功率因數(shù)校正技術(shù)

功率因數(shù)校正技術(shù)摘要：消除電網(wǎng)諧波污染，提高功率因數(shù)是電力電子領(lǐng)域研究的一個重大且很有實(shí)際價(jià)值的課題。本文介紹了電網(wǎng)諧波污染問題和諧波抑制的方法；指出了功率因數(shù)校正的目的和意義；闡述了功率因數(shù)校正技術(shù)的發(fā)展概況、研充現(xiàn)狀和未來的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：功率因數(shù)校正技術(shù)一、 功率因數(shù)技術(shù)解決的問題防止電網(wǎng)的諧波污染有兩種方法：一是采用無源濾波或有源濾波電路來旁路或補(bǔ)償諧波，是被動的、治標(biāo)的方法；另一種方法是改造電子設(shè)備本身，使其不產(chǎn)生諧波和無功，是主動的、治本的方法，這就是功率因數(shù)校正(PFC)。不同時(shí)期,人們對功率因數(shù)問題的理解有所不同。功率因數(shù)問題是用電設(shè)備對電網(wǎng)帶來的影響問題。不同性質(zhì)的問題，其解決思路和方法也有所不同。功率因數(shù)校正技術(shù)的發(fā)展過程就是對這一問題不斷深入的認(rèn)識和解決過程。在進(jìn)行功率因數(shù)校正之前，必須先弄清楚電網(wǎng)中的諧波源。電網(wǎng)中的諧波源有發(fā)電機(jī)、變壓器、工業(yè)電弧爐、熒光燈、各種電力電子裝置和各種開關(guān)電源。在電力電子裝置大量應(yīng)用之前，主要的諧波源是發(fā)電機(jī)和變壓器，二者的諧波發(fā)生都是電磁轉(zhuǎn)換中的非線性引起的。對于發(fā)電機(jī)可在設(shè)計(jì)的時(shí)候采取一些削弱諧波電動勢的措施使之發(fā)出的電壓中含有很少的諧波。對于變壓器可以采用合理的鐵心結(jié)構(gòu)和繞組連接方式，使鐵心工作于線性區(qū)等手段而減少其諧波。這些措施不屈于功率因數(shù)校正范疇。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子裝置大量投入電網(wǎng)，迅速取代發(fā)電機(jī)和變壓器，成為電網(wǎng)中主要的諧波源。在我國，一項(xiàng)調(diào)查顯示：目前的大型企業(yè)中,兒乎每家企業(yè)都有電網(wǎng)污染的現(xiàn)象。在現(xiàn)代通信設(shè)施使用集中的商務(wù)樓內(nèi)，污染更為嚴(yán)重。電網(wǎng)污染還會隨流動的電波而傳染，造成大面積隱患，并有可能引發(fā)重大事故。二、 諧波和無功功率的危害及補(bǔ)償技術(shù)2.1諧波的危害1、 在電網(wǎng)設(shè)備中產(chǎn)生附加的諧波損耗，使功率因數(shù)降低從而降低電網(wǎng)和設(shè)備的效率。2、 諧波電流在輸電線路阻抗上的壓降會使用戶端的電壓波形產(chǎn)生嚴(yán)重的畸變,影響電氣設(shè)備的正常工作，如使使電容器、電纜等過熱，絕緣老化，壽命縮短，以致?lián)p壞。3、 對三相四線制電網(wǎng)，大量的三次諧波在中性線中疊加，發(fā)生中線過熱甚至發(fā)生火災(zāi)。4、 引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，使諧波放大，加重了諧波的危害，甚至引起嚴(yán)重事故。5、 導(dǎo)致繼電器保護(hù)和自動裝置誤動作，并使電氣測量儀表計(jì)量不準(zhǔn)確，影響計(jì)量精度。6、 對鄰近通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量，嚴(yán)重導(dǎo)致信息丟失，系統(tǒng)紊亂。2.2諧波補(bǔ)償技術(shù)為了解決諧波污染問題，基本思想有兩種：一是加裝諧波補(bǔ)償裝置。二是對諧波源進(jìn)行改造，使之不產(chǎn)生諧波。前面一種就是諧波補(bǔ)償技術(shù)，包括LC無源濾波器和有源濾波器兩種。2.3無功功率的影響1、 增加設(shè)備容量：無功功率的增大，使總電流增大，以及視在功率的增大，從而使設(shè)備的容量、導(dǎo)線規(guī)格、相應(yīng)的控制設(shè)備、測量儀表、保護(hù)裝置的規(guī)格容量也增加。2、 增加設(shè)備和線路損耗：由于無功功率導(dǎo)致電流增大，設(shè)備和線路的損耗增加，電能的利用效率降低。3、 線路壓降增大：由于線路阻抗的存在，大量的無功電流注入電網(wǎng)會引起電網(wǎng)電壓下降。對沖擊性無功負(fù)載還會引起電網(wǎng)電壓劇烈波動，供電質(zhì)量嚴(yán)重下降。4、 功率因數(shù)降低，設(shè)備容量利用少。2.4無功功率補(bǔ)償由于無功功率會帶來設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用的增加、能耗以及電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，無功功率補(bǔ)償技術(shù)引起了人們的重視，這就是最初的功率因數(shù)補(bǔ)償技術(shù)。無功功率補(bǔ)償?shù)淖饔糜校禾岣吖β室驍?shù)，降低設(shè)備容量，減小導(dǎo)線截面積，節(jié)約有色金屬。降低電網(wǎng)線路損耗，節(jié)約電能，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，提高供電質(zhì)量。無功補(bǔ)償技術(shù)主要有:同步調(diào)相機(jī)，并聯(lián)電容器，靜止無功補(bǔ)償裝置。2.5PWM整流技術(shù)PWM控制技術(shù)是首先在直流斬波電路和逆變電路中發(fā)展起來的技術(shù)。隨著GTO晶閘管、IGBT等全控型器件的不斷進(jìn)步，PWM控制技術(shù)也逐漸豐富、成熟起來。目前空間矢量控制技術(shù)(SVPWM)己在交流變頻調(diào)速，不間斷電源中獲得了非常廣泛的應(yīng)用。把逆變電路中的這種技術(shù)應(yīng)用于整流電路中就形成了PWM整流電路。通過對PWM整流電路的適當(dāng)控制，可以使網(wǎng)側(cè)輸入電流非常接近正弦波，且和網(wǎng)側(cè)電壓同相位，功率因數(shù)近似為1,這種整流電路就叫做單位功率因數(shù)整流器。該控制技術(shù)在相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中適用于逆變電路，所以PWM整流電路還可以運(yùn)行在有源逆變狀態(tài)下，所以確切的說應(yīng)當(dāng)為PWM變流電路。電力電子技術(shù)、控制技術(shù)、微處理器技術(shù)的不斷發(fā)展促使了PWM整流器不斷向前發(fā)展，可以歸納為以下幾個趨勢：1、 多功能化和智能化：傳統(tǒng)電力電子器件只有開關(guān)功能，而現(xiàn)代電力電子器件品種增多，功能擴(kuò)大使用范圍拓寬，不但具有開關(guān)功能，有的還具有放大、調(diào)制、振蕩以及邏輯運(yùn)算等功能。2、 高頻化：提高整流器的開關(guān)頻率可以顯著降低交流輸入電流的諧波含量，由此降低對電網(wǎng)的諧波影響，同時(shí)，提高開關(guān)頻率還可以降低電路中無源器件的體積和容量從而提高系統(tǒng)的整體性和可靠性。、電路弱電化，數(shù)字化：全控型器件及其高頻化的功能促進(jìn)了電力電子的弱電化。隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是DSP在電力電子系統(tǒng)中的應(yīng)用日趨增多，使得電力電子從傳統(tǒng)的模擬控制向數(shù)模混合控制以及全數(shù)字化控制的方向發(fā)展。數(shù)字化可以使控制系統(tǒng)軟件化，并能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。國內(nèi)目前的研究特點(diǎn)是集中于控制方法的實(shí)驗(yàn)研究，分析各參數(shù)與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系，并找出改善電流跟蹤性能、提高輸入功率因數(shù)的方法，仿真和實(shí)驗(yàn)是主要手段，對于系統(tǒng)建模研究較少。三相高功率因數(shù)整流的研究正處于發(fā)展中,今后的方向是新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究和新的控制策略研究。2.6功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)發(fā)展方向1、新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的提出，基于己有拓?fù)涞脑恚蛐略硐碌男峦負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，比如磁放大器PFC技術(shù)等。2、 把DC/DC變換器中的新技術(shù)（如軟開關(guān)技術(shù)和開關(guān)電容功率網(wǎng)絡(luò)等）應(yīng)用于PFC電路中。3、 新控制方法以及基于新拓?fù)涞奶厥饪刂品椒ǖ难芯?。一般來說，目前控制技術(shù)的研究日趨復(fù)雜，廣泛使用的中小功率用電設(shè)備難以承受隨之帶來的成本增加。因此，對中小功率電器設(shè)備來說，控制簡單的低成本功率因數(shù)校正電源是比較受歡迎的，而大功率電器設(shè)備則需要采用優(yōu)良的控制技術(shù)構(gòu)成高性能的功率因數(shù)校正電源。4、 單級PFC穩(wěn)壓開關(guān)變換器的穩(wěn)定性的研究。采用單級結(jié)構(gòu)后，由于PFC和DC/DC變換部分存在不可避免的相互聯(lián)系，因此有必要研究這類變換器的穩(wěn)定性,以便設(shè)計(jì)出達(dá)到期望性能指標(biāo)的開關(guān)電源。5、 三相PFC的數(shù)字控制技術(shù)。PFC的模擬控制方法簡單、直接，但控制電路的元器件比較多，電路適應(yīng)性差，容易受噪聲干擾，而且調(diào)試比較費(fèi)力，若系統(tǒng)方案中應(yīng)用模擬PFC芯片來實(shí)現(xiàn)APFC,則其PFC系統(tǒng)不便于與其它控制系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。而數(shù)字控制系統(tǒng)具有高度集成化的控制電路、精確