功率因数校正和谐波抑制、无功补偿装置

第三章有源功率因数校正、谐波抑制和无功补偿装置§3.1概述§3.4静止无功发生器（SVG）§3.3静止无功补偿装置（SVC）§3.5有源电力滤波器（APF）§3.2有源功率因数校正装置（APFC）§3.1概述一、谐波和无功功率的产生在用电负载中有很多阻感负载，阻感负载必须吸收无功功率才能工作；电力电子装置等非线性也要消耗无功功率；用电装置的非线性造成畸变电流；二、无功功率的影响和谐波的危害1、无功功率的影响（1）使设备容量增大，从而造成设备投资费用增大；（2）使设备及线路损耗增加；（3）引起供电点电压波动。2、谐波的危害（1）谐波使公用电网中的元件产生附加谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率；（2）谐波影响电器设备正常工作；（3）谐波会导致公用电网局部并联谐振和串联谐振，从而更放大了谐波，加剧了危害；（4）谐波导致自动装置误动作，使测量仪表不准确，干扰通信系统等。三、补偿无功、抑制谐波的途经1、提高用电设备自身的功率因数、减小谐波（1）增加整流电路相数，使网侧电流正弦化；（2）尽量使整流装置在较小的α下运行；（3）采用多重化技术波形迭加，消除低次谐波；（4）采用PWM整流器（5）采用DＣ／ＤＣ技术(功率因数校正技术)2、加补偿装置在电力系统中，常见的无功补偿装置有：（1）同步发电机调整励磁电流，使其在超前功率因数下运行，输出有功功率的同时输出无功功率。（2）同步调相机一种专门用来产生无功功率的同步电机，是一种不带机械负载的可以过励磁（经常的运行状态）或欠励磁（较少的运行状态）运行的同步电动机。（3）并联电容器可提供超前的无功功率，多装设于降压变电所内，也可就地补偿。（4）并联电抗用在超高压系统线路上吸收无功功率，防止末端电压升高。（5）静止无功补偿装置具有调相机的功能，使用广泛，但投资大。在电力系统中，常见的谐波抑制装置有：（1）LC滤波器;012R图2－19单调谐滤波器原理及阻抗频率特性（a）电路原理（b）阻抗频率特性CRLsnnZ5C5R5L7C7R7L11C11R11L1CRL2C图2-24在整流装置输入端附设有针对性的滤波器高通滤波器5次7次11次13次（2）有源电力滤波器本章主要介绍有源功率因数校正装置、适合于动态无功补偿的静止无功补偿装置和适合于动态无功补偿、谐波抑制的有源电力滤波器。§2.2有源功率因数校正装置(APFC)一、有源功率因数校正装置概述全控变流器半控变流器(a)(b)2－30单相桥式整流器及电压电流波形（a）单相桥式整流电路（b）全控整流波形（c）半控整流波形uddIii1T2T3T4TMuddIii1T2TM3D4Dtω0tω0iu,32dIui1i31T,T42T,TdidI31T,Ttω0iu,32udIi1i11T2T1T(c)相控整流器的输入电流1、APFC技术的基本思想有源功率因数校正装置图2-38APFC基本电路功率因数校正电路CDC/DCConverter控制电路~dudiiuiiRii将输入交流电压全波整流，再进行DC/DC变换。通过适当控制使输入电流自动跟随全波直流电压基准，且保持输出电压稳定，从而将输入电流校正成为与电网电压同相位的正弦波，消除了谐波和无功电流，实现稳压输出和单位输入功率因数。有源功率因数校正（ActivePowerFactorCorrection）电路，简称APFC，是指在传统的不控整流中融入有源器件，使得AC侧电流在一定程度上正弦化，从而减小装置的非线性、改善功率因数的一种高频整流电路。2、APFC的基本结构APFC的电路结构有双极式和单极式两种。双极式电路是由Boost变换器和DC/DC变换器级联而成，前级的Boost电路实现功率因数校正，后级的DC/DC变换器实现隔离和降压。双极式APFC电路的优点是每级电路可单独设计和控制。单极式APFC电路集功率因数校正、输出隔离和电压稳定于一体，结构简单、效率高，但分析和控制较复杂。有源功率因数校正装置图2-39有源功率因数校正的电路结构（a）双极式；（b）单极式CBoostConverter控制电路LR~DC/DCConverterC控制电路(a)CDC/DCConverter控制电路LR~(b)3、APFC的分类APFC的分类方法很多，常用的分类方法为：（1）按电源相数可分为：单相APFC和三相APFC三相AFFC又可分为三相单开关型和三相六开关型（2）按输出特性可分为：电压型和电流型（3）按控制方式可分为：直接电流控制和间接电流控制（幅值相位控制或电压控制）直接电流控制又可分为峰值电流控制、滞环电流控制和平均电流控制（三角载波控制）。二、单相有源功率因数校正装置1、控制目标在稳定输出电压的情况下，力求使经过整流后的电流与整流后的电压波形相同。RFIPWM形成电路采样和滤波乘法器iiiu~du1CLiLDTC++-ACALioICuoU图2-41APFC的控制原理0ULiARduU0U2、控制（工作）原理负载电压给定值Uo*和实际值Uo的差值ΔU经PI调节器A输出，并和整流器输出脉动电压ud同时作为乘法器的两个输入，构成电压外环——使U0稳定；乘法器的输出作为电流内环的给定电流iL*，因此iL*的幅值与ΔU和ud的幅值成正比，波形则与ud相同；反馈电流iL与给定电流iL*送入PWM形成电路产生PWM信号，作为开关管T的驱动信号。开关T导通时电感电流iL增加，开关管T截止时电感电流iL减小。实现iL跟踪iL*，波形与ud相同，从而使输入电流ii波形与输入电压ui波形相同。3、工作模式根据电感L的电流是否连续，主电路有三种工作模式：不连续导通模式DCM(DiscontinuousConductionmode)、连续导通模式CCM（ContinuousConductionMode)和连续与不连续边缘导通模式（CCM&DCM，临界连续）。有源功率因数校正装置工作模式的选择取决于校正器的功率等级，在几百瓦以内，三种工作模式都可以使用，五百瓦以上通常使用CCM和CCM&DCM，一千瓦以上使用CCM。在CCM模式下输入电流畸变小且易于滤波、开关管的电流应力也小，这意味着可以处理更大的功率并保持较高的效率。因此，通常采用CCM模式。4、CCM控制方法（1）直接电流控制①峰值电流控制方式控制原理：以电感电流的参考值iL*为峰值包络线，在电感电流实际值iL小于参考值iL*时，开关T一直导通，iL增大，当电感电流实际值iL增长到峰值时开关T截止，iL开始下降，在下一个开关周期开始时刻再次使开关T导通，如此进行周期性变化。特点：控制电路简单、电流动态响应快；电流畸变和开关管的电流应力较大；电流峰值与平均值之间的误差较大。采用峰值电流控制方式的专用集成电路：如MC34261、MC33261、SG3561、UC3852、TDA4817、ML4812、ML4819、TK84812、TK84819有源功率因数校正装置②电流滞环控制方式控制原理：在参考值iL*的上下两侧设一滞环带，当iL大于iL*的上限阀值时，开关T关断，iL下降；当iL小于iL*的下限阀值时，开关T导通，iL上升；如此周期性工作，使电感电流的实际值iL在iL*曲线上下摆动。特点：控制简单、电流动态响应快；开关频率不固定，滞环宽度对系统性能影响较大。有源功率因数校正装置③平均值电流控制（三角载波控制）方式控制原理：将电感电流参考值iL*与电感电流实际值iL的偏差经电流误差放大器（通常为PI调节器）放大后与三角载波相比较，其比较结果决定开关管的工作状态。特点：控制电路相对较复杂；电流畸变小开关管和电感的损耗较小。采用平均电流控制的典型集成器件：UC3854A/B、ML4821、TK83854有源功率因数校正装置（２）间接电流控制（电压控制）为简化分析问题，首先作如下假设：①开关频率远大于电网频率，在开关周期内电网的电压和电流保持不变，主电路工作在准稳定状态；②忽略电感电流在一个开关周期内的纹波，电路工作在CCM模式；③不考虑电路损耗。-+++-)(tu)(tuImu0UrefUsLRiCLKQ1RsR图2-44控制电路框图iiiu~duLDTCoIRdi()Li)(sAU10比较器驱动电路0U带复位积分器RRs为电流传感器的等效电阻①APFC的控制目标：)442(edLRuiRe—整流器负载侧的总等效电阻；—iL在一个开关周期内的平均值。Li有源功率因数校正装置根据boost电路的工作原理，在连续导电模式下有：-+++-)(tu)(tuImu0UrefUsLRiCLKQ1RsR图2-44控制电路框图iiiu~duLDTCoIRdi()Li)(sAU10比较器驱动电路0U带复位积分器RRs为电流传感器的等效电阻)452(edsLsRuRiR)462()1(duUdo将式（2-46）代入（2-45）得：)472()1(dRURiReosLs)482()1(duiRmLs)492(eosmRURu：式中有源功率因数校正装置②APFC的控制方程推导：-+++-)(tu)(tuImu0UrefUsLRiCLKQ1RsR图2-44控制电路框图iiiu~duLDTCoIRdi()Li)(sAU10比较器驱动电路0U带复位积分器RRs为电流传感器的等效电阻忽略电感电流的纹波，电感电流在一个开关周期的平均值可以用瞬时值来表示，即：LLii将上式代入式（2-48）并整理得APFC的控制方程：)502(ILsmmuiRudu右图为APFC的控制电路图。图中，AU(s)为电压误差放大器，积分器复位时钟CLK的频率等于开关频率，积分器的积分时间常数等于开关周期。有源功率因数校正装置因此APFC的控制目标可转换成在每一个开关周期中，使主开关管的占空比满足式（2-50）的条件。-+++-)(tu)(tuImu0UrefUsLRiCLKQ1RsR图2-44控制电路框图iiiu~duLDTCoIRdi()Li)(sAU10比较器驱动电路0U带复位积分器R③间接电流控制（电压控制）控制的控制原理：当复位时钟为低电平，积分器执行正常的积分，当复位时钟出现高电平时，积分器复位为零，随后复位时钟又变为低电平，积分器重新执行积分，周而复始；另一方面，当积分器的输出u+(t)u1时，比较器输出Q为高电平，当u+(t)u1时，比较器输出Q为低电平，比较器的输出经驱动电路后驱动主开关管工作。有源功率因数校正装置ttttCLKLisLmIRiuu)(tuuQsdTsT图2-44PWM调制控制工作波形-+++-)(tu)(tuImu0UrefUsLRiCLKQ1RsR图2-44控制电路框图iiiu~duLDTCoIRdi()Li)(sAU10比较器驱动电路0U带复位积分器RttttCLKLisLmIRiuu)(tuuQsdTsT图2-44PWM调制控制工作波形)512()(0tsmsmtTudTutu)522(1LsmiRuu)532(mLsmsuiRuTtd当u+(t)＝u1时比较器翻转，所以输出脉冲的占空比为：有源功率因数校正装置)502(ILsmmuiRudu式（2-53）所表示的占空比d必然满足式（2-50）的关系，可见用图2-44的控制电路，就能达到使其输入端电流与电压同相位、功率因数校正为1的目的。有源功率因数校正装置５、有源功率因数校正器的其它一些典型电路TTACACLCC(a)(b)图2-42功率因数校正电路的其他形式（a)buck-boost(b)flyback有源功率因数校正装置以上对单相功率因数校正器的工作原理做了简单的分析，但中大功率的电力电子设备在电网中占的比例很大，因此，依托高速数字处理器、数字控制研究和发展三相APFC成为APFC技术的重心和主流。三、三相有源功率因数校正装置四、有关APFC的主要研究课题1、新控制方法的研究如将混沌控制、解藕控制、模糊控