新型功率因數(shù)校正技術(shù)在通信開關(guān)電源中的應(yīng)用研究

鄭真福，張小綱，熊小豪

（69016部隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830092）

0 引 言

傳統(tǒng)的通信開關(guān)電源通常采用整流電路將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并通過電容濾波降低紋波電壓。然而，這種設(shè)計(jì)常常存在功率因數(shù)低和諧波污染等問題。功率因數(shù)是衡量電路對(duì)電網(wǎng)負(fù)載的有功功率和視在功率之比的參數(shù)，通常用于評(píng)估電路的能效。功率因數(shù)低意味著電路對(duì)電能的利用率較低，存在能源浪費(fèi)情況。通過引入先進(jìn)的功率因數(shù)校正技術(shù)，可提高通信開關(guān)電源的功率因數(shù)，減少能源浪費(fèi)，提高電網(wǎng)利用率[1]。

1 通信開關(guān)電源新型功率因數(shù)校正技術(shù)的原理

1.1 傳統(tǒng)功率因數(shù)校正技術(shù)的局限性

1.1.1 使用電容濾波的問題

傳統(tǒng)通信開關(guān)電源通常使用電容濾波降低紋波電壓，但電容濾波會(huì)引入較大的諧波電流，導(dǎo)致功率因數(shù)降低，出現(xiàn)諧波污染，對(duì)電網(wǎng)造成不良影響，并干擾其他設(shè)備的正常運(yùn)行。

1.1.2 線性負(fù)載和非線性負(fù)載之間的差異

傳統(tǒng)技術(shù)通常假設(shè)負(fù)載是線性的，即負(fù)載電流與電壓之間存在固定的相位差。實(shí)際應(yīng)用中，通信開關(guān)電源連接的負(fù)載往往是非線性的，如計(jì)算機(jī)和電視機(jī)等電子設(shè)備。傳統(tǒng)技術(shù)難以有效適應(yīng)非線性負(fù)載的特點(diǎn)，導(dǎo)致功率因數(shù)校正困難[2]。

1.1.3 傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)諧波抑制的效果較差

諧波電流會(huì)對(duì)電網(wǎng)和其他設(shè)備造成干擾，而傳統(tǒng)技術(shù)難以有效抑制諧波的生成和傳播，無法滿足電網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的要求。

1.2 新型技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式

針對(duì)傳統(tǒng)功率因數(shù)校正技術(shù)存在的局限性，提出一種新型功率因數(shù)校正技術(shù)。一是采用無電容濾波的設(shè)計(jì)，避免電容引入諧波電流，提高功率因數(shù)，并減少諧波污染。二是提升對(duì)非線性負(fù)載的適應(yīng)性。新型技術(shù)考慮通信開關(guān)電源連接的負(fù)載往往具有非線性特點(diǎn)，采用更加智能和靈活的控制策略，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)負(fù)載特性和動(dòng)態(tài)調(diào)整控制參數(shù)，使功率因數(shù)校正技術(shù)能夠適應(yīng)不同類型的負(fù)載，實(shí)現(xiàn)更好的功率因數(shù)校正效果。三是改進(jìn)諧波抑制技術(shù)。新型技術(shù)引入更高效的諧波抑制方法，如使用諧波濾波器和多級(jí)逆變器等[3]。

2 通信開關(guān)電源新型功率因數(shù)校正技術(shù)的性能影響因素

2.1 電源負(fù)載特性

電源負(fù)載特性通常用負(fù)載電流和負(fù)載電壓之間的相位差描述，用θ表示。傳統(tǒng)通信開關(guān)電源的負(fù)載通常是非線性的，相位差θ≠0°，功率因數(shù)較低，導(dǎo)致電源對(duì)電能的利用率低，增加了電網(wǎng)負(fù)擔(dān)，并引發(fā)諧波污染。新型功率因數(shù)校正技術(shù)的目標(biāo)之一是提高功率因數(shù)，降低相位差θ。通過控制電源輸出波形的相位和幅值，可提升功率因數(shù)校正效率。常見的方法是采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)，通過引入補(bǔ)償電流，使得負(fù)載電流與負(fù)載電壓之間的相位差趨近于0°，從而提高功率因數(shù)[4]。電源負(fù)載特性的影響因素如表1所示。表1中：PF為功率因數(shù)；P為有功功率；S為視在功率；THD為諧波失真率；THD1、THD2、…、THDn為各次諧波電流與基波電流之比的失真率；PC為功率因數(shù)校正率；PFc為校正后的功率因數(shù)；PFu為未校正的功率因數(shù)；HR為諧波抑制率；THDc為校正后的諧波失真率；THDu為未校正的諧波失真率。這些性能影響因素均可以通過實(shí)驗(yàn)和測(cè)量獲得。

表1 電源負(fù)載特性的影響因素

2.2 輸入電壓波動(dòng)

2.2.1 功率因數(shù)偏移

輸入電壓波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致通信開關(guān)電源的輸入功率和輸入視在功率發(fā)生變化，從而引起功率因數(shù)的偏移。輸入電壓波動(dòng)越大，功率因數(shù)偏移越明顯。

2.2.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性

輸入電壓波動(dòng)也會(huì)影響通信開關(guān)電源的穩(wěn)定性。過大的輸入電壓波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電源輸出的波形不穩(wěn)定，出現(xiàn)額外的諧波或電壓失真，從而降低功率因數(shù)校正技術(shù)的性能[5]。

2.3 系統(tǒng)拓?fù)浜涂刂扑惴?/h3>

系統(tǒng)拓?fù)渲饕譃閱渭?jí)變換器拓?fù)洹⒍嗉?jí)變換器拓?fù)湟约盎旌献儞Q器拓?fù)?，其特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景如表2所示。

表2 系統(tǒng)拓?fù)?/p>

控制算法主要包括前饋控制算法、反饋控制算法以及模型預(yù)測(cè)控制算法等。

前饋控制算法是一種基于負(fù)載電流信息的控制算法。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)負(fù)載電流，根據(jù)負(fù)載特性和功率因數(shù)目標(biāo)值，將合適的補(bǔ)償信號(hào)引入通信開關(guān)電源的控制回路，快速響應(yīng)負(fù)載變化，從而精確校正功率因數(shù)。

反饋控制算法是一種基于電壓和電流反饋信號(hào)的控制算法，實(shí)時(shí)采樣和測(cè)量電源輸出的電壓和電流，并與期望值進(jìn)行比較。根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。反饋控制算法具有較好的穩(wěn)定性和健壯性，能夠在不同負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)有效的功率因數(shù)校正。

模型預(yù)測(cè)控制算法是一種基于系統(tǒng)模型的控制算法。該算法使用電源和負(fù)載的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，并通過優(yōu)化算法計(jì)算最優(yōu)控制策略，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。模型預(yù)測(cè)控制算法考慮系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和約束條件，提高了控制精度和性能。約束條件包括系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)、電源能力以及負(fù)載要求等。

2.4 外界干擾

2.4.1 電力系統(tǒng)噪聲

電力系統(tǒng)中存在各種噪聲源，如電源波動(dòng)和電網(wǎng)電壓的變化等。噪聲會(huì)對(duì)功率因數(shù)校正技術(shù)的測(cè)量和控制環(huán)節(jié)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致功率因數(shù)校正出現(xiàn)不準(zhǔn)確的情況。

2.4.2 電磁干擾

通信開關(guān)電源往往在電磁干擾較為復(fù)雜的環(huán)境中工作，如無線通信基站和高頻電磁輻射區(qū)域等。電磁干擾會(huì)對(duì)功率因數(shù)校正技術(shù)的傳感器、控制電路以及信號(hào)傳輸過程產(chǎn)生干擾，影響功率因數(shù)校正的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

3 通信開關(guān)電源新型功率因數(shù)校正技術(shù)的應(yīng)用案例

3.1 基于諧振電路的功率因數(shù)校正方案在通信開關(guān)電源中的應(yīng)用

根據(jù)通信開關(guān)電源的負(fù)載特性和諧振電路的原理，設(shè)計(jì)合適的諧振電路。諧振電路通常由電容、電感以及開關(guān)等器件組成，用于產(chǎn)生諧振電流，使通信開關(guān)電源的輸入電流與輸入電壓之間的相位差趨近于0°。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)通信開關(guān)電源的輸入電流和輸入電壓，根據(jù)諧振電路的工作狀態(tài)設(shè)計(jì)控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)器件的開關(guān)控制?？刂扑惴ǜ鶕?jù)負(fù)載特性和電網(wǎng)條件進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)最佳的功率因數(shù)校正效果。將設(shè)計(jì)好的諧振電路和控制算法集成到通信開關(guān)電源系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化和調(diào)試，確保諧振電路與通信開關(guān)電源的其他模塊相互協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的功率因數(shù)校正。

諧振電路根據(jù)負(fù)載特性自適應(yīng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)輸入電流和輸入電壓的相位匹配，從而有效提高通信開關(guān)電源的功率因數(shù)。諧振電路能夠有效抑制通信開關(guān)電源中產(chǎn)生的諧波電流，減少對(duì)電網(wǎng)和其他設(shè)備的干擾，提高電網(wǎng)質(zhì)量。功率因數(shù)校正方案能夠改善通信開關(guān)電源的功率因數(shù)，減少能源浪費(fèi)，提高電能的利用效率?；谥C振電路的方案具有較高的靈活性和適應(yīng)性，能夠適應(yīng)不同類型的負(fù)載和不穩(wěn)定的電網(wǎng)條件，保持穩(wěn)定的功率因數(shù)校正效果。

3.2 基于有源濾波器的功率因數(shù)校正方案在通信開關(guān)電源中的應(yīng)用

通過電流傳感器檢測(cè)通信開關(guān)電源輸入端的電流，并將檢測(cè)的電流信號(hào)輸入控制回路?？刂苹芈犯鶕?jù)檢測(cè)的電流信號(hào)，結(jié)合相應(yīng)算法計(jì)算系統(tǒng)的功率因數(shù)值。功率因數(shù)計(jì)算通常涉及相位角的測(cè)量和功率因數(shù)校正算法的運(yùn)算?；谟?jì)算得到的功率因數(shù)值，控制回路調(diào)整有源濾波器的工作狀態(tài)和參數(shù)。有源濾波器能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)電流波形的變化，通過注入適當(dāng)?shù)碾娏餮a(bǔ)償，使輸入端的電流與電壓之間達(dá)到更接近理想功率因數(shù)的狀態(tài)。通過控制有源濾波器，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入端電流的調(diào)節(jié)和校正，改善通信開關(guān)電源的功率因數(shù)。同時(shí)，有源濾波器能夠有效抑制諧波電流，減少對(duì)電網(wǎng)和其他設(shè)備的干擾。通過實(shí)時(shí)校正電流波形，通信開關(guān)電源的功率因數(shù)接近1，提高了能源利用效率，減少了能源浪費(fèi)。

3.3 基于變頻調(diào)速技術(shù)的功率因數(shù)校正方案在通信開關(guān)電源中的應(yīng)用

在通信開關(guān)電源中添加功率因數(shù)檢測(cè)模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功率因數(shù)的數(shù)值。該模塊能夠采集電流和電壓波形，并計(jì)算功率因數(shù)。通過該檢測(cè)模塊，可實(shí)時(shí)了解通信開關(guān)電源的功率因數(shù)水平。通過控制開關(guān)電源的輸出頻率，可精確調(diào)節(jié)電源輸出功率。借助變頻調(diào)速技術(shù)，實(shí)時(shí)調(diào)整開關(guān)電源的輸出功率，使其與負(fù)載需求匹配，從而提高能源利用效率和功率因數(shù)。基于功率因數(shù)檢測(cè)模塊的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，開發(fā)適合通信開關(guān)電源的功率因數(shù)校正算法。該算法能夠根據(jù)檢測(cè)的功率因數(shù)值，結(jié)合變頻調(diào)速技術(shù)，精確調(diào)整開關(guān)電源的輸出功率，以達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)功率因數(shù)。通過控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測(cè)功率因數(shù)校正方案，獲取功率因數(shù)檢測(cè)模塊的數(shù)據(jù)，并根據(jù)功率因數(shù)校正算法的計(jì)算結(jié)果調(diào)整參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)通信開關(guān)電源功率因數(shù)的校正控制。

4 結(jié) 論

文章研究了新型功率因數(shù)校正技術(shù)在通信開關(guān)電源中的應(yīng)用，分析影響通信開關(guān)電源新型功率因數(shù)校正技術(shù)性能的因素，主要包括電源負(fù)載特性、輸入電壓波動(dòng)、系統(tǒng)拓?fù)浜涂刂扑惴?、外界干擾以及環(huán)境條件等?；谥C振電路、有源濾波器以及變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用案例，展示新型功率因數(shù)校正技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果。未來應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步探索新型功率因數(shù)校正技術(shù)在通信開關(guān)電源中的優(yōu)化和創(chuàng)新，以提高功率因數(shù)改善效果和諧波干擾抑制能力。