（电力电子与电力传动专业论文）三相桥式整流的功率因数校正技术的研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c s ，t h ep o w e rq u a l i t yo fa cp o w e r s u p p l yi si n c r e a s i n g l yp a i da t t e n t i o nt o i ng e n e r a l ，d i o d eu n c o n t r o l l e dr e c t i f i e ra n d t h y r i s t o rp h a s ec o n t r o l l e dr e c t i f i e ra r ea d o p t e df o ra c d cc o n v e r t i o n ，w h i c hi n j e c t p l e n t i f u lh a r m o n i ca n d r e a c t i v ep o w e ri n t oa cm a i n s ，a n dr e s u l ti ns e r i o u sp o l l u t i o n s ol o t so fr e s e a c h e sh a v eb e e nf o c u so nh i g hi n p u tp o w e rf a c t o ra n dm i n i m u m h a r m o n i ci n j e c t i o ni n t oa cm a i n s p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ( p f c ) i sa ne f f i c i e n t t e c h n i q u ef o rr e d u c i n gh a r m o n i c d i s t o r t i o na n di n c r e a s i n gt h ep o w e rf a c t o r t h i s t h e s i sm a i n l yc o v e r st h ef l o w i n ga s p e c t s ： 1 f i r s t l y , t h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo fan e a ru n i t yp o w e rf a c t o rt h r e e - p h a s e f u l l b r i d g er e c t i f i e rw a sa n a l y z e di nd e t a i l t h i sr e c t i f i e ri sc o m p o s e do ft w op a r t s b a s e do ni t s o p e r a t i o np r i n c i p l e ：ap o w e rf a c t o r c o m p e n s a t i o n c i r c u i ta n da c o n v e n t i o n a lr e c t i f i e rc i r c u i t a n dt h i s r e c t i f i e rw a sm o d e l e dw i t h a c c u r a t e m a t h e m a t i c a le q u a t i o n sb a s e do nt h eo p e r a t i o np r i n c i p l e 2 t h ei n p u ti n d u c t o ro ft h en e a ru n i t yp o w e rf a c t o rt h r e e p h a s ef u l l - b r i d g e r e c t i f i e ri sd e t e r m i n e di nt h en o m i n a lo p e r a t i n gp o i n t w i t ht h el o a dv a r i a t i o n ，t h e i n p u tp o w e rf a c t o rw i l lb ed e g r a d e d an e w c o n t r o lm e t h o dw a sp r o p o s e dt oo v e r c o m e t h e s ed r a w b a c k s t h eh a r m o n i c s i n j e c t e db y c o n v e n t i o n a lr e c t i f i e rc a nb e c o m p e n s a t e db yt h ep o w e rf a c t o rc o m p e n s a t i o nc i r c u i t ，t h u st h ei n p u tp o w e r f a c t o r c a nb ei n c r e a s e d t h ea v e r a g er e a lp o w e rc o n s u m e db yl o a di ss u p p l i e db yt h es o u r c e ， a n dt h ep o w e rf a c t o rc o m p e n s a t i o nc i r c u i td o e sn o tp r o v i d eo rc o n s u m ea n ya v e r a g e r e a lp o w e r b a s e do np o w e rb a l a n c et h e o r y , t h er e f e r e n c ec o m p e n s a t i o n a lc u r r e n tc a n b eo b t a i n e d t h ec o n d u c t i o np e r i o do fb i d i r e c t i o n a ls w i t c h e si sc o n t r o l l e db yu s i n gt h e h y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o l ( h c c ) t h eb i d i r e c t i o n a ls w i t c h e so p e r a t ea th i g hf r e q u e n c y u n d e rt h i sc o n t r o lm e t h o d ，t h ei n p u ti n d u c t o rs i z e w i l lb ee f f e c t i v e l yr e d u c e d t h e s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tw i t ht h ep r o p o s e dc o n t r o l l e r , t h ei n p u t l i n ec u r r e n t sa r en e a r l ys i n u s o i d a li ns h a p ea n dt h ei n p u tp o w e rf a c t o rn e a ru n i t y u n d e rw i d el o a dv a r i a t i o n 3 a n o t h e rn o v e lc o n t r o lm e t h o df o r h a r m o n i cc u r r e n td i s t o r a t i o nl i m i t ss e tb y t h i sr e c t i f i e ri sp r o p o s e di no r d e rt om e e t i e e e 519 t h ed e s i r e ds o u r c ec u r r e n t sa r e o u t p u tf r o mac u r r e n tc o m p e n s a t o r , t h ec o m p e n s a t o rg a i na n d t h ep h a s ed e l a ya te a c h p h a s ef o re a c ho r d e rh a r m o n i ca r ed e t e r m i n e db ya no p t i m a lc o n t r o la l g o r i t h m ，w h e r e t h ep e r m i s s i b l el e v e l so fi n d i v i d u a la n dt o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ，p o w e rf a c t o r , a s w e l la sa c t i v ep o w e rc o n s u m p t i o na r et a k e ni n t oa c c o u n t t h ed e s i r e ds o u r c ec u r r e n t s c a nd r i v et h eb i d i r e c t i o n a ls w i t c h e s t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h i sc o n t r o ls t r a t e g yi se f f e c t i v ei nm i n i m i z i n gs o u r c ec u r r e n td i s t o r t i o na n d m a x i m i z i n gl o a dp o w e rf a c t o r t h ep r o p o s e dc o n v e r t e ri s s u i t a b l ef o raw i d ep o w e r a p p l i c a t i o n 4 t h ed cl i n kv o l t a g ei nn e a ru n i t yp o w e rf a c t o rt h r e e p h a s ef u l l b r i d g er e c t i f i e r i sv e r ys e n s i t i v et ot h el o a dv a r i a t i o n t oi m p r o v et h ed y n a m i ca n ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i c o ft h i sr e c t i f i e r , t h es i m p l ea d a p t i v ec o n t r o l ( s a c ) w a sa d o p t e d t oc o n t r o lt h ed cl i n k v o l t a g e an e wi m p r o v e ds a cb a s e do nq u a d r a t i cp e r f o r m a n c ei n d e xw a sp r o p o s e d a n da d o p t e dt oa d j u s tt h ea d a p t i v ep a r a m e t e r s t h i sa p p r o a c hc a nt r a c kt h er e f e r e n c e m o d e la n dd e c r e a s et h ec o n t r o li n c r e m e n t t h i sl a wi n c l u d e st h ei n c r e m e n to ft h e c o n t r o lq u a n t i t ya n dt h es a m p l i n gv a l u e so fs t a t ee r r o ri nka n dk + 1 ac o n t r o l l e rw a s d e s i g n e db ya d o p t i n g t h i sm e t h o df o rd cl i n kv o l t a g e t h es i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a tt h ep r o p o s e dc o n t r o l l e rc a ni m p r o v et h ed y n a m i c s t a b i l i t y o ft h es y s t e m t h e ya l s os h o wt h a tt h i s c o n t r o l l e rp o s s e s s e ss t r o n g r o b u s t n e s s k e yw o r d s - h a r m o n i cc u r r e n t ，p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ( p f c ) ，u n i t yp o w e r f a c t o rt h r e e p h a s ef u l l b r i d g er e c t i f i e r , t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ( t h d ) ，d cl i n k v o l t a g e ，s i m p l ea d a p t i v ec o n t r o l ( s a c ) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨洼盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：浓步声签字目期：_ 孑年子月“日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：罗象步如 签字日期：加。g 年了月z 日 导师签名：移刁 ， 签字日期：口扩年月岁。日 天津大学博士学位论文 绪论 1 1 研究背景和选题依据 第一章绪论 随着科技的进步，越来越多的电子设备应用到工业、商业、民用、航空、公 用事业及军事等领域 1 - 3 l 。大多数电子设备都要将输入的交流电压经整流滤波后 得到直流电压【4 j 。 如图1 1 ( a ) 所示，电子设备的整流部分通常采用二极管桥式整流，一般后 接一个大的滤波电容，可以得到波形较为平直的直流电压源，如图1 1 ( b ) 所示， 其中整流电容滤波电路是一种非线性元件和储能元件的组合，当输入的交流电 压的绝对值低于直流侧电压时，负载所需的电能由储能电容提供，交流电压源本 身并不提供电流；当输入的交流电压的绝对值高于直流侧电压时，交流电压源直 接向储能电容充电。因此，尽管输入的交流电压是正弦波，但是输入的交流电流 却成脉冲状，波形严重畸变，如图1 1 ( b ) 所示，因此电源的输入功率因数很低( 大 约为o 6 ) 。由此可见，如果大量地应用这种整流电路，则要求电网提供严重畸变 的非正弦电流。这些脉冲状的输入电流中含有大量的电流谐波，如图1 1 ( c ) 所 示。 如果大量的电流谐波分量注入电网( 称为h a r m o n i c se m i s s i o n ) ，则一方面会 使电网中的谐波噪声水平提高，造成电网的谐波“污染”，另方面会产生“二 次效应”，即电流流过线路阻抗形成谐波电压降，反过来使电网电压( 原来是正 弦波) 也发生畸变；这些效应严重时会造成电路故障，损坏变电设备，例如使得 线路或配电变压器过热；谐波电流引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振， 从而使谐波进一步放大；谐波会导致继电保护和自动装置的误动作。在三相电路 中，中线流过三相谐波电流的叠加，使中线过流而损坏；谐波对电机除了增加附 加损耗外，还会产生附加的谐波转矩，造成机械振动，影响电机的正常运行；由 于常规测量仪器是按照其工作在正弦电压和正弦电流下设计的，对非正弦电压或 电流的测量则会产生附加误差，影响测量精度；电力线路中的谐波电流会通过电 场耦合、磁场耦合或共地耦合对通讯线路造成干扰等等【5 7 】。从上个世纪八十年 第章绪论 代开始，这些问题逐渐引起人们的重视，因此发展出了各种技术，降低电流谐波 含量，增加功率因数m ”】，以保证电网的安全和可靠。 j - 【吼、 v o u t - d ，j l l n 扎 jl d 3j r ( a ) 基本拓扑 ( b ) 输入电压、电流及输出电压 i：illjji 1 f r e o u c yf k ( c ) 输入电流的各次谐波 图j l 常用整流电路 天津大学博士学位论文绪论 1 1 1 功率因数的定义 在电工原理中，对于线性电路，功率因数( p o w e r f a c t o r ，记为p f ) 可以直 接用正弦电压和正弦电流之间的相位差9 来计算和表示，定义为： p f = c o s 够 如果整流桥后面没有并联的滤波电容，而是直接与纯阻性负载相连。则电压 和电流之间的相位差为零，功率因数是1 。因此功率因数校正技术的本质，就是 要使用电设备的输入端对输入电网呈现“纯阻性”，也就是要使输入电流和输入 电压之间的相位相同。另一方面，从能量传输的角度来讲，功率因数校正技术就 是要使用电设备的输入端只从输入电网中汲取能量，而不要将能量重新反馈回输 入电网。 在整流电路中，尽管输入电压为正弦波，但是输入电流却为严重畸变的非正 弦电流( 如图1 1 ( b ) 所示) ，因此线性电路中的功率因数计算方法不再适用。 如果假设输入电压波形为( f ) ，其周期为乃输入电流波形为如( ，) ，则功率因数 定义为： 阿= 黧蒹视在功率 其中，有功功率( 锄为： 易= ；t o ) t o ) 仍 视在功率( p ，咖) 为输入电压有效值和输入电流有效值的乘积，即： 匕= 痧痧 ( 1 - 2 ) ( 1 - 3 ) ( 1 4 ) 将式( 1 4 ) 和( 1 3 ) 代入( 1 2 ) 中，则功率因数可以表示为： h o ) o ) d t p f = f = ，- i = = 1 = = 产 ( 1 - 5 ) j v 。o ) 班j 。o ) 西 第一章绪论 如果假设输入电压波形为正弦，即 v 埘哲j 砌( 等，) ( 1 - 6 ) 式中，形为输入电压的幅值。 而输入电流如( 力为非正弦，则通过傅里叶变换，可以将输入电流表示为： 柏= 弘s 砌( 争+ 吒) ( 1 7 ) 其中，厶为各次谐波的幅值，锄为各次谐波与基波之间的相位差。利用三 角函数的正交特性，将式( 1 7 ) 代入( 1 3 ) 和( 1 5 ) 两式，可以计算出有功功率和功率 因数，如下： 匕= 半 p f ：弋鲁c o s 嘎 、善l ( 1 - 8 ) ( 1 - 9 ) 等式( 1 9 ) 右边的第一项( ，、善l ) 称为畸变因数( d i s t o n i o nf a c t 。r ) ，它表示 了基波电流有效值( 一次谐波电流有效值百1 i ) 在总的输入电流有效值 去砉t 2 中所占的比例；右边第二项( s a ，) 称为相位移因数( d i s p l a c e m e n t f a c t o r , 记为：d p f ) 。功率因数是畸变因数和相位移因数的乘积，很显然，当输入 电流与输入电压是同频同相的正弦波时，有阿= 1 。 1 1 2 谐波及其与功率因数的关系 由式( 1 7 ) 可知，非正弦的输入电流可以通过傅里叶变换分解为一系列的谐 波，其中基波电流( 一次谐波电流) 是与输入电压同频的正弦波，为了衡量高次谐 波对总输入电流的影响，定义总谐波畸变为( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ，记为 t h d ) ： 4 天津大学博士学位论文绪论 t h d = 型篓黼学 由( 1 - 7 ) 式可以计算出： t h d = = n 压2 n 。2 ，i j ( 1 - 1 0 ) 如果基波电流与输入电压之间的相位差为零，即口，= 0 ，由( 1 9 ) 式可得： 阿= 丽1 ( 1 - 1 2 ) 这便是功率因数与总谐波畸变之间的关系，当t h d s5 时，功率因数可以 控制在0 9 9 9 左右。必须注意的是，上式的关系仅当输入电压为正弦波，且输入 电流的基波与输入电压之间相位差为零时才成立。对于更为普遍的情况，功率因 数应该由( 1 - 5 ) 式来直接计算得到，而总谐波畸变应通过频谱分析由( 1 - 1 1 ) 式计算 得到。 1 1 3 高次谐波电流含量 高次谐波电流含量用于描述每一个高次谐波( 二次谐波及更高次的谐波) 电流 对基波( 一次谐波) 电流的影响。刀次谐波含量的定义为： ，输入电流中门次谐波的有效值 一” 输入电流基波的有效值 l = = l i ( 1 - 1 3 ) 在通常情况下，电路系统中输入电压和输入电流之间存在有一定的关联关 系，高次电流谐波中奇数次谐波的含量和影响大于偶数次谐波的含量和影响，其 一5 - 第一章绪论 中一般又以三次谐波含量最大；偶数次谐波中一般只有二次谐波较大。因此，在 描述一个电路系统的输入电流中的高次电流谐波含量时，可以只选取2 、3 、5 、 7 次谐波来计算其含量以描述高次电流谐波含量的影响。 1 1 4 有关谐波标准 开关电源已成为电网最主要的谐波污染源之一。为了抑制a c d c 变换装置 输入端高次谐波电流对电网产生的污染，保证电网的供电质量，提高电网的可靠 性，提高变换装置的功率因数，达到有效利用电能的目的，必须把a c d c 变换 装置的谐波限制在一定的范围之内。一些世界性的学术组织或国家已经颁布或实 施了一些输入电流谐波限制标准，如i e c 5 5 5 2 、i e e e 5 1 9 、i e c 1 0 0 0 3 2 等。 我国国家技术监督局也在1 9 9 3 年颁布了国家标准g b t1 4 5 4 9 9 3 ( 电能质量公用 电网谐波。国际电工委员会( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ，i e c ) 于 1 9 9 8 年对谐波标准i e c5 5 5 2 进行修订，并且另外制定i e c6 1 0 0 0 3 2 标准，对 不同的用电设备制定了相应的谐波要求标准 1 3 - 1 4 】。表1 1 是i e e e 5 1 9 类谐波标 准，它规定了电力电子设备以及其他非线性负载输入电流谐波含量的相对值，同 时也给出了高次谐波的最大值限定。表中，i 和1 1 分别为注入电网时p c c 处 ( p o i n to f c o m m o nc o u p l i n g 整流器与公共电网联接处) 的最大短路电流和基波电 流。 表1 1i e e e 5 1 9 类谐波标准 高次电流谐波含量厶仍( ) 总谐波畸变 i s c i l n ll 1 1 n 1 71 7 三，n 2 32 3 三m 3 5 3 5 _ n t h d ( ) 1 0 0 01 5 07 o6 02 51 4 2 0 0 传统的二极管和晶闸管整流电路因为谐波远远超标而面临前所未有的挑 天津大学博士学位论文绪论 战。功率因数和总谐波畸变的两个典型值分别为o 7 2 和3 0 。根据i e e e 5 1 9 标 准，对中小功率的变换器，u p s 或其他负载，改善后的功率因数应该为0 9 4 。整 流器与公共电网联接处的电流比i 。c i l 通常在5 0 1 0 0 之间，根据表1 1 ，其相应 的总谐波畸变率限制在1 2 以内。对于一个以单位相位移因数和1 2 总谐波畸 变率工作的整流器，其功率因数应该大于0 9 9 3 。为了减少无功并遵守谐波标准， 在技术允许的情况下，将功率因数提高到0 9 4 以上是没有害处的。 最近，在提高功率因数和减小谐波电流方面做了很多改善 1 5 - 2 3 】，然而这些措 施所用到的拓扑结构中需要的元器件的造价、体积、重量及消耗的能量是大功率 应用中的主要局限性【2 4 】。近几年，p w m ( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ) 开关模式整 流器在提高功率因数方面获得了长足的发展，但是，大都是靠复杂的现代控制技 术来实现的。因此，使用功率因数校正( p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ，p f c ) 技术保 证开关电源的输入电流谐波达到标准的要求成为当务之急。很多文献也作了相应 的探讨 2 5 - 2 9 】。 1 2 目前的三相整流拓扑电路及功率因数校正技术 大多数电力变换器都是将交流电压先变换为直流电压或电流，再进一步转换 为满足自身需要的电压或电流。本节将对目前所有三相整流电路的拓扑( 包括常 规二极管整流以及现在较为流行的p w m 整流电路) 进行分析。由于那些严厉的 谐波标准的存在，针对不同的拓扑电路提出了很多功率因数校正( p f c ) 技术， 既有拓扑方面的又有控制方法方面的 3 0 - 3 4 】。 1 2 1 三相整流拓扑电路 1 二极管整流 二极管整流广泛地应用在能量转换的电力电子电路中，图1 2 所示为用于 a c d c 变换的三相全桥整流电路，图中l o a d 代表负载阻抗。该整流电路的输入 电流具有5 次、7 次、l1 次、1 3 次等特征谐波，各次谐波的幅值与谐波次数成 反比。因此，尽管三相全桥整流电路有很高的相位移因数( d p f = 1 ) ，但是它向 电网注入了大量的谐波电流。 交流电源通过这种简单可靠的方式可以转换为不可控的任一确定的直流电 第一章绪论 源，所以，当用户只是需要一个确定的直流电源时，这种三相全桥整流电路至今 仍然是首选。由于那些严厉的谐波标准的限制，很多消除三相全桥整流电路谐波 电流的方法已经提出【3 5 。4 1 1 。 图1 - 2 三相全桥整流电路 2 相控整流 三相二极管全桥整流电路的输出电压不可调，然而，当用晶闸管代替图1 2 中的二极管时( 如图1 3 所示) ，其输出电压可以通过控制晶闸管的触发角来控 制。 图1 3 相控整流 随着触发角的减小，功率因数会相应增加；该触发角同样影响着谐波电流的 天津大学博士学位论文 绪论 幅值。这种拓扑由于固有的耐用、高效、控制电路简单而受到很多用户的青睐， 但是它的功率因数较低、并向电网注入大量低次谐波。 随着这种整流电路的使用，电网面临着严重的电能质量问题。正如前面所述， 最近制定的谐波标准严格限制着注入公用电网的谐波电流。笨重且昂贵的滤波器 虽可以抑制谐波电流，但是这种补偿方案相当复杂，且造价很高，故而限制了相 控整流电路的应用。 3 p w m 整流 随着电力半导体技术的发展，诸如g t o 和i g b t 这样的高电压( 高电流) 、 高开关频率的大功率器件应运而生。从而，相控整流电路中的晶闸管被这些高开 关频率的器件所代替，才使利用脉冲宽度调制技术( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，记 为p w m ) 控制整流电路成为可能。工作在p w m 开关模式下的整流电路具有输 入电流为正弦、输出直流电压质量较高的特点。p w m 技术在整流桥强迫换流中 的成功应用，促使很多学术工作者开始研究以p w m 技术为基础，更适合于 a c d c 变换的拓扑电路。其中最为典型的两种拓扑结构为：电流型p w m 整流 拓扑和电压型p w m 整流拓扑。 1 ) 电流型p w m 整流拓扑 电流型p w m 整流的典型结构如图1 4 所示，包括6 个单向电流开关【4 2 - 4 4 1 。 图1 4 电流型p w m 整流 这些开关的通断必须避免直流侧开路，以及交流侧的短路。交流侧的滤波电 第一章绪论 容与网侧电感一起组成l c 滤波器，易导致谐振和电流畸变，其结构和控制相对 复杂。且直流侧需要较大的电感储能，功率损耗较大。所有这些，都凭空增加了 电流型p w m 整流器的造价、体积、重量以及损耗。 2 ) 电压型p w m 整流拓扑 图1 5 所示为电压型p w m 整流拓扑，包括6 个双向电流开关。 图1 5 电压型p w m 整流 这些开关的通断必须避免直流侧短路，以及交流侧开路。很多文献介绍了 p w m 理论及其相关的控制方法 4 5 - 5 2 l 。电压型p w m 整流器需要控制的变量有两 个：一是整流器的输出电压，二是整流器的输入电流；前者要求稳定输出控制， 保证输出电压是一个( 近似) 恒定的直流电压；后者要求输入电流的相位与输入 电压的相位一致，使之与输入电压同频同相，保证整流桥的输入端对交流电网呈 现“纯阻性”。目前，各种形式的p w m 变换器中，都存在着不同程度的偏磁问 题，一般多采用在变压器原边串联电容，利用电容特有的隔直特性将原边中的直 流分量滤除。然而，所有的原边电流都要流过隔直电容，使电容的工况相当严重， 电容的可靠性及寿命严重地制约着变换器的可靠性。 1 2 2 功率因数校正技术 要想有效提高整流桥的功率因数，就必须提高其相位移因数并降低其电流谐 波，所以为提高整流桥的功率因数，并且减小整流桥从电网吸收的视在功率( 即， 天津大学博士学位论文绪论 减小无功损耗) ，可以通过以下两种方式： 向电网提供超前的无功电流以补偿整流桥滞后的无功电流； 从负载侧减小滞后的无功电流的需求、减小谐波电流。 滞后的无功电流代表着电力系统本身及电力系统中所用元器件的电感值。滞 后的无功电流不可能从整体上消除，但是可以通过使用低无功电流的设备、装置、 元器件来减小滞后的无功电流。实际使用中，不存在消耗超前的无功电流的装置， 所以，为了产生超前的无功电流，必须将特定的装置加入到电力系统中【5 3 1 。最简 单的方法就是在电力系统中安装电容器组，通过选择正确的电容器组的容值可以 达到提高功率因数的目的。 除了使用电容器组之外，还可以使用同步电机进行无功补偿，用来做无功补 偿的同步电机一般叫做同步调相机( 或同步补偿机) 。同步调相机运行于电动机 状态，但不带机械负载，正常工作的同步电动机一般从电网吸收滞后的无功电流。 但是，工作于过励状态下的同步电动机却从电网吸收超前的无功电流，它是一种 只向电网提供无功功率的同步电动机。因此，通过调节同步电动机的励磁电流， 可以使其工作在滞后、超前、以及单位功率因数区域，从而使电网的功率因数维 持在一个确定的水平【5 3 】。 正弦电流 图1 - 6 功率因数校正及减少谐波技术的分类 从负载侧减少从电网吸收滞后的无功电流和谐波电流( 即，第二种方法) 是 本研究工作的重点。绝大多数的电子设备都会利用整流电路从电网吸收能量，然 而整流器是非线性负载并产生大量的谐波电流。为达到高功率因数，电网的供电 电流应接近于正弦，并且相应的电压与电流之间的相移应接近于0 。三相整流系 第一章绪论 统中，二极管桥式整流的相位移因数几乎是l ，利用现代控制方法主动控制三相 整流器，可以使供电电流与相应的电压同步，所以对三相整流器进行功率因数校 正的主要任务就是减小谐波电流。 提高整流系统功率因数，同时减小其谐波电流的方法大致分为如下几种，图 1 - 6 所示。单独使用滤波器并不能使输出电压可调，而主动形成电流波形技术却 可以使输出电压可调，所以这里主要介绍三相整流电路中的主动形成电流波形的 现代技术。 1 滤波器 1 ) 无源滤波器 无源滤波器是一种传统的减少谐波的方法，也是一种很直接的方法。无源谐 波滤波器由一些无源的元器件组成，例如：电阻、电感和电容，这也正是其名称 的由来。谐波电流可以通过高阻抗的串联电路或者低阻抗的并联电路受到阻止， 避免流入公共电网。串联型无源滤波器的使用范围因其造价较高、效率较低、体 积相对较大而受到限制5 4 1 。 并联型无源滤波器通过陷波的方式来校正功率因数，它只能滤掉负载产生的 固定次数的谐波 5 5 4 6 】。并联型无源滤波器包括单次谐波滤波器，如图1 - 7 ( a ) 所 示；和多次谐波滤波器，如图1 7 ( b ) 所示。图1 7 ( b ) 中，包括5 次、7 次、 1 1 次、1 3 次及更高次数的谐波滤波器。 ( a ) 单次谐波滤波器 =：=一：= 5 铆 芦1 1 心1 3 挑a n dh i g hp a s s ( b ) 多次谐波滤波器 图l - 7 并联型无源滤波器 然而，并联型无源滤波器的最大弊端就是可能发生电网与滤波器之间的串、 天津大学博士学位论文绪论 并联谐振，使滤波器或电网侧的谐波较之负载的电流谐波有所放大，这将带来很 多危险，例如：电容器过热、过多的电压谐波、电磁干扰等一系列的电力问题。 尽管这一固有的问题可以避免，但是必须将并联型无源滤波器与一个设计得非常 好的小功率串联型有源电力滤波器结合【5 7 1 。而且，滤波器的性能是在某一特定的 运行状态下优化的，当系统偏离了这一运行点时，滤波器的补偿性能将急剧下降。 在这种情况下，系统的谐波可能没有得到充分地消除，因此，在设计并联型无源 滤波器时必须额外小心。 2 ) 有源滤波器 无源滤波器的最大缺点就是其工作性能是在系统的某一运行点进行优化的， 当负载发生变化时，无源滤波器的补偿性能会急剧下降。而有源电力滤波器 ( a c t i v ep o w e rf i l t e r 记为，a p f ) 工作在闭环反馈模式下，具有本质上的自适应 能力。 a p f 的结构形式很多，按与电网的连接方式不同可分为并联型和串联型。与 并联型a p f 相比，由于串联型a p f 中流过的是正常负载电流，因此损耗较大。 此外，串联型a p f 的投切、故障后的退出及各种保护也较并联型a p f 复杂，因 此，它的使用范围受到很大的限制。并联型a p f 采用适当的控制方法就可以达 到多种补偿的目的，它可以实现的功能最为丰富灵活，故而并联方式是目前应用 最多的一种【5 8 6 0 1 。按逆变电路储能元件的不同可分为电压型( 储能元件为电容) 和电流型( 储能元件为电感) 两种。电流型a p f 直流侧大电感上始终有电流流 过，该电流将在大电感的内阻上产生较大的损耗，因此目前较多使用电压型 a p f l 6 1 删。随着超导储能技术的不断发展，今后可能会有更多电流型a p f 投入 使用。 图1 8 所示为并联型有源电力滤波器的基本补偿原理。由图1 1 可知，非线 性负载消耗的电流包括基波电流和谐波电流，负载消耗的谐波电流通过各种手段 检测出之后，可以产生一个与谐波成正比的信号。在电流控制模式下，通过直流 到交流的逆变，可以使有源电力滤波器向电网输送的电流恰好为负载所消耗的谐 波电流。则电网电流就可以成为正弦波并与电网电压同步。因此，有源电力滤波 器既可以补偿谐波电流，又可以对功率因数进行校正。由于有源电力滤波器是将 直流电压变换为交流电压，所以并联电压型有源滤波器中必须有储能的电容。逆 第一章绪论 变器的开关损耗以及电容的漏电，均会使得直流侧电容电压下降。电容上的电压 必须维持在某一个特定值才能很好地补偿谐波，通常，电容电压是靠变换器从电 网吸收实功来维持的。 i 一一。 非 线 性 负 载 图1 - 8 并联型有源电力滤波器的基本补偿原理 有源电力滤波器的主要缺点是，变换器要从电网吸收实功，所以其相应的控 制电路较复杂，无形中增加了其成本。然而，由于其本质上的自适应能力，当非 线性负载经常变化时，它却能提供最好的谐波补偿。所以，有源电力滤波器主要 应用在大功率且负载经常变化的用户，如：负载谐波较严重的工厂，或者应用在 变电站以及配电站。 2 单相无源功率因数校正技术 无源功率因数校正技术是在二极管整流器上附加额外的无源元件来进行校 正的。一个最简单的办法就是在二极管整流桥的直流侧附加电感。在假设直流侧 输出电压不变的情况下，理论上讲，最大的功率因数可以达到p f = 0 7 6 。另一 个比较好的无源功率因数校正方法就是利用谐波陷波滤波器。谐波陷波滤波器由 串联谐振网络组成，与交流侧电源并联，并将陷波器的谐振频率调整到需要消除 的谐波的频率【6 引。图1 - 9 所示是包括3 次谐波和5 次谐波两种次数的谐波的陷波 器。尽管陷波器增加了整个整流电路的复杂性，但是电网线电流的波形在很大程 度上得到了提高。 无源功率因数校正技术有很多优点，例如：简单、可靠、耐用、对噪声和浪 涌不敏感、不存在高频开关损耗等。但是它也有不少缺点，利用滤波原理的陷波 天津大学博士学位论文绪论 器增加了整流器的体积和重量。而且，其动态响应性能很差、不能进行电压调节、 输入电流的波形依赖于负载的大小【6 5 】。 ld 1 一 l d 2 c ； i u t 、 1 ：喜粪；：囊凳； jld 3 一ld 4 i 些浦! i 皆 古： 。 图1 9 含有陷波滤波器的整流器 3 单相有源功率因数校正技术 应用于二极管整流桥的单相有源功率因数校正技术可以分为两类：两级校正 方法和一级校正方法。 1 ) 两级校正方法 v 赡 r e c t i f i e r p f c 。s t a g e d c d co u t p u ts t a g e 图1 1 0 两级功率因数校正技术的一般结构 第一章绪论 两极校正方法得到了广泛的应用，在这种变换器中，采用前后两级有源功率 因数校正技术，使得线电流的相位跟踪线电压的相位，进一步达到提高输入功率 因数的目的。前级变换器将输入的交流电压转换为直流电压并将能量储存在一个 大的电容器中，后级变换器采用常规的d c d c 变换器，将储存在电容中的能量 转换为独立可调的输出电压1 6 6 。两级功率因数校正技术的一般结构如图1 1 0 所 示，各级都有自己独立的储能元件。前级的功率因数校正电路可以采用b o o s t ， b u c k b o o s t 或f l y b a c k 变换器。由于b o o s t 变换器的电感与输入线电压串联，所 以，输入电流的高频纹波小，且其输出滤波电容储能大，在整个直流电压变化范 围内可以保持较高的输入功率因数。因此，通常采用b o o s t 变换器作为前级。 l d 1 v b 。t r i r l ic b l l l s 7 t 、 ji li i i n ( t e e ) d p f c 叫p f ci v b h 卜一 一c o n t r o l l e r ( a ) 图1 1 1 典型的b o o s t p f c 电路 ( b ) 图1 1 2b o o s t 变换器中电感电流的几种工作模式： ( a ) d c m 模式；( b ) 临界断续导电模式；( c ) c c m 模式 ( c ) 图1 11 示出了两级变换器的前级典型的b o o s tp f c 电路，图1 1 2 示出 t 天津大学博士学位论文绪论 了b o o s t 变换器中电感电流的几种工作模式：电流断续模式( d i s c o n t i n u o u s c u r r e n tm o d e ，d c m ) 、临界断续导电模式( d c mb o u n d a r ym o d e ) 、电流连续模 式( c o n t i n u o u sc u r r e n tm o d e ，c c m ) 。从控制的角度来讲，工作在d c m 模式下 的p f c 的控制方法简单。驱动s 1 的开关信号的占空比固定、半波周期内的开关 频率固定、无需检测输入电压和电流【6 7 1 。所以这种工作模式的损耗较低，适用于 低功率的场合。d c mb o o s t 的缺点是存在很高的输入电感电流纹波，这将引起很 大的开关损耗以及电磁干扰( e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ，e m i ) 。工作在临界断 续导电模式下的p f c ，为了使电路中的电感工作在d c m 和c c m 的临界点，其 开关频率在一个半波周期内是变化纠6 8 1 。电感上的电流纹波峰值是平均输入电流 的两倍，而且变频率控制会在很大的频谱范围内产生电磁干扰【6 9 1 。工作在c c m 模式下的p f c ，其电流纹波及电磁干扰都会相对小一些，然而这种工作模式的控 制电路又很复杂【7 0 1 。 两级有源功率因数校正技术能够提供很高的功率因数，且工作性能稳定【6 6 1 。 但是，两级功率因数校正技术所需要的元器件较多，且费用较高；另外，由于前 级和后级的开关器件均需要控制( 图1 1 0 中的p f cc o n t r o l l e r 和d c d c c o n t r o l l e r ) ，所以其控制电路相对复杂。 2 )