CN113676037B - 一种无源功率因数校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无源功率因数校正方法，涉及功率因数校正装置技术领域，具体为S1、PFC原理电路；S2、PFC电路阻抗计算及仿真分析；S3、PFC理论分析及设计；S4、当负载为电阻与电容串联时的情况；S5、不加校正电路时的情况；S6、PFC参数计算步骤；S7、交流侧功率因数校正器仿真；S8、航空电源加PFC状态下仿真和S9、带脉冲负载。该一种无源功率因数校正方法，提出了一种行之有效的PFC校正网络参数确定及寻优方法，校正后的功率因数在不同负载特性和不同负载大小的情况下接近于1，解决并联电容器补偿不能用于交流输入电流超前于交流输入电压的无功补偿和无源功率因数校正拓扑一般只对特定工况可实现较高功率因数的问题。
Description
技术领域
本发明涉及功率因数校正装置技术领域，具体为一种无源功率因数校正方法。
背景技术
随着电力电子技术的迅猛发展，电力电子装置已经广泛应用到电力、航空、化工、新能源以及自动化等各个领域中，整流装置是各类电力电子装置应用在电网能量变换中最主要的装置，不控整流装置因其结构简单目前仍大量应用于各类电力电子装置中，不控整流装置对输入进行整流滤波时，仅当输入交流电压处于峰值区域才有输入电流，从而导致输入电流含有较大的谐波分量，这些谐波分量会对电网造成干扰，甚至引起严重的故障和事故，对航空微电网而言，若不处理好谐波，会影响其它装置的正常工作，另外，整流装置在较多负载情况下存在功率因数低、电能损耗大、直流电压波动大等问题，也极大地制约了该类电力电子装置的应用，提高功率因数能提高发电设备和变电设备发送的有功功率，减少无功功率，是解决能源紧缺和电力供应紧张问题的重要措施之一，提高功率因数还可减小线路电流波形畸变，抑制对电网造成的污染，保护对谐波比较敏感的各种电气与电子设备，提高功率因数，可以缓解电力供应紧张，减少对电网的污染，保证电力系统的安全运行，延长航空微网等的供电时间，具有显著的社会效益和经济效益，因此，功率因数校正PFC方法越来越备受国内外相关领域专家和学者的关注；
PFC技术的分类有很多种，按无源功率因数校正技术和有源功率因数校正APFC技术进行分类，无源功率因数校正电路主要是利用无源分立元件组成，成本低、对特定工况可实现较高功率因数，而航空微电网通常对EMI的要求较高并且在电源网络中大量应用了多脉波不控整流电源。
现有的航空微电网在电源网络中大量应用了多脉波不控整流电源，多脉波不控整流电源的负载类型多、变化范围广，传统的无源功率因数校正电路难以满足指标的要求，因此研究一种新型功率因数校正网络以适应航空微电网对多脉波不控整流电源的要求紧迫而重要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种无源功率因数校正方法，解决了上述背景技术中提出现有的航空微电网在电源网络中大量应用了多脉波不控整流电源，多脉波不控整流电源的负载类型多、变化范围广，传统的无源功率因数校正电路难以满足指标的要求，因此研究一种新型功率因数校正网络以适应航空微电网对多脉波不控整流电源的要求紧迫而重要的问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种无源功率因数校正方法，包括下述操作：
S1、PFC原理电路：
Ui为输入交流电压，Rs为交流电压源的内阻，电感L2起平滑交流电流的作用，电容C1用于滤除高次谐波，电容器C2用于调整交流电压的相位，ZL为负载；
S2、PFC电路阻抗计算及仿真分析：
首先获取PFC电路阻抗计算公式，并取两组数据进行计算，第一组CCL滤波器参数具体取值如下：C1＝1.5μF，C2＝200μF，L2＝200μH；第二组CCL滤波器参数具体取值如下：C1＝5μF，C2＝100μF，L2＝200μH，其中第一组参数1kHz以上阻抗较小，第二组参数则在200Hz以上阻抗较小，同时进行仿真分析；
S3、PFC理论分析及设计：
当负载为纯电阻时的情况，以S2步骤中第一组CCL滤波器参数具体取值为参数加入到传递函数的表达式中进行换算，第一组CCL交流滤波及校正电路参数具体取值如下：
C1＝1.5μF，C2＝200μF，L2＝200μH；
S4、当负载为电阻与电容串联时的情况：
建立系统的传递函数，然后绘制伯德图并分析系统的校正效果，滤波电路的阻抗为：
当负载为电阻与电容串联时，CL与RL串联后可以用式(5)的形式表示，即
忽略Rs，将式(5)带入式(4)可以得到：
根据(6)式，写出传递函数形式：
PFC电路滤波及校正电路参数具体取值如下：
C1＝1.5μF，C2＝200μF，L2＝200μH；
其中，先选取轻载工况时的负载ZL＝228Ω，负载容性部分取CL＝0.1μF，此时绘制CCL交流滤波及功率因数校正电路的伯德图，
再考察满载工况时的情况，此时ZL＝6.4Ω，负载容性部分仍取CL＝0.1μF，从而获得相应的伯德图；
S5、不加校正电路时的情况：
不加校正时候系统的传递函数为：
分两种情况绘制式(8)所示传递函数的伯德图；
S6、PFC参数计算步骤：
PFC参数的计算步骤如下：
(1)根据系统负载从轻载到满载的变化范围，确定负载中RL阻值的范围；
(2)根据负载特性初步估计S4步骤中的CL；
(3)根据RL和CL初步确定C1、C2和L2的初值；
(4)分别取RL轻载、中载和满载时候的阻值，进行以下寻优计算：固定C1后，C2和L2按设定步长进行双循环步进，步进过程中，计算式(7)所示传递函数在基频处的相位，满足设定相位要求，输出相应RL值对应的三组C1、C2和L2值；
(5)以三组C1、C2和L2值为依据，折中选取C1、C2和L2值，计算式(7)所示传递函数在基频处的相位，以满足轻载、中载和满载三种情况下功率因数要求为原则；
S7、交流侧功率因数校正器仿真：
先进行线性负载情况下的仿真，为了模拟实际工况，直流负载采用开关负载的形式；为了清晰了解非线性负载的影响，首先进行线性负载状态下各种情况的仿真，从而获得仿真结果；
S8、航空电源加PFC状态下仿真；
考虑到两个因素：(1)CCL功率因数校正装置在满载时功率因数为0.95，要低于其他工况，(2)不改动航空电源产品内部状态，进一步在航空电源产品状态基础上再加CCL功率因数校正装置的情况下进行了仿真研究；
S9、带脉冲负载：
由于多元化的用电设备，会导致航空电源的负载呈现较复杂的非线性特性，所以用严酷的脉冲负载来模拟实际情况，电源匹配网络产品不加PFC状态下仿真：
(1)直流负载电流为1.5A时仿真；
(2)直流负载电流为4A时仿真；
(3)直流负载电流为43A时仿真；
航空电源加PFC状态下仿真：
(1)直流负载电流为1.5A时仿真；
(2)直流负载电流为4A时仿真；
(3)直流负载电流为43A时仿真。
可选的，所述步骤S2中，L2、C2和ZL串联再与C1并联后的阻抗可用式(1)表示：
则整个系统的负载阻抗可写成式(2)的形式：
可选的，所述步骤S2中，分三种情况进行分析如下：
(1)低频段C1和C2阻抗较大，接近于断开，谐波和干扰被阻断；(2)基频段总阻抗适中，基波频率损耗比较小；(3)高频段C1和C2阻抗较小，接近于短路，谐波和干扰通过C1旁路，同时L2阻抗较大，接近于断开，负载和电网侧之间的谐波和干扰通路被阻断。
可选的，所述S1步骤中，PFC原理电路即PFC电路的原理，而PFC电路兼具交流滤波和功率因数校正的作用。
可选的，所述S5步骤中，两种情况如下：
第一种情况：当ZL＝228Ω，负载容性部分仍取CL＝0.1μF，并绘制相应的伯德图；
第二种情况：当ZL＝6.4Ω，负载容性部分仍取CL＝0.1μF，并绘制相应的伯德图。
可选的，所述S3步骤中，传递函数的表达式如下：
可选的，所述S4步骤中，传递函数形式如下：
可选的，所述S7步骤中，仿真均在航空电源产品不加PFC的状态下进行。
可选的，所述S9步骤中，直流负载电流为1.5A时，脉冲负载频率设置为10Hz和200Hz，功率因数为0.996和0.969，直流负载电流为4A时，功率因数为0.95和0.998，直流负载电流为43A时，功率因数为0.95和0.992；
可选的，所述无源功率因数校正方法应用于航天、航空微电网领域。
本发明提供了一种无源功率因数校正方法，具备以下有益效果：
该新型无源功率因数校正装置，通过详细推导了系统传递函数，深入剖析了新型校正网络的超前与滞后特性，提出了一种行之有效的PFC校正网络参数确定及寻优方法，校正后的功率因数在不同负载特性和不同负载大小的情况下接近于1，同时解决并联电容器补偿不能用于交流输入电流超前于交流输入电压的无功补偿和无源功率因数校正拓扑一般只对特定工况可实现较高功率因数的问题。
附图说明
图1为本发明PFC交流滤波电路示意图；
图2为本发明第一组参数下CCL滤波器阻抗特性曲线示意图；
图3为本发明第二组参数下CCL滤波器阻抗特性曲线示意图；
图4为本发明轻载工况时滤波及校正电路伯德图示意图；
图5为本发明满载工况时滤波及校正电路伯德图示意图；
图6为本发明滤波及功率因数校正电路示意图；
图7为本发明轻载工况时PFC滤波及校正电路伯德图示意图；
图8为本发明满载工况时CCL交流滤波及功率因数校正电路伯德图示意图；
图9为本发明不加校正电路时系统伯德图示意图；
图10为本发明不加校正电路时系统伯德图示意图；
图11为本发明直流负载电流约为1.5A时的A相电压电流波形图示意图；
图12为本发明直流负载电流约为4A时A相电压电流波形图示意图；
图13为本发明直流负载电流约为43A时A相电压电流波形图示意图；
图14为本发明当航空电源产品参数+CCL功率因数校正状态下，直流负载电流约为1.5A时A相电压电流波形图示意图；
图15为本发明航空电源产品参数+CCL功率因数校正状态下直流负载电流约为4A时A相电压电流波形图示意图；
图16为本发明航空电源产品参数+CCL功率因数校正状态下直流负载电流约为43A时A相电压电流波形图示意图；
图17为本发明当航空电源产品参数状态下，直流负载电流约为1.5A，脉冲负载频率设置为10Hz时的A相电压电流波形图示意图；
图18为本发明当航空电源产品参数状态下，直流负载电流约为1.5A，脉冲负载频率设置为200Hz时的A相电压电流波形图示意图；
图19为本发明当航空电源产品参数状态下，直流负载电流约为4A，脉冲负载频率设置为10Hz时的A相电压电流波形图示意图；
图20为本发明当航空电源产品参数状态下，直流负载电流约为4A，脉冲负载频率设置为200Hz时的A相电压电流波形图示意图；
图21为本发明当航空电源产品参数状态下，直流负载电流约为43A，脉冲负载频率设置为10Hz时的A相电压电流波形图示意图；
图22为本发明当航空电源产品参数状态下，直流负载电流约为43A，脉冲负载频率设置为200Hz时的A相电压电流波形图示意图；
图23为本发明当航空电源在产品参数+CCL功率因数校正状态下，直流负载电流约为1.5A，脉冲负载频率设置为10Hz时的A相电压电流波形图示意图；
图24为本发明当航空电源在产品参数+CCL功率因数校正状态下，直流负载电流约为1.5A，脉冲负载频率设置为200Hz时的A相电压电流波形图示意图；
图25为本发明当航空电源在产品参数+CCL功率因数校正状态下，直流负载电流约为4A，脉冲负载频率设置为10Hz时的A相电压电流波形图示意图；
图26为本发明当航空电源在产品参数+CCL功率因数校正状态下，直流负载电流约为4A，脉冲负载频率设置为200Hz时的A相电压电流波形图示意图；
图27为本发明当航空电源在产品参数+CCL功率因数校正状态下，直流负载电流约为43A，脉冲负载频率设置为10HzA时的相电压电流波形图示意图；
图28为本发明当航空电源在产品参数+CCL功率因数校正状态下，直流负载电流约为43A时脉冲负载频率设置为200Hz时A相电压电流波形图示意图；
图29为本发明操作步骤示意图。
具体实施方式
请参阅图1至图29，本发明提供一种技术方案：一种无源功率因数校正方法，包括下述操作步骤：
S1、PFC原理电路：
PFC原理电路如图1所示，图中Ui为输入交流电压，Rs为交流电压源的内阻，电感L2主要起平滑交流电流的作用，电容C1用于滤除高次谐波，电容器C2用于调整交流电压的相位，ZL为负载，PFC电路兼具交流滤波和功率因数校正的作用；
S2、PFC电路阻抗计算及仿真分析：
PFC电路阻抗计算如下：
L2、C2和ZL串联再与C1并联后的阻抗可用式(1)表示：
则整个系统的负载阻抗可写成式(2)的形式：
仿真分析操作如下：
第一组CCL滤波器参数具体取值如下：C1＝1.5μF，C2＝200μF，L2＝200μH，其阻抗特性如图2所示；
第二组CCL滤波器参数具体取值如下：C1＝5μF，C2＝100μF，L2＝200μH，其阻抗特性如图3所示；
从图2和图3可以看出，两组参数特性有较大区别，第一组参数1kHz以上阻抗较小，第二组参数则在200Hz以上阻抗较小，结合图1，分三种情况进行分析：(1)低频段C1和C2阻抗较大，接近于断开，谐波和干扰被阻断；(2)基频段总阻抗适中，基波频率损耗比较小；(3)高频段C1和C2阻抗较小，接近于短路，谐波和干扰通过C1旁路，同时L2阻抗较大，接近于断开，负载和电网侧之间的谐波和干扰通路被阻断，从以上分析可以看出，低频段和高频段谐波和干扰均被有效抑制，根据航空电源的基波频率400Hz，考察基波频率处的损耗，选取第一组参数，使基波能够基本无损耗；
S3、PFC理论分析及设计：
因为串联电阻Rs不影响电压和电流直接的相位关系，所以考察电压和电流相位关系式可以忽略电源的内阻；
当负载为纯电阻时的情况：
由式(2)可以得到传递函数的表达式为：
式(3)中参数的选取S2步骤中第一组CCL滤波器参数具体取值，
第一组CCL交流滤波及校正电路参数具体取值如下：
C1＝1.5μF，C2＝200μF，L2＝200μH；
因功率因数在轻载的时候超标较严重，故先选取轻载工况时的负载ZL＝228Ω，此时CCL交流滤波及功率因数校正电路的伯德图如图4所示，再考察满载工况时的情况，此时ZL＝6.4Ω，相应的伯德图如图5所示；
S4、当负载为电阻与电容串联时的情况：
因为在直流侧为了减小纹波，通常会加滤波电容，这样会使负载呈偏容性的特性，为了考察在负载偏容性时，交流滤波及功率因数校正电路的效果，下面首先建立系统的传递函数，然后绘制伯德图并分析系统的校正效果，滤波电路的阻抗为：
在后面的描述中我们将忽略Rs；
当负载为电阻与电容串联时，滤波及校正电路如图6所示，CL与RL串联后可以用式(5)的形式表示，即
将式(5)带入式(4)可以得到：
根据(6)式，写出传递函数形式，即
PFC电路滤波及校正电路参数具体取值如下：
C1＝1.5μF，C2＝200μF，L2＝200μH
先选取轻载工况时的负载ZL＝228Ω，负载容性部分取CL＝0.1μF，此时CCL交流滤波及功率因数校正电路的伯德图如图7所示，
再考察满载工况时的情况，此时ZL＝6.4Ω，负载容性部分仍取CL＝0.1μF，相应的伯德图如图8所示；
S5、不加校正电路时的情况：
不加校正时候系统的传递函数为：
下面分两种情况绘制式(8)所示传递函数的伯德图：
当ZL＝228Ω，负载容性部分仍取CL＝0.1μF，相应的伯德图如图9所示，当ZL＝6.4Ω，负载容性部分仍取CL＝0.1μF，相应的伯德图如图10所示；
从图9和图10可以看出，不加校正电路时，在1kHz以下偏容性系统的电压滞后电流接近90°，所以不加校正将造成功率因数的超标，对比图7和图9可以看出，在轻载时加了校正电路以后，在10Hz~1kHz的范围内，电压Ui的相位已由原来滞后电流约90°校正到接近电流I的相位，即功率因数接近于1，校正效果极好，对比图8和图10可以看出，在满载时加了校正电路以后，在400Hz～20kHz的范围内，电压Ui的相位已经接近电流I的相位，即功率因数接近于1，校正效果良好；
S6、PFC参数计算步骤：
PFC参数的计算步骤如下：
(1)根据系统负载从轻载到满载的变化范围，确定负载中RL阻值的范围；
(2)根据负载特性初步估计S4步骤中的CL；
(3)根据RL和CL初步确定C1、C2和L2的初值；
(4)分别取RL轻载、中载和满载时候的阻值，进行以下寻优计算：固定C1后，C2和L2按设定步长进行双循环步进，步进过程中，计算式(7)所示传递函数在基频处的相位，满足设定相位要求，输出相应RL值对应的三组C1、C2和L2值；
(5)以三组C1、C2和L2值为依据，折中选取C1、C2和L2值，计算式(7)所示传递函数在基频处的相位，以满足轻载、中载和满载三种情况下功率因数要求为原则；
S7、交流侧功率因数校正器仿真：
先进行线性负载情况下的仿真，但线性负载仅是一种特殊情况，实际工况下负载的特性会呈现较复杂的非线性特性，为了模拟实际工况，直流负载采用开关负载的形式，直流负载电流分别约为1.5A、4A和43A时，负载开关频率分别为10Hz和200Hz，这里的负载电流是从0A～1.5A、0A～4A、0A～43A突变，所以负载的非线性特性比较严重；
为了清晰了解非线性负载的影响，首先进行线性负载状态下各种情况的仿真，仿真均在航空电源产品不加PFC的状态下进行，当直流负载电流约为1.5A时，A相电压和电流波形如图11所示，此工况下功率因数为0.882(滞后)，直流负载电流约为4A时，A相电压和电流波形如图12所示，此工况下功率因数为0.968，直流负载电流约为43A时，A相电压和电流波形如图13所示，此工况下功率因数为0.999；
由于轻载时负载电阻较大，满载时负载电阻较小，换一句话说就是从轻载到满载变化时，闭环系统的传递函数是不断变化的，所以系统的特性是不一样的，会随着负载的变化而变化，从图11～13也可以清楚地看出这种变化，虽然经过航空电源产品参数状态下的滤波和校正，在轻载时功率因数仅为0.882，而在满载时功率因数达到0.999，由仿真结果还可以看出，当航空电源的负载为线性负载时，航空电源的功率因数是满足指标要求的；
S8、航空电源加PFC状态下仿真；
考虑到两个因素：(1)CCL功率因数校正装置在满载时功率因数为0.95，和其他工况相比略低，(2)尽量不改动航空电源产品内部状态，进一步在航空电源产品状态基础上再加CCL功率因数校正装置的情况下进行了仿真研究；
当航空电源产品参数+CCL功率因数校正状态下，直流负载电流约为1.5A时，A相电压和电流波形如图14所示，此工况下功率因数为0.979(滞后)，航空电源产品参数+CCL功率因数校正状态下直流负载电流约为4A时，A相电压和电流波形如图15所示，此工况下功率因数为0.999，航空电源产品参数+CCL功率因数校正状态下直流负载电流约为43A时，A相电压和电流波形如图16所示，此工况下功率因数为0.953；
从图11～16可以看出，带线性负载时，航空电源产品参数+CCL功率因数校正状态下的校正效果在轻载时校正效果明显；
S9、带脉冲负载：
实际工况完全是线性负载的情况相对较少，由于多元化的用电设备，会导致航空电源的负载呈现较复杂的非线性特性，所以用严酷的脉冲负载来模拟实际情况，一般而言，这里的模拟比实际情况更严重一些；
电源匹配网络产品不加PFC状态下仿真：
(1)直流负载电流约为1.5A时仿真
当航空电源产品参数状态下，直流负载电流约为1.5A时，脉冲负载频率设置为10Hz，A相电压和电流波形如图17所示，此工况下功率因数为0.695，当航空电源产品参数状态下，直流负载电流约为1.5A时，脉冲负载频率设置为200Hz，A相电压和电流波形如图18所示，此工况下功率因数为0.691；
(2)直流负载电流约为4A时仿真
当航空电源产品参数状态下，直流负载电流约为4A时，脉冲负载频率设置为10Hz，A相电压和电流波形如图19所示，此工况下功率因数为0.694，当航空电源产品参数状态下，直流负载电流约为4A时，脉冲负载频率设置为200Hz，A相电压和电流波形如图20所示，此工况下功率因数为0.675；
(3)直流负载电流约为43A时仿真
当航空电源产品参数状态下，直流负载电流约为43A时，脉冲负载频率设置为10Hz，A相电压和电流波形如图21所示，此工况下功率因数为0.667，当航空电源产品参数状态下，直流负载电流约为43A时，脉冲负载频率设置为200Hz，A相电压和电流波形如图22所示，此工况下功率因数为0.679；
脉冲直流负载电流约为1.5A时，脉冲负载频率设置为10Hz和200Hz，功率因数为0.695和0.691，直流负载电流约为4A时，功率因数为0.694和0.695，直流负载电流约为43A时，功率因数为0.667和0.679，从图17～图22可以看出，航空电源产品参数状态下电流波形失真较为严重，功率因数较线性负载状态下有较大幅度的降低；
航空电源加PFC状态下仿真：
(1)直流负载电流约为1.5A时仿真：
当航空电源在产品参数+CCL功率因数校正状态下，直流负载电流约为1.5A时，脉冲负载频率设置为10Hz，A相电压和电流波形如图23所示，此工况下功率因数为0.996，当航空电源在产品参数+CCL功率因数校正状态下，直流负载电流约为1.5A时，脉冲负载频率设置为200Hz，A相电压和电流波形如图24所示，此工况下功率因数为0.969；
(2)直流负载电流约为4A时仿真：
当航空电源在产品参数+CCL功率因数校正状态下，直流负载电流约为4A时，脉冲负载频率设置为10Hz，A相电压和电流波形如图25所示，此工况下功率因数为0.95，当航空电源在产品参数+CCL功率因数校正状态下，直流负载电流约为4A时，脉冲负载频率设置为200Hz，A相电压和电流波形如图26所示，此工况下功率因数为0.998；
(3)直流负载电流约为43A时仿真
当航空电源在产品参数+CCL功率因数校正状态下，直流负载电流约为43A时，脉冲负载频率设置为10Hz，A相电压和电流波形如图27所示，此工况下功率因数为0.95，当航空电源在产品参数+CCL功率因数校正状态下，直流负载电流约为43A时，脉冲负载频率设置为200Hz，A相电压和电流波形如图28所示，此工况下功率因数为0.992；
脉冲直流负载电流约为1.5A时，脉冲负载频率设置为10Hz和200Hz，功率因数为0.996和0.969，直流负载电流约为4A时，功率因数为0.95和0.998，直流负载电流约为43A时，功率因数为0.95和0.992，从图23～图28可以看出，航空电源产品参数状态下电流波形呈现的失真在航空电源在产品参数+CCL功率因数校正状态下有很大幅度的改善，功率因数与线性负载状态下相当，满足指标的要求。
综上，该无源功率因数校正方法，使用时，包括下述操作步骤：
S1、PFC原理电路：Ui为输入交流电压，Rs为交流电压源的内阻，电感L2主要起平滑交流电流的作用，电容C1用于滤除高次谐波，电容器C2用于调整交流电压的相位，ZL为负载；
S2、PFC电路阻抗计算及仿真分析：首先获取PFC电路阻抗计算公式，并取两组数据进行计算，第一组CCL滤波器参数具体取值如下：C1＝1.5μF，C2＝200μF，L2＝200μH；第二组CCL滤波器参数具体取值如下：C1＝5μF，C2＝100μF，L2＝200μH，其中第一组参数1kHz以上阻抗较小，第二组参数则在200Hz以上阻抗较小，同时进行仿真分析；
S3、PFC理论分析及设计：当负载为纯电阻时的情况，以S2步骤中第一组CCL滤波器参数具体取值为参数加入到传递函数的表达式中进行换算，第一组CCL交流滤波及校正电路参数具体取值如下：
C1＝1.5μF，C2＝200μF，L2＝200μH；
S4、当负载为电阻与电容串联时的情况：建立系统的传递函数，然后绘制伯德图并分析系统的校正效果，滤波电路的阻抗为：
当负载为电阻与电容串联时，CL与RL串联后可以用式(5)的形式表示，即
忽略Rs，将式(5)带入式(4)可以得到：
根据(6)式，写出传递函数形式：
PFC电路滤波及校正电路参数具体取值如下：
C1＝1.5μF，C2＝200μF，L2＝200μH；
其中，先选取轻载工况时的负载ZL＝228Ω，负载容性部分取CL＝0.1μF，此时绘制CCL交流滤波及功率因数校正电路的伯德图，
再考察满载工况时的情况，此时ZL＝6.4Ω，负载容性部分仍取CL＝0.1μF，从而获得相应的伯德图；
S5、不加校正电路时的情况：不加校正时候系统的传递函数为：
分两种情况绘制式(8)所示传递函数的伯德图；
S6、PFC参数计算步骤：PFC参数的计算步骤如下：
(1)根据系统负载从轻载到满载的变化范围，确定负载中RL阻值的范围；
(2)根据负载特性初步估计S4步骤中的CL；
(3)根据RL和CL初步确定C1、C2和L2的初值；
(4)分别取RL轻载、中载和满载时候的阻值，进行以下寻优计算：固定C1后，C2和L2按设定步长进行双循环步进，步进过程中，计算式(7)所示传递函数在基频处的相位，满足设定相位要求，输出相应RL值对应的三组C1、C2和L2值；
(5)以三组C1、C2和L2值为依据，折中选取C1、C2和L2值，计算式(7)所示传递函数在基频处的相位，以满足轻载、中载和满载三种情况下功率因数要求为原则；
S7、交流侧功率因数校正器仿真：先进行线性负载情况下的仿真，为了模拟实际工况，直流负载采用开关负载的形式；为了清晰了解非线性负载的影响，首先进行线性负载状态下各种情况的仿真，从而获得仿真结果；
S8、航空电源加PFC状态下仿真；考虑到两个因素：(1)CCL功率因数校正装置在满载时功率因数为0.95，要低于其他工况，(2)不改动航空电源产品内部状态，进一步在航空电源产品状态基础上再加CCL功率因数校正装置的情况下进行了仿真研究；
S9、带脉冲负载：由于多元化的用电设备，会导致航空电源的负载呈现较复杂的非线性特性，所以用严酷的脉冲负载来模拟实际情况，电源匹配网络产品不加PFC状态下仿真：
(1)直流负载电流为1.5A时仿真；
(2)直流负载电流为4A时仿真；
(3)直流负载电流为43A时仿真；
航空电源加PFC状态下仿真：
(1)直流负载电流为1.5A时仿真；
(2)直流负载电流为4A时仿真；
(3)直流负载电流为43A时仿真；
该一种无源功率因数校正方法，通过详细推导了系统传递函数，深入剖析了新型校正网络的超前与滞后特性，提出了一种行之有效的PFC校正网络参数确定及寻优方法，校正后的功率因数在不同负载特性和不同负载大小的情况下接近于1，同时解决并联电容器补偿不能用于交流输入电流超前于交流输入电压的无功补偿和无源功率因数校正拓扑一般只对特定工况可实现较高功率因数的问题。
Claims (9)
1.一种无源功率因数校正方法，其特征在于：包括下述操作：
S1、PFC原理电路：
Ui为输入交流电压，Rs为交流电压源的内阻，电感L2起平滑交流电流的作用，电容C1用于滤除高次谐波，电容器C2用于调整交流电压的相位，ZL为负载；
S2、PFC电路阻抗计算及仿真分析：
首先获取PFC电路阻抗计算公式，并取两组数据进行计算，第一组CCL滤波器参数具体取值如下：C1＝1.5μF，C2＝200μF，L2＝200μH；第二组CCL滤波器参数具体取值如下：C1＝5μF，C2＝100μF，L2＝200μH，其中第一组参数1kHz以上阻抗较小，第二组参数则在200Hz以上阻抗较小，同时进行仿真分析；
S3、PFC理论分析及设计：
当负载为纯电阻时的情况，以S2步骤中第一组CCL滤波器参数具体取值为参数加入到传递函数的表达式中进行换算，第一组CCL交流滤波及校正电路参数具体取值如下：
C1＝1.5μF，C2＝200μF，L2＝200μH；
S4、当负载为电阻与电容串联时的情况：
建立系统的传递函数，然后绘制伯德图并分析系统的校正效果，滤波电路的阻抗为：
当负载为电阻与电容串联时，CL与RL串联后可以用式(5)的形式表示，
即
忽略Rs，将式(5)带入式(4)可以得到：
根据(6)式，写出传递函数形式：
PFC电路滤波及校正电路参数具体取值如下：
C1＝1.5μF，C2＝200μF，L2＝200μH；
其中，先选取轻载工况时的负载ZL＝228Ω，负载容性部分取CL＝0.1μF，此时绘制CCL交流滤波及功率因数校正电路的伯德图，
再考察满载工况时的情况，此时ZL＝6.4Ω，负载容性部分仍取CL＝0.1μF，从而获得相应的伯德图；
S5、不加校正电路时的情况：
不加校正时候系统的传递函数为：
绘制式(8)所示传递函数的伯德图；
S6、PFC参数计算步骤：
PFC参数的计算步骤如下：
(1)根据系统负载从轻载到满载的变化范围，确定负载中RL阻值的范围；
(2)根据负载特性初步估计S4步骤中的CL；
(3)根据RL和CL初步确定C1、C2和L2的初值；
(4)分别取RL轻载、中载和满载时候的阻值，进行以下寻优计算：固定C1后，C2和L2按设定步长进行双循环步进，步进过程中，计算式(7)所示传递函数在基频处的相位，满足设定相位要求，输出相应RL值对应的三组C1、C2和L2值；
(5)以三组C1、C2和L2值为依据，折中选取C1、C2和L2值，计算式(7)所示传递函数在基频处的相位，以满足轻载、中载和满载三种情况下功率因数要求为原则；
S7、交流侧功率因数校正器仿真：
先进行线性负载情况下的仿真，为了模拟实际工况，直流负载采用开关负载的形式；为了清晰了解非线性负载的影响，首先进行线性负载状态下各种情况的仿真，从而获得仿真结果；
S8、航空电源加PFC状态下仿真；
考虑到两个因素：(1)CCL功率因数校正装置在满载时功率因数为0.95，要低于其他工况，(2)不改动航空电源产品内部状态，进一步在航空电源产品状态基础上再加CCL功率因数校正装置的情况下进行了仿真研究；
S9、带脉冲负载：
由于多元化的用电设备，会导致航空电源的负载呈现较复杂的非线性特性，所以用严酷的脉冲负载来模拟实际情况，电源匹配网络产品不加PFC状态下仿真：
(1)直流负载电流为1。5A时仿真；
(2)直流负载电流为4A时仿真；
(3)直流负载电流为43A时仿真；
航空电源加PFC状态下仿真：
(1)直流负载电流为1.5A时仿真；
(2)直流负载电流为4A时仿真；
(3)直流负载电流为43A时仿真。
2.根据权利要求1所述的一种无源功率因数校正方法，其特征在于：所述步骤S2中，L2、C2和ZL串联再与C1并联后的阻抗可用式(1)表示：
则整个系统的负载阻抗可写成式(2)的形式：
3.根据权利要求1所述的一种无源功率因数校正方法，其特征在于：所述步骤S2中，分三种情况进行分析如下：
(1)低频段C1和C2阻抗较大，接近于断开，谐波和干扰被阻断；(2)基频段总阻抗适中，基波频率损耗比较小；(3)高频段C1和C2阻抗较小，接近于短路，谐波和干扰通过C1旁路，同时L2阻抗较大，接近于断开，负载和电网侧之间的谐波和干扰通路被阻断。
4.根据权利要求1所述的一种无源功率因数校正方法，其特征在于：所述S1步骤中，PFC原理电路即PFC电路的原理，而PFC电路兼具交流滤波和功率因数校正的作用。
5.根据权利要求1所述的一种无源功率因数校正方法，其特征在于：所述S5步骤中，两种情况如下：
第一种情况：当ZL＝228Ω，负载容性部分仍取CL＝0.1μF，并绘制相应的伯德图；
第二种情况：当ZL＝6.4Ω，负载容性部分仍取CL＝0.1μF，并绘制相应的伯德图。
6.根据权利要求1所述的一种无源功率因数校正方法，其特征在于：所述S3步骤中，传递函数的表达式如下：
7.根据权利要求1所述的一种无源功率因数校正方法，其特征在于：所述S7步骤中，仿真均在航空电源产品不加PFC的状态下进行。
8.根据权利要求1所述的一种无源功率因数校正方法，其特征在于：所述S9步骤中，直流负载电流为1.5A时，脉冲负载频率设置为10Hz和200Hz，功率因数为0.996和0.969，直流负载电流为4A时，功率因数为0.95和0.998，直流负载电流为43A时，功率因数为0.95和0.992。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种无源功率因数校正方法，其特征在于：所述无源功率因数校正方法应用于航天、航空微电网领域。
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