谐波与功率因数补偿.docx

谐波与功率因数补偿大量电力电子装置和非线性负载的广泛应用，使得电力系统电压及电流波形发生畸变，产生了大量的谐波，导致电源输入功率因数降低，对电网环境造成严重的污染，使用电设备所处环境恶化， 也对周围的通信系统和公共电网以外的设备带来危害。为了改善电网环境， 必须了解产生谐波污染的原因， 并对谐波进行有效的抑制，进行功率因数校正。谐波污染源公用电网中的谐波主要来自于发电机及输配电系统、电力电子装置及其他用电设备， 其中电力电子装置是最大的谐波源。( 1 ) 发电机及变压器的谐波发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称， 铁心也很难做到绝对均匀一致， 发电电源多少都会产生一些谐波， 但一般来说很少。输配电系统中主要是电力变压器产生谐波， 谐波电流是由励磁电路的非线性引起的。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高， 变压器工作点偏离线性越远， 谐波电流也就越大。 ( 2 ) 整流电路产生的谐波电力电子技术的发展， 使供电系统中增加了大量的非线性负载， 特别是静止变流器， 从低压小容量家用电器到高压大容量用的工业交、直流变换装置， 应用广泛。由于静止变换器是以开关方式工作的， 会引起电网电流、电压波形发生畸变， 使高次谐波显著增加。在各种电力电子装置中， 整流装置所占比例最大。常用的整流电路几乎都采用晶闸管相控整流或二极管整流电路， 其中以三相桥式和单相桥式整流电路为最多。对于阻感负载， 考虑在工程实际中， 往往不能满足理想条件要求， 例如当三相电压不对称， 三相交流侧电抗不相等时， 那么使得整流电路交流侧电流中既产生特征谐波， 又产生非特征谐波。当触发脉冲不对称时， 交流侧电流将包含直流分量、基波分量及全部奇次和偶次谐波分量，滞留分量将引起整流变压器的饱和，从而引起新的谐波， 因此产生了谐波污染和功率因数滞后。直流侧含有滤波电容的整流电路也是污染严重的谐波源， 其输入电流的谐波成分很大， 给电网造成严重污染。由直流电压源供电的逆变或斩波装置， 其直流电压源大多是由二极管整流后再经电容滤波得到的。随着这类装置的迅速普及， 如电压型变频装置、开关电源和不间断电源等，其对电网的谐波污染问题越来越突出。特别是数量巨大的民用负载， 带来的谐波污染问题非常严重。交流调压电路也是常见的电力电子电路， 分为移相控制和通断控制( 整周波控制) ，器件一般为晶闸管，在输入侧也会产生大量的谐波电流。(3)变频装置变频装置是一个严重的污染源。通用变频器的主电路一般由整流、滤波、逆变三部分组成。三相交流电源经全波整流后向滤波大电容充电， 只有交流电压幅值超过电容电压时， 才有充电电流流通；交流电压低于电容电压时，电流便中止，因此输入电流呈脉冲波形。它具有很高的谐波成分，其中5 、7 次谐波分量很大，几乎接近基波分量，对电源造成污染， 并干扰其他设备。变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，这类装置的功率一般较大， 随着变频调速的发展， 对电网造成的谐波也越来越多。 (4)用电设备用电设备如电弧炉、电焊机、变压器、电动机、荧光灯等非线性负载都会在电网中产生不同频率和幅值的高次谐波。如电弧炉、电石炉，由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料， 使得燃烧不稳定， 引起三相负荷不平衡， 产生谐波电流， 经变压器的三角形连接线圈而注入电网，其中主要是2 7 次的谐波，平均可达基波的8 % 2 0 % ， 最大可达4 5 % 。谐波的危害 谐波对公用电网的危害主要包括：1 ) 使公用电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低了发电、输变电设备的效率，大量的3 次谐波流过中性线时，会引起线路过热甚至发生火灾。2 ) 影响各种电气设备的正常工作， 除了引起附加损耗外， 还可使电动机产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热，绝缘老化，寿命缩短，以致损坏。3 ) 引起公用电网中局部并联和串联谐振， 从而使谐波放大， 使前述的危害大大增加， 甚至引起严重事故。4 ) 导致继电保护和自动装置误动作， 并使电气测量仪表计量不准确。5 ) 对邻近的通信系统产生干扰， 轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。谐波的抑制与功率因数校正方法 解决电力电子装置和其他谐波源的污染问题主要有两种方法： 一是采用无源滤波或有源滤波电路谐波来旁路或滤除谐波； 二是对电力电子装置本身进行改造， 使其补偿所产生的谐波， 采用功率校正电路，使其具有功率因数校正功能。1 . 功率因数校正原理：功率因数( P F ) 定义为有功功率P 与无功功率S 的比值， 即式中，I 1 是输入电流基波有效值； I R是电网电压有效值； 是输入电流的波形畸变因数；c o s 是基波电压和基波电流的位移因数。 因此可见，功率因数由 (输入电流的波形畸变因数) 和c o s (基波电压和基波电流的位移因数)决定。c o s 越小，则设备的无功功率越大，设备利用率越低，导线和变压器的损耗越大； 越小则设备的输入电流谐波分量越大， 造成电流波形畸变，对电网造成污染，使功率因数降低，严重时造成电子设备的损坏。因此对谐波的抑制就是对功率因数进行校正， 必须对电路采取措施， 使得输入电流波形接近于正弦波并且保持与输入电压同相位， 提高功率因数， 使其达到为1 的目标。 功率因数校正( P F C ) 技术主要分为无源P F C 和有源A P F C 。无源P F C 是采用无源元件来改善功率因数，减小电流谐波，方法简单但电路庞大笨重，有些场合无法适用，且功率因数一般能达到0 . 9 。有源A P F C 是将一个变换器串入整流滤波电路与D C / D C 变换器之间， 通过特殊的控制强迫输入电流跟随输入电压， 反馈输出电压使之稳定， 从而使D C / D C 变换器的输入事先预稳， 该方法设计易优化， 性能进一步提高， 因此应用广泛。A P F C 的基本原理框图如图1 所示。2 . 功率因数校正控制方法有源功率因数校正中， 按输入电流的工作模式又可分为C C M 模式和D C M 模式； 按拓扑结构可分为两级模式和单级模式。( 1 ) 按输入电流检测和控制方式分类根据电感电流是否连续，A P F C 有两种工作模式： 不连续导通模式D C M 和连续导通模式C C M 。一般认为， 采用电流连续导通方式可利于实现输入E M I 滤波电路小型化，并可使电流应力减小，实现高效率。 1 ) D C M 控制模式 D C M 控制又称电压跟踪方法，它是P F C 中简单而实用的一种控制方式。这类变换器工作在不连续导电模式， 开关管由输出电压误差信号控制， 开关周期为常数。由于峰值电感电流基本上正比于输入电压， 因此， 输入电流波形跟随输入电压波形变化。该控制方法的优点是： 电路简单， 不需要乘法器。 功率管实现零电流开通( Z C S ) 且不承受二极管的反向恢复电流。 输入电流自动跟踪电压且保持较小的电流畸变率。但是D C M 方式存在着以下两个主要问题： 由于电感电流不连续，造成电流纹波较大， 对滤波电路要求高。 开关管电流应力高， 在同等容量情况下， D C M 中开关器件通过的峰值电流是C C M 的两倍， 由此导致通态损耗增加，因此只适用于小功率的场合。2 ) C C M 控制模式 在C C M 模式控制中， 根据是否选取瞬态电感电流作为反馈量和被控制量，又可分为间接电流控制和直接电流控制两大类。直接电流控制的优点是电流瞬态特性好， 自身具有过流保护能力， 但需要检测瞬态电流， 控制电路复杂。间接电流控制的优点是结构简单， 开关机理清晰。 直接电流控制 直接电流控制是目前应用最多的控制方式， 它来源于D C / D C 变换器的电流控制模式。将输入电压信号与输出电压误差信号相乘后作为电流控制器的电流给定信号， 电流控制器控制输入电流按给定信号变化。根据控制器控制方式的不同， 较典型的控制方式有峰值电流控制( P C M C ) 、平均电流控制( A C M C ) 和滞环电流控制( H C C ) 等。与其他控制方式相比，平均电流控制具有电流总谐波畸变( T H D ) 和电磁干扰( E M I ) 小，对噪声不敏感，适用于大功率应用场合等优点，是目前P F C 中应用最多的一种控制方式。 间接电流控制 电流的控制也可以通过控制整流桥输入端电压的方式间接实现， 称为间电流控制或电压控制， 其是一种基于工频稳态的控制方法， 通过控制整流器输入端电压， 使其与电源电压保持一定的相位、幅值关系， 从而控制交流输入电流呈正弦波形， 且与电源电压保持同相位，使装置运行在单位功率因数状态。比较和分析C C M 和D C M 两种工作模式可以看出： C C M 的优点是输入和输出电流波动小， 故滤波容易； 开关的有效电流小，器件导通损耗小；适用于大功率场合。对于小于几百瓦的功率级，选择D C M 比较合适， D C M 的最大好处是二极管不存在反向恢复，因此不需要缓冲电路。按拓扑结构分类有源功率因数校正技术从结构上分为两级P F C 和单级P F C 。其中两级P F C 是目前普遍使用的比较成熟的P F C 技术。( 1 )两级功率因数校正目前研究的两级P F C 电路是由两级变换器组成： 第一级是P F C 变换器， 目的在于提高输入的功率数并抑制输入电流的高次谐波； 第二级为D C / D C 变换器， 目的在于调节输出以便与负载匹配。具体实现方式很多， 在通信用大功率开关整流器中主要采用的方法是在主电路输入整流和功率转换电路之间串入一个校正的环节( B o o s t P F C电路) 。典型的两级变换器的结构如图2 所示。由于两级分别有自己的控制环节， 所以电路有良好的性能。它具有功率因数高， 输入电流谐波含量低， 以及可对D C / D C 变换器进行优化设计等优点。但两级P F C 电路也有两个主要缺点： 一是由于有两套装置， 增加了器件的数目和成本；二是能量经两次转换，电源的效率也会有所降低。因此， 两级P F C 电路一般应用于功率较大的电路中。对于小功率的场合，由于成本及体积的限制，一般采用单级功率因数校正电路。( 2 )单级功率因数校正单级P F C 技术的基本思想是将有源P F C 变换器和D C / D C 变换器合二为一。两个变换器共用一套开关管和控制电路， 因此单级P F C 技术降低了成本，提高了效率，减小了电路的重量和体积。典型的单级P F C 变换器电路如图3 所示。单级P F C 电路具有许多优点： P F C 级和D C /D C 级共用一个开关管， 共用一套控制电路， 这就使得电路设计大为简捷， 降低了硬件成本； 变换中能提供任何选定的电压和电流比； 由于功率实现的是一次性变换， 所以能获得较高的效率和可靠性。单级P F C 电路正因为具有这些优良的性能而越来越得到广泛的研究和应用。但是与传统的两级式D C / D C 变换器相比， 单级P F C 变换器要承受更高的电压应力， 有更多的功率损耗。这个问题在开关频率较高时显得尤为突出。而且由于开关工作频率不断提高所带来的电磁干扰问题也日益严重， 显著影响了变换器工作的可靠性和频率的提高。单级功率因数校正方案中还存在储能电容电压过高的情况，