现代电力电子在电力系统中的应用

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=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：sinUIQcosUIPSPPF§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：22PSQ1211111cos)(11coscoscosTHDIIUIUISPPF其中：II1，即基波电流有效值和总电流有效值之比，称为基波因数1cos称为基波功率因数。THD＝称为电流谐波总畸变率1121212vIII21nnII§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：1.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。2.设备和线路的损耗增加无功功率的增加，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。22QPUISRUQPP222RUQ22谐波和无功功率的危害无功功率的危害：3.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1.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。2.谐波影响各种电气设备的正常工作。比如谐波不仅使电机产生附加损耗，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。3.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。4.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。5.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：1.对电力电子装置本身进行改进，使其不产生谐波，且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。2.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(PowerFactorCorrection——PFC)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电路§3高功率因数电力电子装置3.1功率因数校正电路(PowerFactorCorrection——PFC)另一种无源PFC技术就是利用电容二极管网络构成的填谷(ValleyFill)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7.4ValleyFill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(PowerFactorCorrection——PFC)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）是抑制谐波电流、提高功率因数的有效方法，APFC主要用于DC／DC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。LDVEVREFVIN|sinωt|/K电压调节电流环乘法器脉冲形成及驱动绝对值放大电路VIN图7.5BOOST功率因数校正电路示意图IINKC§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Vin│sinωt│/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。LDVEVREFVIN|sinωt|/K电压调节电流环乘法器脉冲形成及驱动绝对值放大电路VIN图7.5BOOST功率因数校正电路示意图IINKC§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。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。电感电流交流电压图7.7电感电流与输入电压同相（功率因数接近1）§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（hysterisisband）。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。控制方法检测电流开关频率工作模式对噪声适用拓扑注电流峰值开关电流恒定CCM敏感Boost需斜率补偿电流滞环电感电流变频CCM敏感Boost需逻辑控制平均电流电感电流恒定任意不敏感任意需电流误差放大3.2.2有源