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【摘 要】电力电子变流装置的广泛使用给供电系统造成功率因数降低，对电网造成了谐波污染。解决谐波污染和低功率因数问题的根本方法是从装置本身着手，通过采用新的变流电路形式和控制方法来改善装置本身的功率因数和减少交流侧电流谐波。本文主要对有源功率因数校正电路的主电路拓扑结构、工作原理和控制技术进行了综述。
【关键词】PWM;高频整流器；控制技术
1、引言
电力电子变流装置的广泛使用，一方面为工业生产带来了方便，促进了电气技术领域的发展，另一方面，也给供电系统造成功率因数降低，对电网造成“谐波污染”等不利后果。因此，如何抑制电力电子装置的谐波污染和提高其功率因数已成为电力电子技术、电气自动化技术及电力系统领域所面临的一个重大课题，并受到越来越多的关注。
解决谐波污染和低功率因数问题的基本思路有两条：一条是从装置的外部着手，对电网进行无功补偿和谐波抑制。这对各种谐波源都是适用的；另一条是从装置本身着手，通过采用新的变流电路形式和控制方法来改善装置本身的功率因数和减少交流侧电流谐波，即开发新型的、高功率因数、不产生谐波的电力电子装置。这种变流器称为单位功率因数变流器（Unity Power Factor Converter），也称为有源功率因数校正器APFC（Active Power Factor Converter）。
80年代中期以来，国际电力电子学界对有源功率因数校正的主电路拓扑、数学模型、控制策略进行了广泛的研究，本文主要分析和介绍有源功率因数校正技术发展过程中出现的各种主电路拓扑及控制策略。
2、有源功率因数校正电路的主电路拓扑结构[1]
APFC电路指在传统的不控整流桥和滤波电容之间加一级用于功率因数校正的功率变换电路，使得AC侧电流波形为正弦或接近正弦，从而提高功率因数的PWM整流电路。按直流侧储能方式可划分为电流型和电压型两大类；按电源相数可划分为单相PFC和三相PFC；按电感电流是否连续，可分为不连续导通模式（DCM）和连续导通模式（CCM）。
2.1 单相有源功率因数校正电路
理论上，电力电子电路的四种基本拓扑（Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic、Flyback）都可以构成APFC电路，但由于Boost APFC电路具有（1）输入电流连续，电磁干扰（EMI）小；（2）有输入电感，可减少对输入滤波器的要求，并可防止电网对主电路高频瞬态冲击；（3）开关器件的电压不超过输出电压（4）可在国际标准规定的输入电压和频率变化范围内保持正常工作等优点。因此，实际使用最多的是Boost有源功率因数校正主电路，其主电路拓扑如图1所示。通过控制开关V的通断，可以使交流电源在任何相位都有正弦电流流过，且与电源电压同相位，从而使输入端功率因数接近1。
单相功率因数校正电路的主要缺点是：单位周期中输入功率不稳定，含有很大的二次谐波成分，对直流稳压电路要求较高，限制了单相变换电路在中大功率范围的应用。
2.2 三相有源功率因数校正电路
三相有源功率因数校正电路拓扑结构众多。图2是三相有源功率因数校正电路中最简单的三相Boost功率因数校正电路图。在开关V导通时，根据流过电感的电流正比于输入电压，实现功率因数校正。其特点是：只设一个开关器件，电路简单，但三相电流整体校正效果并不太理想；工作于DCM模式，三相电流不连续；能量只可单相流动。
2.3 PWM整流器主电路拓扑结构
PWM整流器主电路拓扑结构根据输出特性可划分为电压型与电流型两种；根据电源相数可划分为单相半桥、单相全桥和三相全桥三种。其电路结构如图3-7所示。此外，还有三电平三相PWM高频整流电路和电压型双PWM变频电路等。这类电路的特点之一是可以实现能量的双向流动。
3、PWM整流器的控制方式综述[2-3]
3.1 滞环电流控制
滞环电流控制是一种瞬时值反馈控制模式，用于电压型PWM整流器的控制。在此方式中，把给定电流信号与交流电流实际信号进行比较，两者的偏差作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路中开关通断的PWM信号，该PWM信号经驱动电路控制开关的通断，从而控制交流电流信号的变化。
采用滞环电流比较的直接电流控制系统优点是：结构简单，电流响应速度快，控制运算中未使用电路参数，系统鲁棒性好，应用较广。但其开关频率不固定，谐波电流频谱随机分布，这给滤波器的设计带来了困难。
3.2 平均电流控制
平均电流控制以输出电压误差放大信号和输入整流电压信号的乘积作为电流基准，将输入电流信号与基准电流进行比较，其中高频分量的变化经过电流误差放大器，被平均化处理。放大后的平均电流误差信号与锯齿波比较后，控制开关元件的通断，使输入电流波形接近正弦波，且与输入整流电压同相位。
平均电流控制的特点是谐波总畸变率和电磁干扰小，对噪声不敏感，开关频率固定，原则上可以检测任意拓扑、任意支路的电流。
3.3 预测电流直接控制
预测电流控制以开关的在线优化为出发点，加到开关控制器的输入量是由磁场定向控制系统提供的定子电流矢量分量，这些输入量用来控制复平面里的电流矢量轨迹，使它相对于参考电流矢量保持最小的空间误差。
预测电流控制具有良好的控制效果，但在采样频率不高或受微处理器运算速度限制的情况下，它的电流误差比滞环电流控制要大，另外，其控制精度依赖于系统的参数。
3.4 移相SPWM控制
移相SPWM的基本原理是将正弦波与三角波进行比较，以两者的交点决定开关点的位置。当采样频率趋于无穷大时，称为自然采样，当采样频率与三角载波频率相等时称为规则采样。但无论是自然采样还是规则采样，交流线电压基波最大值仅为直流电压的86.6%，直流侧电压利用率太低。
3.5 谐波注入式PWM
为提高直流电压利用率，可采用在给定电压信号中注入三次谐波或3N次谐波的方法，其实质是通过在正弦波信号上迭加3或3N次谐波使得调制波产生一个“平顶”，从而使调制波中的基波成分相对于三角载波“超调”。
在这种控制模式下，当调制比M=1时，交流侧基波线电压最大值等于直流电压，直流电压利用率比普通采样方式提高15%左右。但此方式只适宜三相无中线系统。
3.6 电压空间矢量PWM调制方式
电压空间矢量PWM调制方式是在一个开关周期中用两个有效电压开关矢量的平均值等效给定电压矢量在此开关周期的采样值。
电压空间矢量控制PWM调制方式的优点在于：容易实现交流侧电流正弦化，功率因数为1；直流侧输出纹波小，直流电压利用率高；在同样的交流线电流THD的要求下，比其他控制模式的开关频率大大降低。但这种方法计算量庞大，先要做复杂的坐标变换，进行矢量选择，然后需要分别计算各矢量的持续时间，再将分区段的时间相加变成三相脉宽调制时间，使得三相PWM的实时控制需要双CPU、DSP等高速控制器。这种方法的另外一个缺点是过多的运算环节容易产生控制误差甚至错误。
3.7 无差拍控制
无差拍（deadbeat），指的是在每一个采样点上系统的输出都与其指令完全一致，没有任何相位滞后和幅值偏差。无差拍是数字控制特有的一种控制效果，它是在控制对象的离散数学模型的基础上，通过施加精确计算的控制量来使得被调量的偏差在一个采样周期内得到纠正。
无差拍控制最显著的优势是系统的动态响應非常迅速，缺点是：它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震荡，不利于整流器的稳定运行。
4、结论
可以预见，随着新型半导体器件的发展和控制技术的日趋完善，PWM高频整流器将得到普遍的工程应用，电网的谐波污染和低功率因数问题也将得到较大的改善。
参考文献
[1] 王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,2005.10 .
[2] 王兆安,刘进军.电力电子装置谐波抑制及无功补偿技术的进展[J].电力电子技术,1997(1):100-104.
[3] 屈莉莉，张波.PWM整流器控制技术的发展[J].电气应用,2007,26（2）：6-11.
【关键词】PWM;高频整流器；控制技术
1、引言
电力电子变流装置的广泛使用，一方面为工业生产带来了方便，促进了电气技术领域的发展，另一方面，也给供电系统造成功率因数降低，对电网造成“谐波污染”等不利后果。因此，如何抑制电力电子装置的谐波污染和提高其功率因数已成为电力电子技术、电气自动化技术及电力系统领域所面临的一个重大课题，并受到越来越多的关注。
解决谐波污染和低功率因数问题的基本思路有两条：一条是从装置的外部着手，对电网进行无功补偿和谐波抑制。这对各种谐波源都是适用的；另一条是从装置本身着手，通过采用新的变流电路形式和控制方法来改善装置本身的功率因数和减少交流侧电流谐波，即开发新型的、高功率因数、不产生谐波的电力电子装置。这种变流器称为单位功率因数变流器（Unity Power Factor Converter），也称为有源功率因数校正器APFC（Active Power Factor Converter）。
80年代中期以来，国际电力电子学界对有源功率因数校正的主电路拓扑、数学模型、控制策略进行了广泛的研究，本文主要分析和介绍有源功率因数校正技术发展过程中出现的各种主电路拓扑及控制策略。
2、有源功率因数校正电路的主电路拓扑结构[1]
APFC电路指在传统的不控整流桥和滤波电容之间加一级用于功率因数校正的功率变换电路，使得AC侧电流波形为正弦或接近正弦，从而提高功率因数的PWM整流电路。按直流侧储能方式可划分为电流型和电压型两大类；按电源相数可划分为单相PFC和三相PFC；按电感电流是否连续，可分为不连续导通模式（DCM）和连续导通模式（CCM）。
2.1 单相有源功率因数校正电路
理论上，电力电子电路的四种基本拓扑（Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic、Flyback）都可以构成APFC电路，但由于Boost APFC电路具有（1）输入电流连续，电磁干扰（EMI）小；（2）有输入电感，可减少对输入滤波器的要求，并可防止电网对主电路高频瞬态冲击；（3）开关器件的电压不超过输出电压（4）可在国际标准规定的输入电压和频率变化范围内保持正常工作等优点。因此，实际使用最多的是Boost有源功率因数校正主电路，其主电路拓扑如图1所示。通过控制开关V的通断，可以使交流电源在任何相位都有正弦电流流过，且与电源电压同相位，从而使输入端功率因数接近1。
单相功率因数校正电路的主要缺点是：单位周期中输入功率不稳定，含有很大的二次谐波成分，对直流稳压电路要求较高，限制了单相变换电路在中大功率范围的应用。
2.2 三相有源功率因数校正电路
三相有源功率因数校正电路拓扑结构众多。图2是三相有源功率因数校正电路中最简单的三相Boost功率因数校正电路图。在开关V导通时，根据流过电感的电流正比于输入电压，实现功率因数校正。其特点是：只设一个开关器件，电路简单，但三相电流整体校正效果并不太理想；工作于DCM模式，三相电流不连续；能量只可单相流动。
2.3 PWM整流器主电路拓扑结构
PWM整流器主电路拓扑结构根据输出特性可划分为电压型与电流型两种；根据电源相数可划分为单相半桥、单相全桥和三相全桥三种。其电路结构如图3-7所示。此外，还有三电平三相PWM高频整流电路和电压型双PWM变频电路等。这类电路的特点之一是可以实现能量的双向流动。
3、PWM整流器的控制方式综述[2-3]
3.1 滞环电流控制
滞环电流控制是一种瞬时值反馈控制模式，用于电压型PWM整流器的控制。在此方式中，把给定电流信号与交流电流实际信号进行比较，两者的偏差作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路中开关通断的PWM信号，该PWM信号经驱动电路控制开关的通断，从而控制交流电流信号的变化。
采用滞环电流比较的直接电流控制系统优点是：结构简单，电流响应速度快，控制运算中未使用电路参数，系统鲁棒性好，应用较广。但其开关频率不固定，谐波电流频谱随机分布，这给滤波器的设计带来了困难。
3.2 平均电流控制
平均电流控制以输出电压误差放大信号和输入整流电压信号的乘积作为电流基准，将输入电流信号与基准电流进行比较，其中高频分量的变化经过电流误差放大器，被平均化处理。放大后的平均电流误差信号与锯齿波比较后，控制开关元件的通断，使输入电流波形接近正弦波，且与输入整流电压同相位。
平均电流控制的特点是谐波总畸变率和电磁干扰小，对噪声不敏感，开关频率固定，原则上可以检测任意拓扑、任意支路的电流。
3.3 预测电流直接控制
预测电流控制以开关的在线优化为出发点，加到开关控制器的输入量是由磁场定向控制系统提供的定子电流矢量分量，这些输入量用来控制复平面里的电流矢量轨迹，使它相对于参考电流矢量保持最小的空间误差。
预测电流控制具有良好的控制效果，但在采样频率不高或受微处理器运算速度限制的情况下，它的电流误差比滞环电流控制要大，另外，其控制精度依赖于系统的参数。
3.4 移相SPWM控制
移相SPWM的基本原理是将正弦波与三角波进行比较，以两者的交点决定开关点的位置。当采样频率趋于无穷大时，称为自然采样，当采样频率与三角载波频率相等时称为规则采样。但无论是自然采样还是规则采样，交流线电压基波最大值仅为直流电压的86.6%，直流侧电压利用率太低。
3.5 谐波注入式PWM
为提高直流电压利用率，可采用在给定电压信号中注入三次谐波或3N次谐波的方法，其实质是通过在正弦波信号上迭加3或3N次谐波使得调制波产生一个“平顶”，从而使调制波中的基波成分相对于三角载波“超调”。
在这种控制模式下，当调制比M=1时，交流侧基波线电压最大值等于直流电压，直流电压利用率比普通采样方式提高15%左右。但此方式只适宜三相无中线系统。
3.6 电压空间矢量PWM调制方式
电压空间矢量PWM调制方式是在一个开关周期中用两个有效电压开关矢量的平均值等效给定电压矢量在此开关周期的采样值。
电压空间矢量控制PWM调制方式的优点在于：容易实现交流侧电流正弦化，功率因数为1；直流侧输出纹波小，直流电压利用率高；在同样的交流线电流THD的要求下，比其他控制模式的开关频率大大降低。但这种方法计算量庞大，先要做复杂的坐标变换，进行矢量选择，然后需要分别计算各矢量的持续时间，再将分区段的时间相加变成三相脉宽调制时间，使得三相PWM的实时控制需要双CPU、DSP等高速控制器。这种方法的另外一个缺点是过多的运算环节容易产生控制误差甚至错误。
3.7 无差拍控制
无差拍（deadbeat），指的是在每一个采样点上系统的输出都与其指令完全一致，没有任何相位滞后和幅值偏差。无差拍是数字控制特有的一种控制效果，它是在控制对象的离散数学模型的基础上，通过施加精确计算的控制量来使得被调量的偏差在一个采样周期内得到纠正。
无差拍控制最显著的优势是系统的动态响應非常迅速，缺点是：它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震荡，不利于整流器的稳定运行。
4、结论
可以预见，随着新型半导体器件的发展和控制技术的日趋完善，PWM高频整流器将得到普遍的工程应用，电网的谐波污染和低功率因数问题也将得到较大的改善。
参考文献
[1] 王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,2005.10 .
[2] 王兆安,刘进军.电力电子装置谐波抑制及无功补偿技术的进展[J].电力电子技术,1997(1):100-104.
[3] 屈莉莉，张波.PWM整流器控制技术的发展[J].电气应用,2007,26（2）：6-11.