功率因数校正技术

武宪文

（航天长峰朝阳电源有限公司辽宁朝阳122000）

摘要：消除电网谐波污染，提高功率因数是电力电子领域研究的一个重大且很有实际价值的课题。本文介绍了电网谐波污染问题和谐波抑制的方法；指出了功率因数校正的目的和意义；阐述了功率因数校正技术的发展概况、研究现状和未来的发展方向。

关键词：功率因数校正技术

一、功率因数技术解决的问题

防止电网的谐波污染有两种方法：一是采用无源滤波或有源滤波电路来旁路或补偿谐波，是被动的、治标的方法；另一种方法是改造电子设备本身，使其不产生谐波和无功，是主动的、治本的方法，这就是功率因数校正(PFC)。不同时期，人们对功率因数问题的理解有所不同。功率因数问题是用电设备对电网带来的影响问题。不同性质的问题，其解决思路和方法也有所不同。功率因数校正技术的发展过程就是对这一问题不断深入的认识和解决过程。

在进行功率因数校正之前，必须先弄清楚电网中的谐波源。电网中的谐波源有发电机、变压器、工业电弧炉、荧光灯、各种电力电子装置和各种开关电源。在电力电子装置大量应用之前，主要的谐波源是发电机和变压器，二者的谐波发生都是电磁转换中的非线性引起的。对于发电机可在设计的时候采取一些削弱谐波电动势的措施使之发出的电压中含有很少的谐波。对于变压器可以采用合理的铁心结构和绕组连接方式，使铁心工作于线性区等手段而减少其谐波。这些措施不属于功率因数校正范畴。

随着电力电子技术的发展，电力电子装置大量投入电网，迅速取代发电机和变压器，成为电网中主要的谐波源。在我国，一项调查显示：目前的大型企业中，几乎每家企业都有电网污染的现象。在现代通信设施使用集中的商务楼内，污染更为严重。电网污染还会随流动的电波而传染，造成大面积隐患，并有可能引发重大事故。

二、谐波和无功功率的危害及补偿技术

2.1谐波的危害

1、在电网设备中产生附加的谐波损耗，使功率因数降低从而降低电网和设备的效率。

2、谐波电流在输电线路阻抗上的压降会使用户端的电压波形产生严重的畸变，影响电气设备的正常工作，如使使电容器、电缆等过热，绝缘老化，寿命缩短，以致损坏。

3、对三相四线制电网，大量的三次谐波在中性线中叠加，发生中线过热甚至发生火灾。

4、引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，使谐波放大，加重了谐波的危害，甚至引起严重事故。

5、导致继电器保护和自动装置误动作，并使电气测量仪表计量不准确，影响计量精度。

6、对邻近通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，严重导致信息丢失，系统紊乱。

2.2谐波补偿技术

为了解决谐波污染问题，基本思想有两种：一是加装谐波补偿装置。二是对谐波源进行改造，使之不产生谐波。前面一种就是谐波补偿技术，包括LC无源滤波器和有源滤波器两种。

2.3无功功率的影响

1、增加设备容量：无功功率的增大，使总电流增大，以及视在功率的增大，从而使设备的容量、导线规格、相应的控制设备、测量仪表、保护装置的规格容量也增加。

2、增加设备和线路损耗：由于无功功率导致电流增大，设备和线路的损耗增加，电能的利用效率降低。

3、线路压降增大：由于线路阻抗的存在，大量的无功电流注入电网会引起电网电压下降。对冲击性无功负载还会引起电网电压剧烈波动，供电质量严重下降。

4、功率因数降低，设备容量利用少。

2.4无功功率补偿

由于无功功率会带来设备投资和运行费用的增加、能耗以及电网供电质量下降，无功功率补偿技术引起了人们的重视，这就是最初的功率因数补偿技术。

无功功率补偿的作用有：提高功率因数，降低设备容量，减小导线截面积，节约有色金属。降低电网线路损耗，节约电能，稳定电网电压，提高供电质量。

无功补偿技术主要有:同步调相机，并联电容器，静止无功补偿装置。

2.5PWM整流技术

PWM控制技术是首先在直流斩波电路和逆变电路中发展起来的技术。随着GTO晶闸管、IGBT等全控型器件的不断进步，PWM控制技术也逐渐丰富、成熟起来。目前空间矢量控制技术(SVPWM)已在交流变频调速，不间断电源中获得了非常广泛的应用。把逆变电路中的这种技术应用于整流电路中就形成了PWM整流电路。通过对PWM整流电路的适当控制，可以使网侧输入电流非常接近正弦波，且和网侧电压同相位，功率因数近似为1，这种整流电路就叫做单位功率因数整流器。该控制技术在相同的拓扑结构中适用于逆变电路，所以PWM整流电路还可以运行在有源逆变状态下，所以确切的说应当为PWM变流电路。

电力电子技术、控制技术、微处理器技术的不断发展促使了PWM整流器不断向前发展，可以归纳为以下几个趋势：

1、多功能化和智能化：传统电力电子器件只有开关功能，而现代电力电子器件品种增多，功能扩大使用范围拓宽，不但具有开关功能，有的还具有放大、调制、振荡以及逻辑运算等功能。

2、高频化：提高整流器的开关频率可以显著降低交流输入电流的谐波含量，由此降低对电网的谐波影响，同时，提高开关频率还可以降低电路中无源器件的体积和容量从而提高系统的整体性和可靠性。

、电路弱电化，数字化：全控型器件及其高频化的功能促进了电力电子的弱电化。随着微型计算机技术的发展，特别是DSP在电力电子系统中的应用日趋增多，使得电力电子从传统的模拟控制向数模混合控制以及全数字化控制的方向发展。数字化可以使控制系统软件化，并能实现复杂的控制算法。

国内目前的研究特点是集中于控制方法的实验研究，分析各参数与系统性能之间的关系，并找出改善电流跟踪性能、提高输入功率因数的方法，仿真和实验是主要手段，对于系统建模研究较少。三相高功率因数整流的研究正处于发展中，今后的方向是新的拓扑结构研究和新的控制策略研究。

2.6功率因数校正（PFC）技术发展方向

1、新拓扑结构的提出，基于已有拓扑的原理，或新原理下的新拓扑结构，比如磁放大器PFC技术等。

2、把DC/DC变换器中的新技术（如软开关技术和开关电容功率网络等）应用于PFC电路中。

3、新控制方法以及基于新拓扑的特殊控制方法的研究。一般来说，目前控制技术的研究日趋复杂，广泛使用的中小功率用电设备难以承受随之带来的成本增加。因此，对中小功率电器设备来说，控制简单的低成本功率因数校正电源是比较受欢迎的，而大功率电器设备则需要采用优良的控制技术构成高性能的功率因数校正电源。

4、单级PFC稳压开关变换器的稳定性的研究。采用单级结构后，由于PFC和DC/DC变换部分存在不可避免的相互联系，因此有必要研究这类变换器的稳定性，以便设计出达到期望性能指标的开关电源。

5、三相PFC的数字控制技术。PFC的模拟控制方法简单、直接,但控制电路的元器件比较多,电路适应性差,容易受噪声干扰,而且调试比较费力,若系统方案中应用模拟PFC芯片来实现APFC,则其PFC系统不便于与其它控制系统进行协调控制。而数字控制系统具有高度集成化的控制电路、精确的控制精度以及稳定的工作性能,随着数字控制技术的进一步发展及数字控制芯片（如DSP和复杂可编程逻辑器件CPLD）的出现，在PFC中使用数字控制技术已成为发展的趋势。PFC的数字化包括控制策略的数字化和PWM的数字化,数字控制技术、PFC技术、多电平变换技术是目前电力电子技术领域的研究热点。