单位功率因素控制技术

摘要：在电力系统中对无功功率进行补偿以降损节能，当功率因数提高到1.0，称之为单位功率因数。本文主要讨论采用无功功率进行补偿的方法实现单位功率因数的控制技术。

关键词：补偿，单位功率因数，控制方法

一、前言

当电网的功率因数由cosφ提高到cosφ1，因为P＝UIcosφ，负荷电流I与cosφ成反比，又由于P＝I2R，线路的有功损失与电流I的平方成正比。当cosφ升高，负荷电流I降低，即电流I降低，线路有功损耗就成倍降低。反之当负荷的功率因数从1降低到cosφ时，电网元件中功率损耗将增加的百分数为ΔPL%，计算如下： ΔPL%＝(1/cos2φ-1)?100%

(1)功率因数降低与功率损耗增加的百分数之间的关系如表1。 

表1 功率因数降低与功率损耗增加的关系功率因数从1降低到左列数值 0.95 0.9 0.85 0.8 0.75 0.7 0.65 电网元件中有功损耗增加百分数PL% 11 23 38 56 78 104 136 功率因数提高对降低有功功率损耗的影响见表2。 

表2 功率因数提高对降低有功功率损耗的影响功率因数由右列数值提高到0.95 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 可变有功功率损耗降低的百分数 60 53 46 38 29 20 10 

二、功率因数校正基本原理

功率因数(PF：Power Factor)一般定义为交流输入前有功功率P0与视在功率Pa之比：PF=Po／Pa

（1）当系统由工频电网供电时， 根据推导和PF定义可知要实现PF=1，不但需要输入交流电流与输入电压同相位即，COSΦ=cos0o=1，而且还要求输入交流电流为正弦波.即谐波为零只有这样，才能实现PF=1。为了提高功率因数，限制电流畸变和谐波，必须将开关变换器技术移植、必须进行功率因数校正(Power Factor Correction-PFC),以达到电流波形整形和改善功率因素之目的.PFC电路的作用，就是在电网和负载之间扦入校正环节,使输入电流波形逼近输入电压波.通常情况下，就是使得输入电流成为与输入电压同相位的正弦电流。 PFC的方法很多，可根据高频／低频、有源／无源、谐振/非谐振来分类［1］。目前AC／DC功率变换器中，值此采用高频有源PFC技术，其核心思想是引入开关变换器的电流控制方式，控制输入电流跟随输入电压波形，使输入电流成为与输入电压同相的正弦波形(见图2的Ui 与iavc波形同相所示). 在ML4803 PFC中的升压转换的布局技术是平均电流控制的升压式功率因数校正(Boost-PFC)电路,所以不需要斜率补偿,也就是使用了一种升压型的DC-DC转换器来完成这一PFC任务。转换器的输入是全波整流AC线电压。在桥式整流器之后，没有使用滤波，所以升压转换器的输入电压，两倍于线频率，范围从零伏到AC输入的峰值，再返回零。通过迫使升压转换器满足同时两个条件，就有可能确保转换器从电网(动力线)取得的交流电流，能匹配瞬时输入电压(线电压)。这些条件中的一个是，升压转换器的输出电压必须设得高于线电压的峰值。常用的值是385 VDC，允许对高线为270VACRms(均方根)。另一个条件是，转换器被允许在任一给定瞬间从线路中取得的电流，必须与线路电压成比例。采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。 PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用［2］。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。到目前为止，已出现了多种PWM控制技术，根据PWM控制技术的特点，到目前为止主要有以下8类方法。 相电压控制PWM，线电压控制PWM，电流控制PWM，空间电压矢量控制PWM，矢量控制PWM，直接转矩控制PWM，非线性控制PWM，谐振软开关PWM。目前，交流变频调速传动已经成为电气调速传动的主流。采用自关断器件的全数字控制的PWM变频器已经实现了通用化。但绝大多数变频器，其网侧变流器常采用不可控的二极管整流器。这带来两个问题：其一，由于二极管的单向导电性能，电机制动的再生能量无法回馈给电网。其二，网侧电流波形严重畸变，造成电网功率因数较低，由于整流采用二极管整流，因此，最高功率因数只可能为0.8左右。随着这类非线性负载容量的增大和应用的不断普及，会引起供电系统功率因数降低，大量的高次谐波注入电网，影响其它用电设备正常，安全，经济的运行，造成危害。针对这两个问题，采用PWM控制方式的交-直变流器作为交-直-交变频器中的网侧变流器，它能得到好的单位功率因数，减少线电流畸变，并且能够使再生能量回馈给电网［3］。有几种控制方案能够满足这些要求。其中幅相控制PAC具有简单的控制结构并且具有良好的开关特性。本文对这种变流器的控制进行了全面的分析和仿真。 

三、高功率因数变流器的工作原理

我们的控制目的就是要达到功率因数为1和将能量回馈 ，主电路如图3所示。

图3 交-直电压源变流器主电路

图2 动态相位关系要控制功率因数为1也就是要控制e1与i1同相，也就是要满足图2的相量图。这里将电流控制转换成电压控制，属于间接控制，现在的关键就是要控制好Vu，使之满足上面的向量图。而控制Vu关键就是要控制好IGBT的触发脉冲，也就是所谓的PWM波，而PWM波的控制关键就是要控制好调制系数m和相位角Ψ，如图6所示。我们先建立一个一般的数学模型，然后通过使用傅立叶变换，参考向量的旋转变换和小信号线性化处理，找到调制系数与相位角的数学关系。要控制能量回馈，即当eL＞Vd 时（Vd为图3中电容C两端的电压）,使变流器发生逆变，我们同样可以通过m与Ψ的关系方程求出对应的m和Ψ，这样就可以使相应的IGBT导通。所以问题的关键就是求出m与Ψ的关系方程，这点将在后面给出具体的解法。