM。與前兩者相比，臨界導(dǎo)通模式也有其自身的特點(diǎn)：與CCM技術(shù)相比，它的輸入電流，輸出電壓的紋波比較大，因而對(duì)開關(guān)的沖擊較大，同時(shí)開關(guān)的導(dǎo)通損耗也比較大，但它的電路結(jié)構(gòu)比較簡單，比較容易控制，成本也比較低；與DCM技術(shù)相比，它的輸入電流，輸出電壓的紋波比較小，功率因數(shù)也比較高，但電路結(jié)構(gòu)要復(fù)雜些，控制也相對(duì)較復(fù)雜，成本比較高。2.3根據(jù)輸入電流的控制原理分類PFC變換器通常采用的控制方法有3種：電流峰值控制，電流滯環(huán)控制，平均電流控制3種。平均電流控制。平均電流控制的特點(diǎn)是工頻電流的峰值是高頻電流的 平均值，優(yōu)點(diǎn)是它直接控制電感平均電流，也就是輸入電流，不需要斜坡補(bǔ)償。電流峰值控制。平均電流控制和峰值電流控制的最大區(qū)別之一就是電流峰值控制沒有一個(gè)電流誤差放大器。在電流峰值控制，在半個(gè)工頻周期內(nèi)占空比有時(shí)大于0.5，有時(shí)小于0.5，有可能產(chǎn)生次諧波振蕩，因此必須在比較器的輸入端增加一個(gè)斜率補(bǔ)償函數(shù)或稱斜坡補(bǔ)償函數(shù)來防止次諧波振蕩的出現(xiàn)。（3） 電流滯環(huán)控制。這種控制方法需要可變的頻率來實(shí)現(xiàn)電流滯環(huán)帶。優(yōu)點(diǎn)是不需要斜坡補(bǔ)償，穩(wěn)定性好，不容易因?yàn)樵肼暟l(fā)生不穩(wěn)定振蕩；但缺點(diǎn)是變頻控制容易產(chǎn)生變頻噪聲，設(shè)計(jì)輸出濾波器時(shí)，要按最低開關(guān)頻率考慮，不能得到體積和重量最小的設(shè)計(jì)。各種控制方法分類標(biāo)準(zhǔn)雖各有不同，它們是相互聯(lián)系的，并且各有優(yōu)缺點(diǎn)，在設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)可以根據(jù)具體情況選擇合適的的控制方法。選擇時(shí)，一定要綜合考慮實(shí)際的輸入輸出電壓要求、主電路拓?fù)?、EMI要求、元器件選擇等。有源功率因數(shù)校正在電力系統(tǒng)中得應(yīng)用從上述控制技術(shù)可知，經(jīng)過APFC后，電網(wǎng)端的功率因數(shù)可以接近1,輸入電流減小了，配電輸電線的損耗降低了，用電裝置的諧波分量對(duì)電網(wǎng)的污染也就消除了。因此，凡是本身的工作會(huì)產(chǎn)生非線性，引起電網(wǎng)電壓、電流畸變的電力電子裝置，都可以使用功率因數(shù)校正器。由于APFC增加了一級(jí)功率調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，它既要使輸入電流波形呈正弦波，又要能夠穩(wěn)定輸出電壓，要同時(shí)具有這兩個(gè)互相矛盾的特性，勢必會(huì)帶來動(dòng)態(tài)響應(yīng)的惡化。例如，傳統(tǒng)的PWM技術(shù)使用Boost轉(zhuǎn)換器時(shí)，會(huì)造成輸出電壓穩(wěn)定時(shí)間的惡化和脈動(dòng)電壓增大。但如果合理設(shè)計(jì)輸出濾波電容C，就可得到適當(dāng)補(bǔ)償。增大輸出濾波電容C的容量，使之同時(shí)滿足電壓紋波和交流突然斷電時(shí)維持時(shí)間的要求。據(jù)資料顯示，只要是雙級(jí)式的APFC，負(fù)載變化時(shí)，快速響應(yīng)由電池和級(jí)聯(lián)的DC/AC變換解決，而前面的APFC保證電流波形的跟隨，這樣就可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響