1. 研究目的与意义（文献综述）

近20多年来，随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通、家庭等众多领域中的应用日益广泛，由此带来谐波和无功的问题也日益严重，并引发了越来越多的关注。许多的电力电子装置会消耗无功功率，这会对公共电网产生不利的影响如:（1）无功会导致电流的增大和视在功率的增大从而使设备的容量增大（2）无功的增加会使总的电流增加，从而使设备和线路的损耗增加（3）其还会使线路的压降增加，冲击性无功负载还会使电压剧烈的运动。电力电子装置还会产生谐波，对公共电网的危害包括:（1）会使电网中的元件产生附加的元件损耗，降低了发电、输电及用电的效率。（2）谐波会影响各种电气设备的正常工作（3）谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大甚至引起严重的事故（4）谐波会引起继电保护和自动装置的误动作（5）谐波会对临近的通信系统产生干扰。

在供电用电系统中，通常是希望交流电压和交流电流呈正弦波，而对电流脉冲的幅值进行抑制使电流波形接近正弦波的这一技术称之为功率因数校正技术。具体的方法不同可分为无源功率因数校正与有源功率因数校正两种。

传统的功率因数的概念是基于线性负载的条件的，它要求交流设备中的电压与电流为相同频率的正弦波。而对于电流波形严重失真的情况下，传统的pfc不再适用和有效。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容:学习理解高功率因数整流器的基本原理与结构，对电压型的PWM整流器做重点的分析，采用闭环控制，研究PWM整流器的拓扑结构，PWM整流器的电流控制策略，PFC 校正器的控制等并对PWM整流器进行建模仿真研究。

1、高功率因数整流器的定义以及电压型PWM整流器的工作原理和拓扑结构

随着以IGBT为代表的全控型器件不断进步，在逆变电路中PWM控制技术已相当成熟。目前SPWM控制技术已在交流调速用变频器中和不间断电源中广泛应用。把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路，就形成了PWM整流电路。通过对PWM整流电路的适当控制，可以使其输入电流非常接近正弦波，且和输入电压同相位，功率因数近似为1。这种整流电路也可以成为单位功率因数变流器，或高功率因数整流器。

PWM整流电路也分为电压型和电流型两大类。目前研究和应用较多的是电压型整流电路，而PWM整流电路可有单相和三相。

单相PWM 整流电路可分为单相半桥PWM 电路以及单相全桥PWM电路

对于单相半桥电路而言，直流侧电容必须由两个电容串联，其中点有交流电源相连接。

图1 单相全桥电路

对于全桥电路来说直流侧的电容只要一个就可以了。

图1为单相全桥电路，并由此来解释分析：按照正弦信号波和三角波相比较的方法对图1中的V₁~V₄进行SPWM控制，就可以在桥的交流输入端AB产生一个SPWM波u_AB而u_AB中含有和正弦信号波同频率且幅值成比例的基波分量，以及和三角波载波有关的频率很高的谐波，而不含有低次谐波。由于L_s的滤波作用，i_s脉动很小，可以忽略，所以当正弦信号波的频率和电源频率相同时，i_s也为与电源频率相同的正弦波。在u_s一定的情况下，i_s的幅值和相位仅由u_AB中基波分量u_ABf的幅值及其与u_s的相位差来决定，改变u_ABf的幅值和相位，就可以使i_s和u_s同相位、反相位，i_s比u_s超前90°,或使i_s与u_s的相位差为所需要的角度。

所以综上我们可以由此可知：

当u_sgt;0时，由V₂、VD₄、VD₁、L_s和V₃、VD₁、VD₄、L_s分别组成了两个升压斩波电路。

以包含V₂的升压斩波电路为例，当V₂导通时，u_s通过V₂、VD₄向L_s储能，当V₂关断时，L_s中储存的能量通过VD₁、VD₄向直流侧电容C充电。

当u_slt;0时，由V₁、VD₃、VD₂、L_s和V₄、VD₂、VD₃、L_s分别组成了两个升压斩波电路，工作原理和u_sgt;0时类似。

电压型PWM整流电路是升压型整流电路，其输出直流电压可以从交流电源电压峰值附近向高调节，使用时要注意电力半导体器件的保护；同时也要注意，向低调节就会使电路性能恶化，以至不能工作。

图2 三相桥式PWM整流电路

图2为三相桥式PWM整流电路。是最基本的PWM整流电路之一，其应用也最为广泛。电路的工作原理也和前述的单相全桥电路相似，只是从单相扩展到三相。对电路进行SPWM控制，在桥的交流输入端A、B和C可得到SPWM电压，对各相电压按的上面单相桥式的相量图进行控制，就可以使各相电流i_a、i_b、i_c为正弦波且和电压相位相同，功率因数近似为1。

2、PWM整流器的电流控制策略

为了使PWM整流电路在工作时功率因数近似1，及要求输入电流为正弦波且电压同相位，可以有很多种控制方法。根据有无引入电流反馈可以将这些控制方法分为两种，没有引入交流电流反馈的称为间接电流控制，引入交流电流反馈的称为直接电流控制。

图3称为间接电流控制系统 结构图也称为相位和幅值控制，按照相量关系来控制整流桥交流输入端电压，使得输入电流和电压同相位，从而得到功率因数为1的控制效果。

控制系统的闭环是整流器直流侧电压控制环。

图3 间接电流控制系统

（1）控制原理:

和实际的直流电压u_d比较后送入PI调节器，PI调节器的输出为一直流电流信号i_d，i_d的大小和整流器交流输入电流幅值成正比。

稳态时，PI调节器输入为零，PI调节器的输出i_d和负载电流大小对应，也和交流输入电流幅值相对应。

负载电流增大时，C放电而使u_d下降，PI的输入端出现正偏差，使其输出i_d增大，进而使交流输入电流增大，也使u_d回升；达到新的稳态时，PI调节器输入仍恢复到零，而i_d则稳定为新的较大的值，与较大的负载电流和较大的交流输入电流对应。

负载电流减小时，调节过程和上述过程相反。

从整流运行变为逆变运行时 ：

负载电流反向而向直流侧电容C充电，使u_d抬高，PI调节器出现负偏差，其输出i_d减小后变为负值，使交流输入电流相位和电压相位反相，实现逆变运行。

达到稳态时，PI调节器输入恢复到零，其输出i_d为负值，并与逆变电流的大小相对应。

（2）控制系统中其余部分的工作原理 ：

图中上面的乘法器是i_d分别乘以和a、b、c三相相电压同相位的正弦信号，再乘以电阻R，得到各相电流在R_s上的压降u_Ra、u_Rb和u_Rc。

图中下面的乘法器是i_d分别乘以比a、b、c三相相电压相位超前p/2的余弦信号，再乘以电感L的感抗，得到各相电流在电感L_s上的压降u_La、u_Lb和u_Lc。

各相电源相电压u_a、u_b、u_c分别减去前面求得的输入电流在电阻R和电感L上的压降，就可得到所需要的交流输入端各相的相电压u_A、u_B和u_C的信号，用该信号对三角波载波进行调制，得到PWM开关信号去控制整流桥，就可以得到需要的控制效果。

（3）其中存在的问题有：

在信号运算过程中用到电路参数L_s和R_s，当L_s和R_s的运算值和实际值有误差时，会影响到控制效果。

是基于系统的静态模型设计的，其动态特性较差。 因此间接电流控制的系统应用较少。

直接电流控制 这种方法通过运算求出交流输入电流指令值，再引入交流电流反馈，通过

对交流电流的直接控制而使其跟踪指令电流值。对交流电流的直接控制而使其跟踪指令电流值。

图4的控制系统是一个双闭环控制系统，其外环是直流电压控制环，内环是交流电流控制环。

图4 直流电流双闭环控制系统

控制原理：

外环PI调节器的输出为i_d，i_d分别乘以和a、b、c三相相电压同相位的正弦信号，得到三相交流电流的正弦指令信号i*c，i*b，i*a，他们分别和各自的电源电压同相位，其幅值和反映负载电流大小的直流信号id成正比，这是整流器运行时所需的交流电流指令信号。指令信号和实际交流电流信号比较后，通过滞环对器件进行控制，便可使实际交流输入电流跟踪指令值。采用滞环电流比较的直接电流控制系统结构简单，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，因而获得了较多的应用。

3、PFC功率因数校正技术

功率因数校正PFC (Power Factor Correction)技术即对电流脉冲的幅度进行抑制，使电流波形尽量接近正弦波的技术，分成无源功率因数校正和有源功率因数校正两种。

无源功率因数校正技术通过在二极管整流电路中增加电感、电容等无源元件和二极管元件，对电路中的电流脉冲进行抑制，以降低电流谐波含量，提高功率因数。

有源功率因数校正技术采用全控开关器件构成的开关电路对输入电流的波形进行控制，使之成为与电源电压同相的正弦波。

4、建模以及仿真

利用matlab对本次设计来进行仿真

目标：（1）通过本次的设计来学习与理解高功率因数整流器的定义和基本原理与结构（2）对电压型PWM来着重进行分析：其中电压型PWM整流电路可分为单相的与三相的，单相的又分为单相半桥与单相全桥，分别对其的原理及结构来进行学习与理解，三相的电路也是如此（3）对PWM整流器的控制策略：可有可有间接电流控制与直接电流控制了解这两种的定义，控制原理，优缺点（4）理解与认识PFC功率因数校正技术。

拟采用的策略：（1）由于目前 研究与应用较多的是电压型PWM整流器而三相桥式PWM整流电路是最基本的的PWM整流电路之一，其应用也最为广泛，所以在本设计中拟采用电压型PWM三相桥式整流电路（2）在PWM整流器的电流控制策略方面由于采用滞环电流比较的直接电流控制系统结构简单，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，因而我们本次设计拟采用直接电流控制（3）本次的仿真与建模采用matlab进行

3. 研究计划与安排

第1-3周 进行系统性的调研，通过查阅资料与自我理解来完成开题报告并上传

第4-5周 进行系统总体方案的研究与设计，并开始着手写阶段性报告并上传

第6-8周 进行系统硬件的初期设计，写论文

4. 参考文献（12篇以上）