CN111756227A - 功率因数校正方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种功率因数校正方法，用于校正交流电源的功率因数，所述功率因数校正方法包括：检测所述交流电源的输入电压VAC的过零点，获得VAC的周期T的步骤；利用所述周期T，生成半波对称的周期函数f(t)的步骤；利用所述f(t)实现递归低通滤波器y(t)，使得y(t)的输出与流过X‑电容器的目标无功电流Ixcap(t)相匹配的步骤；利用给定参考电流Iref(t)以及所述y(t)生成用于功率因数校正的参考电流I′ref(t)的步骤；以及利用所述参考电流I′ref(t)对所述功率因数进行校正的步骤。据此，能够以高代码效率的方式补偿EMI电容器无功电流。

Description

功率因数校正方法
技术领域
本发明涉及功率因数校正方法，尤其涉及在交流电源中校正功率因数的功率因数校正方法。
背景技术
在开关式交流电源中，通常利用电磁干扰(Electromagnetic interference，EMI)滤波器来抑制由开关式交流电源产生的导电噪声。在这种滤波器内部，X-电容器(X-cap)连接在输入线上，用作对差分噪声的低通滤波器。然而，这种电容器的较大的电容值会严重影响电源的功率因数校正器(power factor corrector，PFC)的性能，导致较差的电流谐波失真和较差的功率因数。
以往，改进PFC的传统方法主要集中在电流回路调谐上，几乎不存在用X-cap进行进一步改进。但是，较差的功率因数(PF)主要发生在高线电压和轻负载下，在这种情况下，X-cap对PF有很大影响。
近年来提出了一种解决方法，在数字控制的PFC中实现X-cap无功电流补偿。在非专利文献1中记载了如何补偿X-cap无功电流的理论和实现方法。在非专利文献1给出的实现方法中，通过用参考电流减去X-cap无功电流得到新的参考电流，将新的参考电流施加到PFC电流环路。为了计算作为余弦波形的X-cap无功电流的参考电流，模数转换器(analogue-digital converter，ADC)的输入电压测量结果被存储在随机存取存储器(RAM)中。
然而，在非专利文献1中，计算X-cap无功电流的参考电流需要RAM太多的存储空间。此外，每个采样周期通常都会花费大量时间资源进行计算。这导致低代码效率并增加了昂贵的高性能微控制单元(microcontroller unit，MCU)的成本。
在专利文献1中提出了一种类似的延迟PFC电流的方法，但补偿X-cap电流的方法与非专利文献1不同。在专利文献1的方法中，实际上是从输出功率获得二次谐波，然后通过将二次谐波分量注入对PFC的电压控制，从而电源可以使超前功率因数变成滞后功率因数。然而，用于补偿的二次谐波频率并不完全是X-cap电流波形，这是因为X-cap电流具有与线频率相同但相位超前90度的正弦频率，它实际上大致是合成输入电流。此外，X-cap电流应与输出功率无关。在专利文献1中补偿幅度变得较高，当电源处于较高负载时，导致非正弦输入电流。
在先技术文献
非专利文献
非专利文献1：Increase power factor by digitally compensating for PFCEMI-capacitor reactive current(通过数字补偿PFC EMI电容器无功电流来增加功率因数)http：//www.ti.com/lit/an/slyt673/slyt673.pdf
专利文献
专利文献1：US8872484B2
发明内容
本发明鉴于上述情况而完成，目的在于提供一种新的功率因数校正方法，能够有效地补偿EMI电容器无功电流，据此能够提高功率因数，降低电流谐波失真，进而与现有的方法相比，能够提高代码效率，微控制单元能够以较小的计算资源来生成连续的EMI电容器无功电流。
为了解决上述课题，本发明所涉及的功率因数校正方法，用于校正交流电源的功率因数，所述功率因数校正方法的特征在于包括：检测所述交流电源的输入电压VAC的过零点，获得VAC的周期T的步骤；利用所述周期T，生成半波对称的周期函数f(t)的步骤；利用所述f(t)实现递归低通滤波器y(t)，使得y(t)的输出与流过X-电容器的目标无功电流Ixcap(t)相匹配的步骤；利用给定参考电流Iref(t)以及所述y(t)生成用于功率因数校正的参考电流I′ref(t)的步骤；以及利用所述参考电流I′ref(t)对所述功率因数进行校正的步骤。
在本发明的技术方案中，为了以高代码效率的方式补偿EMI电容器无功电流，在用MCU数字生成简单的半波对称函数之后使用递归低通滤波器来匹配EMI电容器无功电流，从而得到新的功率因数校正器的参考电流。
根据本发明的方法，能够有效地补偿EMI电容器无功电流，据此能够提高功率因数，降低电流谐波失真，并且与现有的方法相比，能够提高代码效率，微控制单元能够以较小的计算资源来生成连续的EMI电容器无功电流。
附图说明
图1示出现有技术的功率因数校正配置的示意图。
图2示意性示出具有X-电容器的电源单元的主要部分的等效电路图。
图3示出没有X-电容器补偿的合成输入波形的示意图。
图4示出具有X-电容器补偿的合成输入波形的示意图。
图5示出本发明的实施方式的利用X-电容器补偿产生新参考电流的流程图。
图6示意性示出本发明的实施例的X-电容器补偿的详细图形描述的图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，在对本发明进行说明之前，首先，对现有的有源PFC进行说明。
图1示出现有技术的功率因数校正配置的示意图。在图1中，101是向PFC提供电力的交流电源(AC电源)，102是用于抑制导电噪声(包括共模和差模)的EMI滤波器，103是PFC电路，其改变提供给负载的电流的波形，以提高功率因数，104是与PFC的输出对应的负载，其中，在PFC电路103的内部具有整流电路。
图2示意性示出具有X-电容器的电源单元的主要部分的等效电路图。在图2中示出了简化的EMI滤波器，PFC的差分输入的等效电路类似于PFC203之前的电容器202，这是因为共模扼流圈不受影响。在图2所示的电路中，电流存在数式1所示的关系。
(数式1)
IAC＝Ixcap+IL……数式1
其中，IAC是由AC电源201提供的电流，Ixcap是流过X-cap的无功电流，IL是流过PFC的电流。
通常在数字控制PFC中，基于电流回路控制，IL应遵循由数式2产生的参考电流Iref：
(数式2)
Iref＝A×B×C……数式2
其中，A是随负载变化的回路输出电压，B是
Figure BDA0002012296960000041
C是即时输入电压，即，C＝VAC(t)。Iref是随时间变化的函数。
因此，IL与VAC同相。
此外，Ixcap能够利用数式3来计算：
(数式3)
Figure BDA0002012296960000042
其中，Cxcap是X-电容器的电容值，
Figure BDA0002012296960000043
是时间导数，VAC(t)是即时输入电压。
图3示出没有X-电容器补偿的合成输入波形的示意图。由图3可知，由于Ixcap的影响导致IAC超前VAC，并且将导致较差的功率因数。
(数式4)
Figure BDA0002012296960000044
其中，cosθ是相移功率因数，
Figure BDA0002012296960000045
是失真功率因数，iTHD是负载电流的总谐波失真。
为了使IAC与AC电源的电压输入VAC同相，可以修改IL以实现单位功率因数。如上所述，用X-cap补偿过的PFC电流即I′L应遵循由数式5产生的参考电流I′ref：
(数式5)
I′ref(t)＝Iref(t)-Ixcap(t)……数式5
其中，I′ref(t)是随时间变化的新参考电流，Ixcap(t)是由微控制单元利用数式3计算出的流过X-cap的无功电流。
图4示出具有X-电容器补偿的合成输入波形的示意图，在图4中示出了实施X-cap补偿后的结果。由图4可知，合成的IAC与VAC同相，功率因数接近于1。
由上述可知，实现X-cap补偿的关键因素是在微控制单元内部生成流过X-cap的无功电流，即Ixcap(t)。当然，无功电流Ixcap(t)也可以利用隔离式电流计进行检测，例如霍尔效应感测器。但是，在本发明中优选在微控制单元中通过算法来得到无功电流Ixcap(t)。
对此，在非专利文献1中建议使用内部随机存取存储器(RAM)连续地记录VAC以获得cos(2πft)。然而，在非专利文献1给出的方法中，占用了大量的RAM存储空间，其与VAC半周期内的采样率成正比。此外，如果线频率是一个随时间变化的变量，由数式6可知，
(数式6)
Ixcap(t)＝2πfVACcos(2πft)……数式6
因为线频率f是变量，必须获得VAC过零点之间的周期时间，然后用
Figure BDA0002012296960000051
来计算f，在微控制单元中这个除法计算需要花费很长时间，所以微控制单元需要使用大量计算资源来计算Ixcap(t)。
本发明的发明人经过研究，提出了一种新的功率因数校正方法，通过采用本发明的方法来计算参考电流，能够有效地补偿EMI电容器无功电流，据此能够提高功率因数，降低电流谐波失真，并且与现有的方法相比，能够提高代码效率，微控制单元能够以较小的计算资源来生成连续的EMI电容器无功电流。
下面具体说明本发明的技术思想和优选实施方式。
在本发明中提出一种功率因数校正方法，通过将本发明的功率因数校正方法应用于参考电流计算中以补偿EMI电容器无功电流，能够提高开关式交流电源的功率因数，并且可以降低电流谐波失真。
图5示出本发明的实施方式的利用X-电容器补偿产生新参考电流的流程图。为了便于理解本发明，避免重复说明，在图5中示出了电流回路控制流程的一部分，其中跳过了利用数式2进行的Iref的计算。图5所示的流程图的输出是新的参考电流I′ref，其在Iref之后定期更新。
如图5所示，在步骤501从AC电源处(参照图1所示的电路的AC电源101，以及图2所示的电路的AC电源201)数字地检测VAC过零点，获得VAC的周期，将VAC的周期设为T。在步骤502利用周期T来生成具有半波对称性的周期函数，即半波对称函数f(t)。在步骤502中可以生成任意类型的周期函数，只要具有半波对称性即可，例如可以是方波、三角波、梯形波等，越简单的函数越能够确保较高的代码效率。例如，在本实施方式中，可以使用数式7来生成半波对称函数f(t)，在本实施方式中生成的半波对称函数的周期等于VAC的周期。
(数式7)
Figure BDA0002012296960000071
其中，T是VAC的周期。
在步骤503中，对半波对称函数f(t)应用递归滤波器y(t)以生成近似正弦波形，在本实施方式中，递归滤波器y(t)是低通滤波器。即，利用半波对称函数f(t)实现递归低通滤波器y(t)。需要说明的是，y(t)可以是任意类型的使用一个或多个输出作为输入的递归滤波器，例如能够使用后面叙述的数式9来得到递归滤波器y(t)，只要将数式9中的τ(t)替换为f(t)即可。递归滤波器y(t)的特性是平滑步骤502中生成的周期函数，并且优选能够在许多VAC周期后显著衰减较高频率分量。在本实施方式中，所得到的递归滤波器y(t)能够表现为具有基线频率的正弦波，看起来像流过X-电容器的无功电流Ixcap，但可能具有不同的幅度和相移。
在本发明中，在所得到的递归滤波器y(t)的幅度和相位与目标Ixcap不匹配的情况下，可以使用复杂的数学方法来计算增益和相移来调整y(t)的幅度和相位使得与Ixcap的幅度和相移相匹配。
但是，在本实施方式中，利用图5中的步骤504、步骤505、步骤506和步骤507给出了一种优选的较简单的迭代方法，来调整y(t)的幅度和相移。
在本实施方式中，为了监测y(t)和Iref，在步骤506中，微控制单元MCU可以导出y(t)和利用上述的数式2根据AC电源的电压和回路输出电压计算出的Iref(t)，验证y(t)的幅度和相位是否与利用上述的数式3计算出的目标Ixcap(t)相匹配。若在步骤506中判断为“否”，则在步骤507中，调整增益，在步骤504中将调整过的增益作为乘法系数来补偿y(t)，以调整y(t)的幅度。在步骤505中，将y(t)的相位调整为超前VAC给定阈值。经过若干次迭代，y(t)的幅度和相位能够与目标Ixcap(t)大致一致。其中，所述给定阈值优选处于85度至95度的范围，进一步优选为90度。
与上述利用数式5所描述的现有技术相同，在本实施方式中，通过图5所示的步骤508、步骤509、步骤510和步骤511来获得新参考电流I′ref(t)。具体而言，在步骤508中，判断目标Iref(t)是否大于y(t)的绝对值。在本实施方式中，可以利用目标Iref(t)和y(t)的当前时刻的数值来进行比较。若在步骤508中判断为“是”，则如步骤509所示，设参考电流I′ref(t)＝Iref(t)-y(t)，其中Iref(t)是在步骤506中由微控制单元MCU计算出的。若在步骤508中判断为“否”，则在步骤510中判断目标Iref(t)是否小于y(t)的绝对值。若在步骤510中判断为“否”，则如步骤511所示，设参考电流I′ref(t)＝0，若在步骤510中判断为“是”，则重复电流控制循环以更新I′ref(t)。
此外，在本发明中，在优化增益和相移从而获得了适当功率因数和较低电流谐波失真(iTHD)之后，可以省略图5中的步骤504、步骤505、步骤506和步骤507。
此外，为了对交流输入的整个范围进行支持，能够基于线频率和幅度(例如，50Hz下230Vac或60Hz下110AC)离散地应用几组增益和相移。
此外，在本发明的实施方式中，半波对称周期函数f(t)可以是但不限于方波、三角波、梯形波等。数字低通滤波器y(t)可以是但不限于递归或非递归滤波器。
接下来，说明本发明的一个具体实施例。
图6示意性示出本发明的实施例的X-电容器补偿的详细图形描述的图。在本实施例中，作为上述实施方式中的半波对称周期函数f(t)的一个示例，生成三角波τ(t)。对于三角波τ(t)的数学表达式，可以表示为数式8所示的三角函数τ(t)：
(数式8)
Figure BDA0002012296960000091
其中，τ(t)的取值范围是：从-1到+1。p是VAC的前一个周期的周期时间，在VAC周期结束时重置和更新。
在本实施例中，为了更方便地利用微处理单元MCU，利用与数式8相同的输入和输出来生成三角波。
首先，检测VAC的过零点，获得VAC的周期。为了调整相位，将即时三角函数值τ(t)重置为
Figure BDA0002012296960000092
其中，p是前一个周期的周期时间，在VAC周期结束时重置和更新；s是给定的相移，在图6中用符号603示出。将三角函数值τ(t)的上限(图6中，用符号601示出)设置为
Figure BDA0002012296960000093
将三角函数值τ(t)的下限(图6中，用符号602示出)设置为(上限-
Figure BDA0002012296960000094
)。此时的三角波如果朝向下限，则
Figure BDA0002012296960000095
如果达到下限，则
Figure BDA0002012296960000096
如果达到上限，则
Figure BDA0002012296960000097
由此生成三角波。
接下来，在本实施例中，利用数式9能够得到一个简单的递归低通滤波器R(t)。R(t)是上述实施方式中的y(t)的一个示例。
(数式9)
Figure BDA0002012296960000098
其中，n是自然数，A是给定的增益。
在本实施例中，R(t)可以是任意类型的数字递归低通滤波器，相当于上述实施方式中的y(t)。
接下来，将所得到的递归低通滤波器R(t)应用于τ(t)。如果Iref(t)＞|R(t)|，则I′ref(t)＝Iref(t)-R(t)；如果Iref(t)＜|R(t)|，则I′ref(t)＝0。
导出Iref(t)和R(t)以验证R(t)是否与计算出的目标Ixcap(t)的幅度和相位相匹配。
在若干次迭代之后，能够获得适当的幅度(在图6中用符号605示出)、相位(在图6中用符号604示出)和数式9中的n。在本实施例中，R(t)应接近计算出的目标Ixcap(t)。
将上述的实施例应用于230Vac、50Hz线路的1600瓦AC-DC电源单元，则iTHD和功率因数的结果测量如下述的表1所示。
(表1)
Figure BDA0002012296960000101
在表1中示出了在不同的满载百分比下实施上述实施例之前和之后的结果。由表1可知，实施上述实施例后能够得到明显的改进，特别是在轻负载时，这是因为X-电容器电流占主导地位。
通过应用本发明，与现有技术的方法相比，能够与现有技术同样或更好地改善iTHD和功率因数。此外，相对于现有技术的方法中需要更多的RAM和计算资源，本发明的方法能够提高代码效率，能够通过微控制单元MCU利用较小的计算资源来补偿EMI电容器无功电流。例如，如果在一个AC周期中发生2000次更新，则与使用现有技术方法相比，使用本发明的方法能够节省大约90％的RAM和80％的计算时间。
此外，本发明中的算法能够但不限于使用微控制单元MCU、数字信号处理器、处理器、对象、可执行程序、执行线程、程序和/或计算机来实现。

Claims (13)

1.一种功率因数校正方法，用于校正交流电源的功率因数，所述功率因数校正方法的特征在于包括：
检测所述交流电源的输入电压VAC的过零点，获得VAC的周期T的步骤；
利用所述周期T，生成半波对称的周期函数f(t)的步骤；
利用所述f(t)实现递归低通滤波器y(t)，使得y(t)的输出与流过X-电容器的目标无功电流Ixcap(t)相匹配的步骤；
利用给定参考电流Iref(t)以及所述y(t)生成用于功率因数校正的参考电流I′ref(t)的步骤；以及
利用所述参考电流I′ref(t)对所述功率因数进行校正的步骤。
2.根据权利要求1所述的功率因数校正方法，其特征在于，
所述f(t)的输出是方波、三角波或梯形波。
3.根据权利要求1所述的功率因数校正方法，其特征在于，
通过下述数式来生成所述f(t)：
Figure FDA0002012296950000011
4.根据权利要求1所述的功率因数校正方法，其特征在于，
通过下述数式来生成所述f(t)：
Figure FDA0002012296950000012
其中，p是所述周期T的前一个周期的周期时间。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的功率因数校正方法，其特征在于，
使所述y(t)的幅度和相位与所述Ixcap(t)相匹配。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的功率因数校正方法，其特征在于，
所述功率因数校正方法还包括：调整所述y(t)的幅度和相位，使得所述y(t)的幅度和相位与所述Ixcap(t)相匹配的步骤。
7.根据权利要求6所述的功率因数校正方法，其特征在于，
调整所述y(t)的幅度和相位，使得所述y(t)的幅度和相位与所述Ixcap(t)相匹配的步骤包括：
调整增益的步骤；
利用调整过的增益以及所述f(t)重新实现所述y(t)的步骤；
将所述y(t)的相位调整为超前所述VAC给定阈值的步骤；以及
判断所述y(t)的幅度和相位是否与所述Ixcap(t)相匹配的步骤。
8.根据权利要求7所述的功率因数校正方法，其特征在于，
所述给定阈值处于85度至95度的范围。
9.根据权利要求7所述的功率因数校正方法，其特征在于，
所述给定阈值为90度。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的功率因数校正方法，其特征在于，
通过下述数式来实现所述y(t)：
Figure FDA0002012296950000021
其中，n是自然数，A是给定增益。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的功率因数校正方法，其特征在于，
通过下述数式来计算所述目标无功电流Ixcap(t)：
Figure FDA0002012296950000022
其中，Cxcap是所述X-电容器的电容值，
Figure FDA0002012296950000023
是时间导数，VAC(t)是所述交流电源的即时输入电压。
12.根据权利要求1至4中任一项所述的功率因数校正方法，其特征在于，
在所述给定参考电流Iref(t)大于所述y(t)的绝对值的情况下，所述I′ref(t)满足I′ref(t)＝Iref(t)-y(t)，
在所述给定参考电流Iref(t)等于所述y(t)的绝对值的情况下，所述I′ref(t)等于零。
13.根据权利要求1至4中任一项所述的功率因数校正方法，其特征在于，
根据回路输出电压、
Figure FDA0002012296950000031
以及所述交流电源的即时输入电压VAC(t)，来计算所述给定参考电流Iref(t)。
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