现代电力电子在电力系统中的应用概要

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1、现代电力电子在电力系统及 电能质量控制中的应用 功率因数校正、 无功功率补偿及有源滤波,概述 无功功率和谐波的产生 高功率因数电力电子装置 无功补偿和有源滤波,1 概述,在现代工业和日常生活中，电力电子装置得到了广泛的应用。然而，电力电子装置作为非线性负载越来越多地运行在电网中，产生大量的无功和谐波，对电网造成很大的“污染” 。 如相控整流电路工作时基波电流落后于电网电压，消耗大量的无功，另外还产生很大的谐波电流；二极管整流电路的基波电流和电网电压相位大致相同，基波功率因数接近1，但却产生很大的谐波电流，,1 概述,电动机，变压器，荧光灯等大部分工业生产和日常生活中的用电负载都是感性负载，消耗

2、大量无功功率。另外由于这些器件本身具有很突出的非线性特性，从而他们同时还是公用电网的主要谐波源。 无功功率（平均功率为零）的危害主要表现在增加设备容量、设备和线路线损的增加和压降的增大；另外谐波对控制系统和通讯系统产生很大干扰。,1 概述,大量的谐波和无功功率，严重影响了电力电子技术的发展和应用。解决电力电子装置的谐波污染和低功率因数问题的基本手段有两条：,第一，采用高功率因数电力电子装置。 无源=有源，功率因数校正电路、PWM控制整流电路、双PWM变频器、矩阵式逆变器等都可以获得很高的功率因数。,第二种方法就是装设补偿装置，以补偿其谐波和无功功率。 同步调相机= TCR= SVC = SVG

3、= APF,2 无功功率和谐波的产生,正弦电路的无功功率和功率因数 在正弦电路，线性负载的情况下，电路中的电压和电流都是正弦的，电路的有功功率定义为： 电路的无功功率定义为： 定义有功功率和视在功率的比为功率因数PF：,2 无功功率和谐波的产生,非正弦电路的无功功率和功率因数 视在功率和有功功率的意义没有什么变化，而无功功率构成较复杂。 因此，可以定义为： 功率因数定义为：,2无功功率和谐波的产生,谐波和无功功率的来源 感性负载 电动机，变压器，荧光灯等大部分工业生产和日常生活中的用电负载都是感性负载，消耗大量无功功率。另外由于这些器件本身具有很突出的非线性特性，从而他们同时还是公用电网的主要

4、谐波源。 电力电子装置 电力电子装置的应用日益广泛，使得电力电子装置成为一类大的谐波源。在电力电子装置中，整流装置占的比例最大。常用的相控整流电路工作时基波电流落后于电网电压，消耗大量的无功，另外还产生很大的谐波电流。二极管整流电路的基波电流相位和电网电压相位大致相同，基波功率因数接近1，但却产生很大的谐波电流，从而也消耗一定的无功。,谐波和无功功率的危害,无功功率的危害： 增加设备容量 根据公式： 无功功率的增加，会导致在有功功率不变的情况下，视在功率的增加和电流增大，从而使得电气设备容量和导线容量的增加，相应的起动及控制设备，测量设备的规格也要增加。 设备和线路的损耗增加 无功功率的增加，

5、使得总电流增大，因而使设备和线路的损耗增加，线路电阻为R,则线路损耗为： 其中： 这部分损耗就是无功功率引起的。,谐波和无功功率的危害,无功功率的危害： 使线路和设备的压降增大 有功功率的的波动一般对电网电压的影响较小,电网电压的波动主要是由无功功率的波动引起的.无功功率的增加，使得线路的总电流增大，线路的(传输)压降也将随之增大，严重影响电网的供电质量，变化快时甚至可能导致电网崩溃。,谐波和无功功率的危害,谐波危害 谐波使公用电网的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。 谐波影响各种电气设备的正常工作。比如谐波不仅使电

6、机产生附加损耗，还使电机产生机械振动、噪声和过电压，使变压器、电容器等设备过热、绝缘老化等危害。 谐波引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，加重谐波的危害。 导致继电保护和自动装置的误动作，使电气测量仪表计量不准确。 谐波对控制系统和通讯系统产生干扰，使通讯质量下降或根本无法正常工作。,谐波和无功功率的消除和补偿,由于产生大量的谐波和无功功率，严重影响了电力电子技术的发展与应用，因此，消除谐波污染并提高功率因数，已成为现代电力电子技术中的一个重大课题（解铃还得系铃人）。解决电力电子装置的谐波污染和低功率因数问题的基本手段有两条： 对电力电子装置本身进行改进，使其不产生谐波，且

7、具有较高的功率因数，单位功率因数变流器的功率因数甚至可以控制为1。 装设补偿装置，以补偿其谐波和无功功率，各种类型的电力电子谐波源都可以用这个办法补偿。,3 高功率因数电力电子装置,3.1 功率因数校正电路(Power Factor CorrectionPFC),功率因数校正电路从不同的角度考虑分类方法不同， 从校正使用的元器件角度考虑，PFC技术主要分为无源PFC技术和有源PFC技术两大类。 无源功率因数校正利用电感电容组成滤波器，将输入电流进行相移及整形，下图所示为一个最基本的无源功率因数校正电路，电感和电容组成一个无源滤波器，起到了一定的功率因数校正的作用。,图7.3 最基本的无源PFC

8、电路,3 高功率因数电力电子装置,3.1 功率因数校正电路(Power Factor CorrectionPFC) 另一种无源PFC技术就是利用电容二极管网络构成的填谷(Valley Fill)方式PFC整流电路。当输入电压高于电容C1和C2上的电压和时，外输入电压将对两个电容进行充电； 当输入电压低于电容C1和C2上的电压时，两个电容则会进入并联放电状态。在电路的拓扑结构上，由于电容和二极管网络的串并联特性，这种结构增大了二极管的导通角，也就使输入电流的波形得到改善。,图7.4 ValleyFill方式PFC整流电路,3 高功率因数电力电子装置,3.1 功率因数校正电路(Power Fact

9、or CorrectionPFC) 有源功率因数校正（APFC）利用开关器件、电感及控制电路构成，PF可达0.99。从相数来看，有单相PFC和三相PFC。都是通过电流跟踪电压变化，提高功率因数，减小谐波损耗。单相PFC技术已经比较成熟，三相PFC技术复杂，成本较高，现基本还处于研究推广阶段。 从开关转换技术来看，APFC又分为硬开关PFC技术和软开关PFC技术两大类。目前，硬开关PFC技术在小功率场合的应用已经比较成熟，软开关PFC技术处在逐步应用和研究当中。,3 高功率因数电力电子装置,3.2 单相有源功率因数校正（APFC）技术 1 有源功率因数校正的工作原理 有源功率因数校正（APFC）

10、是抑制谐波电流、提高功率因数的有效方法，APFC主要用于DCDC开关变换器。目前使用最广泛的是Boost型APFC？ 按PFC电路输入电流检测和控制方式， APFC电路又可分成： （1）CCM型：电感L电流连续。 （2）DCM型：电感L电流不连续。 本节以Boost型APFC为例说明功率因数校正电路的基本工作原理。,3 高功率因数电力电子装置,平均电流控制的CCM型BOOST功率因数校正电路基本形式如图所示。图中上半部主电路就是典型的BOOST升压电路，其中L为升压电感（或储能电感），K为高频开关管，D为升压整流二极管，C为滤波电容。当开关管K导通时，电源给电感L储存能量，当K关断时电感L中的

11、电势和电源电压经升压二极管D整流，同时给负载提供能量。因此，该电路是一个升压电路，改变开关管的开关频率或占空比可以改变输出电压。,3 高功率因数电力电子装置,图中所示的下半部分是控制电路。控制电路的作用使得系统交流侧的功率因数得以改善。功率因数校正的基本工作原理为：输出电压经分压后与参考电压VREF 比较，再经电压环调节器处理后得到VE ，它与输入电压的衰减值Vinsint/K 相乘得电流参考值，与输入电流检测值比较后经电流环调节器输出，进入PWM发生器产生主开关通断控制信号。,3 高功率因数电力电子装置,因为控制信号是按占空比周期性变化的信号，所以得到的输入电流波形可跟随输入电压整流后的波形

12、。开关频率远大于输入电压频率时，输入电流波形为与输入电压同相的正弦波形，功率因数接近于1。简单地说，控制电路使高频开关K在整个交流输入电压期间不断通断，这样在整个交流输入电压期间都有电流流过，输入电流不再是一个尖峰电流，因此系统的功率因数大大提高。,3 高功率因数电力电子装置,3.2.2 有源功率因数校正的控制方法 1 常用的三种控制方法 常用的控制AC-DC开关控制器实现APFC的方法基本上有三种，即电流峰值控制，电流滞环控制，以及平均电流控制。本节以Boost功率因数校正器的控制为例，说明这三种方法的基本原理，假设工作模式为CCM。,3.2.2 有源功率因数校正的控制方法 2 电流峰值控制

13、法 电流基准为双半波正弦电压，反馈为开关管电流。令电感电流的峰值包络线跟踪输入电压Vdc的波形。使输入电流与输入电压同相位，并接近正弦。电压环由分压器I/H，电压误差放大（补偿）器VA，通过乘法器，电流比较器及驱动器(图中未画出)等组成。因此，在保持输入端功率因数接近1的同时，能保持输出电压稳定。,电流峰值法控制的Boost功率因数较正器电路原理图以及电感电流波形图,3.2.2 有源功率因数校正的控制方法 2 电流峰值控制法 用峰值法控制时，最主要的问题是：电感电流的峰值ip（它是控制的基准）与高频状态平均值之间的误差，在一定条件下相当大，以致无法满足使THD很小的条件。此外，峰值对噪声相当敏

14、感。 开关管的电流？,电流峰值法控制的Boost功率因数较正器电路原理图以及电感电流波形图,3.2.2 有源功率因数校正的控制方法 3 电流滞环控制法 电流滞环法控制与峰值法控制的差别只是：前者检测的电流是电感电流；并且控制电路中多了一个滞环逻辑控制器。逻辑控制器的特征，和继电器特征一样，有一个电流滞环带（hysterisis band）。,滞环法控制的Boost功率因数校正器电路原理图以及电感电流波形图,3.2.2 有源功率因数校正的控制方法 3 电流滞环控制法 电流滞环控制法的主要缺点是：负载大小对开关频率影响甚大，由于开关频率变化幅度大，设计输出滤波器时，要按最低开关频率考虑。因此，不可

15、能得到体积和重量最小的设计。,滞环法控制的Boost功率因数校正器电路原理图以及电感电流波形图,3.2.2 有源功率因数校正的控制方法 4 平均电流控制法 平均电流控制的特点是：输入电流信号被直接检测，与基准电流比较后，其高频分量（例如100kHz）的变化，通过电流误差放大器，被平均化处理；工频电流的峰值是高频电流的平均值，因而高频电流的峰值比工频电流的峰值更高。但电感电流峰值与平均值之间的误差小，因此THD很小； 原则上可以适合任意拓扑，任意支路的电流；如：除了可检测Boost变换器的输入电流外，也可以检测buck，flyback变换器的输入电流，或Boost，Flyback变换器的输出电流

16、等。并且两种工作模式CCM和DCM都可以用。,平均电流控制的Boost功率因数校正器电路原理图以及电感电流波形图,3 高功率因数电力电子装置,3.2.2 有源功率因数校正的控制方法 1 常用的三种控制方法比较 这三种方法的基本特点如下表。,3.2.2 有源功率因数校正的控制方法 5 PFC集成控制电路 现在的PFC的控制电路已集成化。单相有源功率因数校正技术发展很快，Unitrode，Motorola等公司相继推出了各种有源功率因数校正芯片，如UC3852、UC3854、UC3855、MC34261等。目前，这一技术在中小功率开关电源、不间断电源（UPS）、电子整流器等方面有着广泛的应用前景。 另外，把多电平变换技术以及软开关技术应用于APFC电路是目前研究的一个热点。,应用UC3853的APFC电路图,3.2.2 有源功率因数校正的控制方法 5 PFC集成控制电路 DCM方法又称电压跟踪技术，没有电流调节环，输入电流自动跟踪电源电压；功率管实现零电流开通，且不