現(xiàn)代電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

現(xiàn)代電力電子在電力系統(tǒng)及

電能質(zhì)量控制中的應(yīng)用

—功率因數(shù)校正、無(wú)功功率補(bǔ)償及有源濾波

概述無(wú)功功率和諧波的產(chǎn)生高功率因數(shù)電力電子裝置無(wú)功補(bǔ)償和有源濾波§1概述在現(xiàn)代工業(yè)和日常生活中，電力電子裝置得到了廣泛的應(yīng)用。然而，電力電子裝置作為非線性負(fù)載越來(lái)越多地運(yùn)行在電網(wǎng)中，產(chǎn)生大量的無(wú)功和諧波，對(duì)電網(wǎng)造成很大的“污染”。如相控整流電路工作時(shí)基波電流落后于電網(wǎng)電壓，消耗大量的無(wú)功，另外還產(chǎn)生很大的諧波電流；二極管整流電路的基波電流和電網(wǎng)電壓相位大致相同，基波功率因數(shù)接近1，但卻產(chǎn)生很大的諧波電流，§1概述電動(dòng)機(jī)，變壓器，熒光燈等大部分工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中的用電負(fù)載都是感性負(fù)載，消耗大量無(wú)功功率。另外由于這些器件本身具有很突出的非線性特性，從而他們同時(shí)還是公用電網(wǎng)的主要諧波源。無(wú)功功率（平均功率為零）的危害主要表現(xiàn)在增加設(shè)備容量、設(shè)備和線路線損的增加和壓降的增大；另外諧波對(duì)控制系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)產(chǎn)生很大干擾?！?概述大量的諧波和無(wú)功功率，嚴(yán)重影響了電力電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。解決電力電子裝置的諧波污染和低功率因數(shù)問(wèn)題的基本手段有兩條：

第一，采用高功率因數(shù)電力電子裝置。無(wú)源=>有源，功率因數(shù)校正電路、PWM控制整流電路、雙PWM變頻器、矩陣式逆變器等都可以獲得很高的功率因數(shù)。第二種方法就是裝設(shè)補(bǔ)償裝置，以補(bǔ)償其諧波和無(wú)功功率。同步調(diào)相機(jī)=>TCR=>SVC=>SVG=>APF

§2無(wú)功功率和諧波的產(chǎn)生正弦電路的無(wú)功功率和功率因數(shù) 在正弦電路，線性負(fù)載的情況下，電路中的電壓和電流都是正弦的，電路的有功功率定義為：

電路的無(wú)功功率定義為：

定義有功功率和視在功率的比為功率因數(shù)PF： §2無(wú)功功率和諧波的產(chǎn)生非正弦電路的無(wú)功功率和功率因數(shù)視在功率和有功功率的意義沒(méi)有什么變化，而無(wú)功功率構(gòu)成較復(fù)雜。因此，可以定義為：功率因數(shù)定義為：其中：，即基波電流有效值和總電流有效值之比，稱為基波因數(shù) 稱為基波功率因數(shù)。THD＝稱為電流諧波總畸變率§2無(wú)功功率和諧波的產(chǎn)生諧波和無(wú)功功率的來(lái)源

感性負(fù)載 電動(dòng)機(jī)，變壓器，熒光燈等大部分工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中的用電負(fù)載都是感性負(fù)載，消耗大量無(wú)功功率。另外由于這些器件本身具有很突出的非線性特性，從而他們同時(shí)還是公用電網(wǎng)的主要諧波源。電力電子裝置 電力電子裝置的應(yīng)用日益廣泛，使得電力電子裝置成為一類大的諧波源。在電力電子裝置中，整流裝置占的比例最大。常用的相控整流電路工作時(shí)基波電流落后于電網(wǎng)電壓，消耗大量的無(wú)功，另外還產(chǎn)生很大的諧波電流。二極管整流電路的基波電流相位和電網(wǎng)電壓相位大致相同，基波功率因數(shù)接近1，但卻產(chǎn)生很大的諧波電流，從而也消耗一定的無(wú)功。諧波和無(wú)功功率的危害

無(wú)功功率的危害：增加設(shè)備容量根據(jù)公式： 無(wú)功功率的增加，會(huì)導(dǎo)致在有功功率不變的情況下，視在功率的增加和電流增大，從而使得電氣設(shè)備容量和導(dǎo)線容量的增加，相應(yīng)的起動(dòng)及控制設(shè)備，測(cè)量設(shè)備的規(guī)格也要增加。設(shè)備和線路的損耗增加 無(wú)功功率的增加，使得總電流增大，因而使設(shè)備和線路的損耗增加，線路電阻為R,則線路損耗為： 其中：這部分損耗就是無(wú)功功率引起的。諧波和無(wú)功功率的危害無(wú)功功率的危害：使線路和設(shè)備的壓降增大 有功功率的的波動(dòng)一般對(duì)電網(wǎng)電壓的影響較小,電網(wǎng)電壓的波動(dòng)主要是由無(wú)功功率的波動(dòng)引起的.無(wú)功功率的增加，使得線路的總電流增大，線路的(傳輸)壓降也將隨之增大，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量，變化快時(shí)甚至可能導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰。諧波和無(wú)功功率的危害諧波危害諧波使公用電網(wǎng)的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率，大量的3次諧波流過(guò)中性線時(shí)會(huì)使線路過(guò)熱甚至發(fā)生火災(zāi)。諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。比如諧波不僅使電機(jī)產(chǎn)生附加損耗，還使電機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過(guò)電壓，使變壓器、電容器等設(shè)備過(guò)熱、絕緣老化等危害。諧波引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，加重諧波的危害。導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作，使電氣測(cè)量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)確。諧波對(duì)控制系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，使通訊質(zhì)量下降或根本無(wú)法正常工作。諧波和無(wú)功功率的消除和補(bǔ)償

由于產(chǎn)生大量的諧波和無(wú)功功率，嚴(yán)重影響了電力電子技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，因此，消除諧波污染并提高功率因數(shù)，已成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)中的一個(gè)重大課題（解鈴還得系鈴人）。解決電力電子裝置的諧波污染和低功率因數(shù)問(wèn)題的基本手段有兩條：對(duì)電力電子裝置本身進(jìn)行改進(jìn)，使其不產(chǎn)生諧波，且具有較高的功率因數(shù)，單位功率因數(shù)變流器的功率因數(shù)甚至可以控制為1。裝設(shè)補(bǔ)償裝置，以補(bǔ)償其諧波和無(wú)功功率，各種類型的電力電子諧波源都可以用這個(gè)辦法補(bǔ)償?！?高功率因數(shù)電力電子裝置3.1功率因數(shù)校正電路(PowerFactorCorrection——PFC)功率因數(shù)校正電路從不同的角度考慮分類方法不同，從校正使用的元器件角度考慮，PFC技術(shù)主要分為無(wú)源PFC技術(shù)和有源PFC技術(shù)兩大類。無(wú)源功率因數(shù)校正利用電感電容組成濾波器，將輸入電流進(jìn)行相移及整形，下圖所示為一個(gè)最基本的無(wú)源功率因數(shù)校正電路，電感和電容組成一個(gè)無(wú)源濾波器，起到了一定的功率因數(shù)校正的作用。圖7.3最基本的無(wú)源PFC電路§3高功率因數(shù)電力電子裝置3.1功率因數(shù)校正電路(PowerFactorCorrection——PFC)另一種無(wú)源PFC技術(shù)就是利用電容二極管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的填谷(ValleyFill)方式PFC整流電路。當(dāng)輸入電壓高于電容C1和C2上的電壓和時(shí)，外輸入電壓將對(duì)兩個(gè)電容進(jìn)行充電；當(dāng)輸入電壓低于電容C1和C2上的電壓時(shí)，兩個(gè)電容則會(huì)進(jìn)入并聯(lián)放電狀態(tài)。在電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，由于電容和二極管網(wǎng)絡(luò)的串并聯(lián)特性，這種結(jié)構(gòu)增大了二極管的導(dǎo)通角，也就使輸入電流的波形得到改善。圖7.4ValleyFill方式PFC整流電路§3高功率因數(shù)電力電子裝置3.1功率因數(shù)校正電路(PowerFactorCorrection——PFC)有源功率因數(shù)校正（APFC）利用開(kāi)關(guān)器件、電感及控制電路構(gòu)成，PF可達(dá)0.99。從相數(shù)來(lái)看，有單相PFC和三相PFC。都是通過(guò)電流跟蹤電壓變化，提高功率因數(shù)，減小諧波損耗。單相PFC技術(shù)已經(jīng)比較成熟，三相PFC技術(shù)復(fù)雜，成本較高，現(xiàn)基本還處于研究推廣階段。從開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換技術(shù)來(lái)看，APFC又分為硬開(kāi)關(guān)PFC技術(shù)和軟開(kāi)關(guān)PFC技術(shù)兩大類。目前，硬開(kāi)關(guān)PFC技術(shù)在小功率場(chǎng)合的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，軟開(kāi)關(guān)PFC技術(shù)處在逐步應(yīng)用和研究當(dāng)中?！?高功率因數(shù)電力電子裝置3.2單相有源功率因數(shù)校正（APFC）技術(shù)

1有源功率因數(shù)校正的工作原理

有源功率因數(shù)校正（APFC）是抑制諧波電流、提高功率因數(shù)的有效方法，APFC主要用于DC／DC開(kāi)關(guān)變換器。目前使用最廣泛的是Boost型APFC？按PFC電路輸入電流檢測(cè)和控制方式，APFC電路又可分成：（1）CCM型：電感L電流連續(xù)。（2）DCM型：電感L電流不連續(xù)。本節(jié)以Boost型APFC為例說(shuō)明功率因數(shù)校正電路的基本工作原理?！?高功率因數(shù)電力電子裝置平均電流控制的CCM型BOOST功率因數(shù)校正電路基本形式如圖所示。圖中上半部主電路就是典型的BOOST升壓電路，其中L為升壓電感（或儲(chǔ)能電感），K為高頻開(kāi)關(guān)管，D為升壓整流二極管，C為濾波電容。當(dāng)開(kāi)關(guān)管K導(dǎo)通時(shí)，電源給電感L儲(chǔ)存能量，當(dāng)K關(guān)斷時(shí)電感L中的電勢(shì)和電源電壓經(jīng)升壓二極管D整流，同時(shí)給負(fù)載提供能量。因此，該電路是一個(gè)升壓電路，改變開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率或占空比可以改變輸出電壓。

LDVEVREFVIN|sinωt|/K電壓調(diào)節(jié)電流環(huán)乘法器脈沖形成及驅(qū)動(dòng)絕對(duì)值放大電路VIN圖7.5BOOST功率因數(shù)校正電路示意圖IINKC§3高功率因數(shù)電力電子裝置圖中所示的下半部分是控制電路?？刂齐娐返淖饔檬沟孟到y(tǒng)交流側(cè)的功率因數(shù)得以改善。功率因數(shù)校正的基本工作原理為：輸出電壓經(jīng)分壓后與參考電壓VREF比較，再經(jīng)電壓環(huán)調(diào)節(jié)器處理后得到VE，它與輸入電壓的衰減值Vin│sinωt│/K相乘得電流參考值，與輸入電流檢測(cè)值比較后經(jīng)電流環(huán)調(diào)節(jié)器輸出，進(jìn)入PWM發(fā)生器產(chǎn)生主開(kāi)關(guān)通斷控制信號(hào)。LDVEVREFVIN|sinωt|/K電壓調(diào)節(jié)電流環(huán)乘法器脈沖形成及驅(qū)動(dòng)絕對(duì)值放大電路VIN圖7.5BOOST功率因數(shù)校正電路示意圖IINKC§3高功率因數(shù)電力電子裝置因?yàn)榭刂菩盘?hào)是按占空比周期性變化的信號(hào)，所以得到的輸入電流波形可跟隨輸入電壓整流后的波形。開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)大于輸入電壓頻率時(shí)，輸入電流波形為與輸入電壓同相的正弦波形，功率因數(shù)接近于1。簡(jiǎn)單地說(shuō)，控制電路使高頻開(kāi)關(guān)K在整個(gè)交流輸入電壓期間不斷通斷，這樣在整個(gè)交流輸入電壓期間都有電流流過(guò)，輸入電流不再是一個(gè)尖峰電流，因此系統(tǒng)的功率因數(shù)大大提高。

電感電流交流電壓圖7.7電感電流與輸入電壓同相（功率因數(shù)接近1）§3高功率因數(shù)電力電子裝置3.2.2有源功率因數(shù)校正的控制方法

1常用的三種控制方法

常用的控制AC-DC開(kāi)關(guān)控制器實(shí)現(xiàn)APFC的方法基本上有三種，即電流峰值控制，電流滯環(huán)控制，以及平均電流控制。本節(jié)以Boost功率因數(shù)校正器的控制為例，說(shuō)明這三種方法的基本原理，假設(shè)工作模式為CCM。3.2.2有源功率因數(shù)校正的控制方法2電流峰值控制法電流基準(zhǔn)為雙半波正弦電壓，反饋為開(kāi)關(guān)管電流。令電感電流的峰值包絡(luò)線跟蹤輸入電壓Vdc的波形。使輸入電流與輸入電壓同相位，并接近正弦。電壓環(huán)由分壓器I/H，電壓誤差放大（補(bǔ)償）器VA，通過(guò)乘法器，電流比較器及驅(qū)動(dòng)器(圖中未畫出)等組成。因此，在保持輸入端功率因數(shù)接近1的同時(shí)，能保持輸出電壓穩(wěn)定。

電流峰值法控制的Boost功率因數(shù)較正器電路原理圖以及電感電流波形圖

3.2.2有源功率因數(shù)校正的控制方法2電流峰值控制法用峰值法控制時(shí)，最主要的問(wèn)題是：電感電流的峰值ip（它是控制的基準(zhǔn)）與高頻狀態(tài)平均值之間的誤差，在一定條件下相當(dāng)大，以致無(wú)法滿足使THD很小的條件。此外，峰值對(duì)噪聲相當(dāng)敏感。開(kāi)關(guān)管的電流？

電流峰值法控制的Boost功率因數(shù)較正器電路原理圖以及電感電流波形圖

3.2.2有源功率因數(shù)校正的控制方法

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電流滯環(huán)控制法電流滯環(huán)法控制與峰值法控制的差別只是：前者檢測(cè)的電流是電感電流；并且控制電路中多了一個(gè)滯環(huán)邏輯控制器。邏輯控制器的特征，和繼電器特征一樣，有一個(gè)電流滯環(huán)帶（hysterisisband）。

滯環(huán)法控制的Boost功率因數(shù)校正器電路原理圖以及電感電流波形圖

3.2.2有源功率因數(shù)校正的控制方法

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電流滯環(huán)控制法電流滯環(huán)控制法的主要缺點(diǎn)是：負(fù)載大小對(duì)開(kāi)關(guān)頻率影響甚大，由于開(kāi)關(guān)頻率變化幅度大，設(shè)計(jì)輸出濾波器時(shí)，要按最低開(kāi)關(guān)頻率考慮。因此，不可能得到體積和重量最小的設(shè)計(jì)。滯環(huán)法控制的Boost功率因數(shù)校正器電路原理圖以及電感電流波形圖

3.2.2有源功率因數(shù)校正的控制方法

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平均電流控制法平均電流控制的特點(diǎn)是：輸入電流信號(hào)被直接檢測(cè)，與基準(zhǔn)電流比較后，其高頻分量（例如100kHz）的變化，通過(guò)電流誤差放大器，被平均化處理；工頻電流的峰值是高頻電流的平均值，因而高頻電流的峰值比工頻電流的峰值更高。但電感電流峰值與平均值之間的誤差小，因此THD很??；原則上可以適合任意拓?fù)?，任意支路的電流；如：除了可檢測(cè)Boost變換器的輸入電流外，也可以檢測(cè)buck，flyback變換器的輸入電流，或Boost，F(xiàn)lyback變換器的輸出電流等。并且兩種工作模式CCM和DCM都可以用。平均電流控制的Boost功率因數(shù)校正器電路原理圖以及電感電流波形圖

§3高功率因數(shù)電力電子裝置3.2.2有源功率因數(shù)校正的控制方法

1常用的三種控制方法比較

這三種方法的基本特點(diǎn)如下表?？刂品椒z測(cè)電流開(kāi)關(guān)頻率工作模式對(duì)噪聲適用拓?fù)渥㈦娏鞣逯甸_(kāi)關(guān)電流恒定CCM敏感Boost需斜率補(bǔ)償電流滯環(huán)電感電流變頻CCM敏感Boost需邏輯控制平均電流電感電流恒定任意不敏感任意需電流誤差放大3.2.2有源功率因數(shù)校正的控制方法

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PFC集成控制電路

現(xiàn)在的PFC的控制電路已集成化。單相有源功率因數(shù)校正技術(shù)發(fā)展很快，Unitrode，Motorola等公司相繼推出了各種有源功率因數(shù)校正芯片，如UC3852、UC3854、UC3855、MC34261等。目前，這一技術(shù)在中小功率開(kāi)關(guān)電源、不間斷電源（UPS）、電子整流器等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。另外，把多電平變換技術(shù)以及軟開(kāi)關(guān)技術(shù)應(yīng)用于APFC電路是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。UC3853LVDV應(yīng)用UC3853的APFC電路圖3.2.2有源功率因數(shù)校正的控制方法5

PFC集成控制電路

DCM方法又稱電壓跟蹤技術(shù)，沒(méi)有電流調(diào)節(jié)環(huán)，輸入電流自動(dòng)跟蹤電源電壓；功率管實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)通，且不承受二極管反向恢復(fù)電流；具有電路簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但存在以下缺點(diǎn)：（1）功率因數(shù)與輸入電壓Ui和輸出電壓Uo的比Ui／Uo有關(guān)。當(dāng)Ui

變化時(shí)，功率因數(shù)也將發(fā)生變化。同時(shí)輸入電流波形隨Ui／Uo的變化而變化。（2）開(kāi)關(guān)峰值電流大（同樣條件下，DCM中通過(guò)開(kāi)關(guān)器件的峰值電流是CCM的兩倍），開(kāi)關(guān)損耗增加。在大功率電路中，常采用CCM方式。電感電流交流電壓平均電流應(yīng)用UC3853的電感電流斷續(xù)導(dǎo)通示意圖

3.3三相有源功率因數(shù)校正（APFC）技術(shù)1引言

根據(jù)電路的輸入電壓的不同，功率因數(shù)校正電路主要分單相和三相兩大類。單相功率因數(shù)校正電路目前在拓?fù)浜涂刂品矫嬉严喈?dāng)成熟。在中高功率等級(jí)的功率因數(shù)校正電路中，三相電路應(yīng)用極為廣泛，是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，但工作機(jī)理比較復(fù)雜。三相功率因數(shù)校正電路（PFC）與單相PFC相比，具有許多優(yōu)點(diǎn)：輸入功率高；不存在單相輸入(有中線)電路具有的因中線3次諧波電流過(guò)大而燒毀中線的危險(xiǎn)；主電路由三相三線制供電(無(wú)中線)，無(wú)中線電流，無(wú)3次諧波及3的倍數(shù)次的零序諧波電流，故不存在這些諧波電流所產(chǎn)生的波形畸變和干擾。

§3高功率因數(shù)電力電子裝置3.3三相有源功率因數(shù)校正（APFC）技術(shù)

從校正使用的元器件角度考慮，三相功率因數(shù)校正電路有兩種方案：三相無(wú)源PFC方案和采用高頻開(kāi)關(guān)的有源三相PFC方案。

前者常用的是具有適量濾波電感的三相橋式整流電路，電路簡(jiǎn)單、可靠和效率高，功率因數(shù)能達(dá)到0.92，但仍不能滿足目前越來(lái)越高的要求。后者又分為兩級(jí)和單級(jí)控制方式，兩級(jí)控制方式通過(guò)兩個(gè)電力電子電路串級(jí)運(yùn)行，在DC-DC開(kāi)關(guān)變換器前加一級(jí)前置功率因數(shù)校正器，由功率因數(shù)校正器控制輸入電流波形，并提供一個(gè)初步變換的輸出電壓，用第二級(jí)DC－DC變換器作負(fù)載調(diào)整?！?高功率因數(shù)電力電子裝置3.3三相有源功率因數(shù)校正（APFC）技術(shù)2三相單管PFC拓?fù)?/p>

用單管實(shí)現(xiàn)三相交流電源的功率因數(shù)校正，主電路簡(jiǎn)潔，控制電路簡(jiǎn)單,可輸出穩(wěn)定的直流電壓，可減小后級(jí)DC-DC變換器的變壓器電壓余量，提高后級(jí)的效率,尤其適用于較小功率應(yīng)用,具有很大的市場(chǎng)前景。但技術(shù)尚未完全成熟，是當(dāng)前的研究重點(diǎn)。

三相單管PFC按輸入類型可分3種型式。（1）電感輸入型三相PFC如圖所示三相Boost升壓型功率因數(shù)校正電路，是單相Boost功率因數(shù)校正電路在三相的延伸。將單相Boost功率因數(shù)校正電路的直流電感L從整流橋直流側(cè)移到交流側(cè)各相，變?yōu)榻涣麟姼小?/p>

電感輸入型三相PFC3.3三相有源功率因數(shù)校正（APFC）技術(shù)（1）電感輸入型三相PFC

當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，直流側(cè)整流橋被短路，三相電感均處于儲(chǔ)能狀態(tài)，各相電流絕對(duì)值增大，其增大斜率與當(dāng)時(shí)交流相電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值成正比。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，二極管導(dǎo)通，各相電感中儲(chǔ)存的能量連同交流電源一同向直流側(cè)負(fù)載供電，各相的電流絕對(duì)值減小。其減小的斜率和直流電壓的大小、各相電壓瞬時(shí)值以及整流橋的導(dǎo)通路徑有關(guān)。

S導(dǎo)通期間的等效電路圖

3.3三相有源功率因數(shù)校正（APFC）技術(shù)（1）電感輸入型三相PFC

電路工作在DCM下，Boost二極管不存在反向恢復(fù)問(wèn)題，反向恢復(fù)損耗小，系統(tǒng)成本較低；但要控制三相電流均為正弦波且和電壓同相位比較困難，難以兼顧三相電流。三相單開(kāi)關(guān)PFC整流電路固有問(wèn)題的根本原因是三相電壓之間的耦合。為了達(dá)到最好的功率因數(shù)校正效果，必須對(duì)三相電壓解耦。因此對(duì)這一點(diǎn)路的研究主要集中在如何在電感電流斷續(xù)模式下減小諧波電流，提高功率因數(shù)。

三相電感電流波形圖

3.3三相有源功率因數(shù)校正（APFC）技術(shù)（1）電感輸入型三相PFC該電路的另一個(gè)問(wèn)題是引入低次諧波，其中5次和7次諧波都超過(guò)了IEC標(biāo)準(zhǔn)。一個(gè)改進(jìn)的辦法是在主管的控制中注入六次諧波。這樣做的效果是使5次諧波減小，7次諧波增大，但兩者在10kW以下均滿足IEC標(biāo)準(zhǔn)。此外，為了減小開(kāi)關(guān)損耗，提高開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)而減小輸入濾波器，減小EMI等，還可以采用三相單開(kāi)關(guān)PFC電路軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，即三相單開(kāi)關(guān)ZCTBoost型PFC。

三相單開(kāi)關(guān)PFCZCT軟開(kāi)關(guān)電路

2三相單管PFC拓?fù)洌?）電容輸入型三相PFC

電容輸入型三相PFC可認(rèn)為是電感輸入型PFC的對(duì)偶電路，它可以減小輸出電壓，適用于輸出電壓低于輸入電壓的場(chǎng)合。與電感輸入型三相PFC不同之處在于，輸入功率因數(shù)和THD依賴于輸出電流。輸出電流越大，THD越小，功率因數(shù)越高。缺點(diǎn)：輸入電流諧波取決于負(fù)載，負(fù)載電流越小，功率因數(shù)越低，THD越大；對(duì)電容C要求較高，體積、價(jià)格代價(jià)太大。電容輸入型PFC中開(kāi)關(guān)工作在高電壓、大電流方式，工作條件差。電容輸入型三相PFC2三相單管PFC拓?fù)?/p>

（3）Buck-Boost輸入型三相PFC可以認(rèn)為是反激式單相PFC在三相中的延伸。當(dāng)開(kāi)關(guān)開(kāi)通時(shí)，電感電流線性上升，峰值和平均值正比于相電壓；開(kāi)關(guān)關(guān)斷，電感電能通過(guò)變壓器副邊向負(fù)載釋放，輸入平均電流為正弦，功率因數(shù)為1，儲(chǔ)能電容電壓低于boost型PFC，適合應(yīng)用在小功率范圍。3單相PFC電路組合方式（1）輸出端直接并聯(lián)：三個(gè)單相PFC直接并聯(lián)輸出，PFC采用CCM的控制方式，并使用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。優(yōu)點(diǎn)是輸出電容由三個(gè)單相變換器共享，在平衡狀態(tài)，其上的低頻紋波很小，因此可以采用快速的電壓調(diào)節(jié)方式，而不會(huì)引起輸入電流的畸變，動(dòng)態(tài)性能較好。但三相之間存在耦合問(wèn)題，致使各相模塊的輸入輸出電流不相同。3單相PFC電路組合方式

（2）輸出經(jīng)變壓器隔離后并聯(lián)：變壓器隔離的并聯(lián)方式，則不存在這種耦合問(wèn)題。近期有關(guān)于輸出經(jīng)變壓器隔離連接的研究認(rèn)為：試驗(yàn)功率等級(jí)不大；如果向較大功率級(jí)發(fā)展，則變壓器的投資比較昂貴；整體說(shuō)來(lái)，目前采用單相PFC電路組合這種方法實(shí)現(xiàn)三相PFC的比較少，主要是向負(fù)載供電時(shí)的耦合問(wèn)題難以解決，如果能解決好各相間的耦合干擾問(wèn)題，則在工業(yè)應(yīng)用中有比較大的吸引力。4多開(kāi)關(guān)三相PFC拓?fù)?/p>

包括三開(kāi)關(guān)管和六開(kāi)關(guān)管兩種。如圖所示為三相三開(kāi)關(guān)PFC電路。開(kāi)關(guān)S1,S2,S3是雙向開(kāi)關(guān)。由于電路的對(duì)稱性，電容中點(diǎn)電位Vn與電網(wǎng)中點(diǎn)的電位近似相同，因而通過(guò)雙向開(kāi)關(guān)Sl,S2,S3可分別控制對(duì)應(yīng)相上的電流。工作原理：開(kāi)關(guān)合上時(shí)對(duì)應(yīng)相上的電流幅值增大，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)對(duì)應(yīng)橋臂上的二極管導(dǎo)通(電流為正時(shí)，上臂二極管導(dǎo)通；電流為負(fù)時(shí)，下臂二極管導(dǎo)通)，在輸出電壓的作用下Boost電感上的電流減小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制。該電路可分解為三個(gè)Boost電路，三相完全解耦。三相三開(kāi)關(guān)PFC電路4多開(kāi)關(guān)三相PFC拓?fù)?/p>

該電路工作于低頻下顯著特點(diǎn)是:無(wú)需快速器件，成本低；不需要中線，無(wú)三次諧波；滿載時(shí)功率因數(shù)很高；開(kāi)關(guān)應(yīng)力小，關(guān)斷壓降低;但輕載時(shí)特性較差，所以特別適合于對(duì)設(shè)備體積要求不高、負(fù)載變化不大的場(chǎng)合。如果上面電路中的雙向開(kāi)關(guān)用一只全控器件與四只整流二極管組成的整流橋相聯(lián)接構(gòu)成的雙向開(kāi)關(guān)來(lái)代替，如下圖所示，就形成了J.W.Kolar等提出的Vienna電路.用一個(gè)全控器件和四個(gè)整流二極管組成的開(kāi)關(guān)單元4多開(kāi)關(guān)三相PFC拓?fù)?/p>

Vienna電路的優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，每相僅需一個(gè)功率開(kāi)關(guān);由于該電路具有三電平特性，減小了諧波，濾波負(fù)擔(dān)輕;不需要中線，無(wú)三次諧波；滿載時(shí)功率因數(shù)很高；開(kāi)關(guān)率力小，關(guān)斷壓降低，開(kāi)關(guān)損耗低；具有高的功率體積比或高功率重量比；與六開(kāi)關(guān)全橋PFC整流電路相比開(kāi)關(guān)管利用率高，高的運(yùn)行可靠性，不存在開(kāi)關(guān)直通問(wèn)題。

缺點(diǎn)是:功率不能雙向流動(dòng)；每個(gè)橋臂要使用六只二極管，其中有兩只為快速恢復(fù)二極管，二極管數(shù)目多。六開(kāi)關(guān)管輸入級(jí)采用三相橋式PFC方案，在6個(gè)橋臂上都有大功率高頻開(kāi)關(guān)器件（如MOSFET、IGBT等）。優(yōu)點(diǎn)是控制靈活，交流輸入側(cè)功率因數(shù)高，滿載可達(dá)0.99。缺點(diǎn)：高頻開(kāi)關(guān)器件多，控制電路復(fù)雜，后面詳細(xì)講。目前，對(duì)三相PFC的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：（1）新穎的三相PFC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究；（2）軟開(kāi)關(guān)技術(shù)在三相PFC電路中的應(yīng)用；（3）單管方式中各種新電路拓?fù)湟约败涢_(kāi)關(guān)技術(shù)的研究。（4）三電平、交錯(cuò)并聯(lián)等技術(shù)以減小輸入諧波和EMI濾波器的研究；由于三相PFC技術(shù)仍處于不成熟階段，許多公司和實(shí)驗(yàn)室投入了大量的物力和人力，力圖從電路結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)上取得新突破，以便找到一種成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、具有軟開(kāi)關(guān)性能、響應(yīng)速度快、輸出電壓動(dòng)態(tài)范圍寬的新型三相功率因數(shù)校正電路。3.4 PWM控制整流電路1引言

目前，大量AC-DC整流電源應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中去。在AC-DC-AC電壓型變頻器的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的整流方式通常采用不控整流或相控整流方式，并假定中間的直流電壓是固定不變的，逆變側(cè)使用脈寬調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生變頻、變幅的輸出交流電壓，控制交流電機(jī)。近年來(lái)，隨著IGBT、IGCT等全控器件的不斷進(jìn)步，PWM技術(shù)已十分成熟。把逆變電路的SPWM技術(shù)用于整流電路，就形成了PWM整流電路。通過(guò)控制整流橋臂上各開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，使電路的輸入電流近似為正弦，并且使其與輸入電壓同相位，具有功率因數(shù)高，輸出電壓紋波小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)，這種整流電路可以稱為單位功率因數(shù)變流器。§3高功率因數(shù)電力電子裝置3.4PWM控制整流電路2 PWM整流器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

PWM整流器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)根據(jù)輸出特性可劃分為電壓型與電流型兩種；根據(jù)電源相數(shù)可劃分為單相半橋（？）、單相全橋和三相全橋三種；此外，還有三電平三相PWM整流電路等。這類電路的特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。

（1）單相全橋電壓型PWM整流器

通過(guò)控制整流器交流側(cè)基波電壓的幅值和相位即可控制整流器功率流向和功率因數(shù)角。這說(shuō)明PWM整流電路在單位功率因數(shù)下既可以運(yùn)行在整流狀態(tài)，也可以運(yùn)行在逆變（再生）狀態(tài)，使能量回饋電網(wǎng)。（1）單相全橋電壓型PWM整流器

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UNαUANURULαINUNURUANUL整流器單位功率因數(shù)向量圖整流運(yùn)行逆變運(yùn)行3.4PWM控制整流電路2 PWM整流器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理（2）三相全橋電壓型PWM整流器

三相ＰＷＭ整流電路主要結(jié)構(gòu)如圖所示。同單相橋式一樣，通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)K1，K2，K3，K4，K5，K6進(jìn)行控制，在ＰＷＭ整流電路的交流輸入端Ａ、Ｂ、Ｃ之間產(chǎn)生一個(gè)正弦波調(diào)制三相ＰＷＭ電壓電路工作在整流狀態(tài)，且輸入功率因數(shù)可為1。3.4PWM控制整流電路2 PWM整流器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理（3）三電平PWM整流器

三電平PWM整流器的工作原理本質(zhì)在于通過(guò)k1j～k4j(j=a，b，c)的優(yōu)化，使得交流AC側(cè)線電流正弦化，功率因數(shù)接近于1。同時(shí)保證直流側(cè)輸出電壓Vdc保持平衡，并且系統(tǒng)能工作在再生狀態(tài)將能量從直流側(cè)反饋到電網(wǎng)中去。3.4PWM控制整流電路3電壓型PWM整流器的通用數(shù)學(xué)模型

為了便于分析整流器，畫出整流器等值電路如圖所示。當(dāng)EL<Ud時(shí)，整流器工作在整流狀態(tài)，當(dāng)EL>Ud時(shí)，整流器工作在再生狀態(tài)。由上圖可得PWM整流器的通用數(shù)學(xué)模型3.4PWM控制整流電路3電壓型PWM整流器的通用數(shù)學(xué)模型

在公式中，沒(méi)有對(duì)開(kāi)關(guān)函數(shù)di進(jìn)行任何限制，所以該數(shù)學(xué)模型是一般形式，可以普遍的用于各種PWM開(kāi)關(guān)方案，如果開(kāi)關(guān)函數(shù)di被明確定義，就可以在任何時(shí)刻從上述方程求出一個(gè)確切的解.E=(VE1VE2VE3EL)TX=(I1I2I3Ud)T3.4PWM控制整流電路4

PWM整流電路的控制方法

控制技術(shù)是PWM整流器發(fā)展的關(guān)鍵，根據(jù)是否直接選取瞬態(tài)電流作為反饋和被控制量，PWM整流器的控制分為直接電流控制和間接電流控制兩種。引入交流電流反饋的稱為直接電流控制；沒(méi)有引入交流電流反饋的稱為間接電流控制。這些控制方案均可實(shí)現(xiàn)控制功率因數(shù)和輸入電流波形的穩(wěn)態(tài)作用，但他們的實(shí)現(xiàn)方法不同，動(dòng)態(tài)響應(yīng)不同，PWM模式不同，同時(shí)也就含有不同的諧波分量。（1）直接電流控制

直接電流控制是一種通過(guò)對(duì)交流電流的直接控制而使其跟蹤給定電流信號(hào)的控制方法。其控制方式主要有滯環(huán)電流控制(HCC)、預(yù)測(cè)電流直接控制(PICC)及非線性載波控制(NLC)等方式。

a、滯環(huán)電流控制

b、預(yù)測(cè)電流直接控制（根據(jù)負(fù)載情況）c、非線性載波控制（不檢測(cè)輸入電壓）3.4PWM控制整流電路4

PWM整流電路的控制方法

（2）間接電流控制間接電流控制也稱相位幅值控制，是一種基于工頻穩(wěn)態(tài)的控制方法。它通過(guò)控制整流橋交流輸入端的電壓，使得交流側(cè)輸入電流與電壓同相位，從而使功率因數(shù)為1，其控制方式常用的有移相SPWM控制、電壓空間矢量調(diào)制方式等。a、SPWM控制（三角波比較）b、電壓空間矢量PWM方式c、單周期控制（one-cycle）

3.5雙PWM變頻器1引言在變頻調(diào)速領(lǐng)域,采用單PWM技術(shù)的普通變頻器,其整流部分大多都采用不可控整流方式,但這種單PWM變頻器存在功率因數(shù)低、網(wǎng)側(cè)諧波污染嚴(yán)重、無(wú)法實(shí)現(xiàn)能量的再生利用等缺點(diǎn),對(duì)于要求不太高的場(chǎng)合,可以通過(guò)功率因數(shù)補(bǔ)償器或增加其它外圍設(shè)備來(lái)提高功率因數(shù)、減小諧波、使能量能夠再生利用。隨著電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的飛速發(fā)展,PWM整流技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

§3高功率因數(shù)電力電子裝置3.5雙PWM變頻器2工作原理在交－直－交變頻調(diào)速系統(tǒng)中，整流器和逆變器均采用PWM技術(shù)，稱為雙PWM變頻調(diào)速。圖為三相電壓型雙PWM變頻器主電路。主電路由進(jìn)線電抗器、整流器、中間儲(chǔ)能電容器、逆變器和電機(jī)組成。

兩種工作模式：(1)能量由三相交流電網(wǎng)流向電動(dòng)機(jī)負(fù)載(2)電動(dòng)機(jī)再生能量饋入三相交流電網(wǎng)

雙PWM變頻器可實(shí)現(xiàn)1）再生能量向電網(wǎng)回饋，可實(shí)現(xiàn)功率雙向流動(dòng)；2)采用PWM整流技術(shù)，它直接對(duì)整流橋上各電力電子器件進(jìn)行正弦PWM控制，使得輸入電流接近正弦波，其相位與電源相電壓相位相同。使功率因數(shù)接近1，減少對(duì)電網(wǎng)的公害；3）雙PWM具有輸入電壓、電流頻率固定，波形均為正弦，功率因數(shù)接近1，輸出電壓、電流頻率可變，電流波形也為正弦的特點(diǎn)。雙PWM變頻器在需要頻繁可逆、快速制動(dòng)的場(chǎng)合，如電力牽引，軋鋼、電梯等領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。缺點(diǎn)：由于開(kāi)關(guān)元件的增多，而使得成本提高、控制復(fù)雜；因有大電容（或大電感）而使得體積大、成本高。

3.5雙PWM變頻器

雙PWM變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖3.6矩陣式逆變器隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，交直交變頻裝置在傳動(dòng)系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，其調(diào)速性能優(yōu)異，節(jié)能效果顯著。但是由于采用了開(kāi)關(guān)功率器件，交直交變頻裝置也存在一些固有的缺陷，如：開(kāi)關(guān)功率元件數(shù)量過(guò)多、輸出頻率低、功率因數(shù)低等。因此研究高效率、高功率密度、高功率因數(shù)、大容量、而且成本較低的電能變換技術(shù)已成為當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)。除雙PWM變頻裝置之外，矩陣式變換器技術(shù)也是一種有效而可行的解決方案。

§3高功率因數(shù)電力電子裝置矩陣式逆變器是一種直接變頻電路，即不通過(guò)中間的直流環(huán)節(jié)，直接將一種頻率的交流電變成另一種頻率的交流電，其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖所示。所用的開(kāi)關(guān)器件是全控型的，要求具有雙向?qū)ê碗p向阻斷功能。3.6矩陣式逆變器

矩陣變換器的發(fā)展歷程

1976年L.Gyugi和B.Pelly提出矩陣變換器和雙向開(kāi)關(guān)的概念；1980年M.Venturini和A.Alesina提出用晶體管構(gòu)成雙向開(kāi)關(guān)的方案并實(shí)現(xiàn)矩陣變換器樣機(jī)，同時(shí)提出一種矩陣變換器的調(diào)制算法-直接傳遞函數(shù)法；1983年J.Rodriguez提出“虛擬直流環(huán)節(jié)”概念和“間接傳遞函數(shù)”調(diào)制方法；1989年至1995年L.Huber和D.Borojevic發(fā)表了一系列矩陣變換器的研究結(jié)果，將間接傳遞函數(shù)法和空間矢量調(diào)制的概念用于矩陣變換器的控制，取得了令人滿意的效果；矩陣變換器的發(fā)展歷程

1992年C.L.Neft和C.D.Schauder驗(yàn)證了矩陣變換器可以用于異步電機(jī)的矢量控制，并可以得到較高質(zhì)量的輸入輸出電流波形；1996年和1998年，T.Matsuo等人對(duì)采用矢量控制方法的矩陣變換器-異步電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，得到了一系列有價(jià)值的結(jié)果；1998年，D.Casadei等人首次將直接轉(zhuǎn)矩控制法應(yīng)用于對(duì)矩陣變換器的控制并取得了成功；2001年和2002年，C.Klumpper和P.W.Wheeler分別在各自的矩陣變換器樣機(jī)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)異步電機(jī)的矢量控制； 矩陣式逆變器由9個(gè)開(kāi)關(guān)組成3X3矩陣，其中每個(gè)開(kāi)關(guān)都是雙向可控開(kāi)關(guān)。為保證輸入電源不短路，輸出不斷路，任一時(shí)刻一行元器件有且只有一個(gè)器件導(dǎo)通。下圖所示為兩種雙向可控開(kāi)關(guān)單元的實(shí)現(xiàn)。

矩陣式逆變器的優(yōu)點(diǎn)是：中間無(wú)儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，輸入電流可控制為正弦波，且 和電壓同相，功率因數(shù)為1，也可控制為需要的其它功率因數(shù)；輸 出電壓也為正弦波，頻率不受電網(wǎng)頻率限制；能量可雙向流動(dòng)。缺點(diǎn)是：所需開(kāi)關(guān)器件需雙向全控器件；控制較復(fù)雜。3.6矩陣式逆變器換流技術(shù)

換流是指將負(fù)載電流從一個(gè)雙向開(kāi)關(guān)管換到另一個(gè)雙向開(kāi)關(guān)管的過(guò)程。在調(diào)制過(guò)程中，矩陣式變換器開(kāi)關(guān)管通斷狀態(tài)不斷改變，從而換流過(guò)程始終存在于矩陣變換器的運(yùn)行過(guò)程中，因此，安全換流是矩陣式變換器控制策略中一項(xiàng)至關(guān)重要的問(wèn)題。由于矩陣式變換器特殊的結(jié)構(gòu)決定了輸入側(cè)不能短路、輸出側(cè)不能開(kāi)路，使得控制開(kāi)關(guān)之間的切換帶來(lái)了相當(dāng)大的難度。

四步換流策略；兩步換流策略；智能換流方式；換流技術(shù)(4=>2)

圖1四步換流示意圖圖2電流為正向時(shí)換流步驟圖3電流為負(fù)向時(shí)換流步驟目前研究的重點(diǎn)

多步換流策略的可靠實(shí)現(xiàn)；過(guò)電壓保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)；雙向開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)與集成化；非正常情況下的運(yùn)行控制；輸入濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)；

歐洲EUPEC公司研制的矩陣變換器開(kāi)關(guān)矩陣模塊

直接傳遞函數(shù)法；

間接傳遞函數(shù)法；

空間矢量調(diào)制方法；平均輸出電壓法；調(diào)制算法間接傳遞函數(shù)法和空間矢量法

虛擬整流器虛擬逆變器等效直流電壓等效直流電流

對(duì)于虛擬逆變器，輸出線電壓空間矢量定義為：

對(duì)于虛擬整流器，輸入相電流空間矢量定義為：

電壓電流矢量均在第Ⅰ扇區(qū)情況下開(kāi)關(guān)狀態(tài)表調(diào)制矢量pnababacacaaABCabaabbaccacaaaaD輸出電壓uAB

uBC

uCAuab

-uab

0uab

0–uabuac

0–uacuac–uac

0000-iB

iB0

iA-iA0iA0-iA-iB

0iB000SAaSAbSAc100100100100100SBaSBbSBc010010001001100SCaSCbSCc100010001100100輸入電流

ia

ib

ic

輸出線電壓矢量和輸入電流矢量各由其所在扇區(qū)兩個(gè)相鄰矢量合成得到，一個(gè)采樣周期內(nèi)共有四種有效矢量組合方式和一個(gè)零矢量。為減小輸出電壓和輸入電流中的諧波成分，提出如下九段式PWM控制策略。

國(guó)外近年來(lái)對(duì)矩陣變換器的研究2001年，歐洲的EUPEC公司已開(kāi)發(fā)出專用于矩陣變換器的開(kāi)關(guān)矩陣模塊；2001年德國(guó)西門子公司與卡爾斯魯厄大學(xué)研制了專門用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的矩陣變換器樣機(jī)；日本安川電機(jī)公司幾年來(lái)一直在進(jìn)行矩陣變換器－交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在非正常工況的控制方法研究，并取得了一系列有意義的成果；日本富士電機(jī)公司試制成功可用于矩陣變換器的逆阻式IGBT模塊；國(guó)外近年來(lái)對(duì)矩陣變換器的研究

丹麥Aalborg大學(xué)以C.Klumpner、P.Nielsen、D.Casadei、F.Blaabjerg、J.K.Pedersen等人為主要成員的研究小組在非正常工況下矩陣變換器的控制、空間矢量調(diào)制策略、保護(hù)電路設(shè)計(jì)、矩陣變換器-異步電機(jī)系統(tǒng)高性能控制等方面做出了非常出色的成績(jī)；英國(guó)Nottingham大學(xué)以J.Clare和P.W.Wheeler為首的矩陣變換器研究組在換流策略（如提出兩步換流，2002年申請(qǐng)了一步換流的專利）、矩陣變換器-異步電機(jī)系統(tǒng)高性能控制（結(jié)合矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制）等方面做出了較顯著的成績(jī)。同時(shí)，他們已經(jīng)為美國(guó)陸軍研制了一臺(tái)采用最新?lián)Q流技術(shù)并采用矢量控制技術(shù)的矩陣變換器樣機(jī)，應(yīng)用于其新一代軍用車輛；國(guó)外近年來(lái)對(duì)矩陣變換器的研究

圖5德國(guó)西門子公司研制的矩陣變換器樣機(jī)國(guó)外近年來(lái)對(duì)矩陣變換器的研究

圖6丹麥Aalborg大學(xué)研制的矩陣變換器國(guó)外近年來(lái)對(duì)矩陣變換器的研究

圖7英國(guó)Nottingham大學(xué)研制的矩陣變換器國(guó)內(nèi)近年來(lái)對(duì)矩陣變換器的研究

上海大學(xué)龔幼民教授根據(jù)矩陣變換器原理，提出統(tǒng)一電力變換理論，將開(kāi)關(guān)函數(shù)概念應(yīng)用于矩陣變換器的調(diào)制過(guò)程；2000年福州大學(xué)研制了恒頻采樣電流跟蹤控制型矩陣變換器樣機(jī)，并將其用于交流勵(lì)磁器；清華大學(xué)黃老師課題組已經(jīng)對(duì)矩陣變換器進(jìn)行了兩年多持續(xù)的研究，在采用間接函數(shù)法和空間矢量法構(gòu)成組合控制器，矩陣變換器的建模與仿真，非正常工況下矩陣變換器的特性及控制等方面已做出了一定的成績(jī)；§4無(wú)功補(bǔ)償在交流電路中，當(dāng)電感性設(shè)備作為用電負(fù)載時(shí)，由電源供給負(fù)載的電功率可以分為兩部分：一部分是使電氣設(shè)備能夠正常運(yùn)行的電功率，也就是將電能轉(zhuǎn)換成其他形式能量的功率，叫做有功功率；另一部分是電能在電源和電感性負(fù)載之間交替往返的電功率，叫做無(wú)功功率。無(wú)功功率不做功，但卻是電感性用電設(shè)備通過(guò)電磁感應(yīng)，用來(lái)建立交變電磁場(chǎng)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換所不可缺少，并不是無(wú)用的電功率。盡管無(wú)功功率在一個(gè)元件上的平均功率為零，但它代表了在電感或電容中儲(chǔ)存及釋放磁場(chǎng)能量或電場(chǎng)能量所需要的真實(shí)的功率，每周期兩次。和無(wú)功功率相關(guān)的能量是儲(chǔ)存的感性及容性能量之和，代表著電力系統(tǒng)中，在電源、電感元件和電容元件之間發(fā)生的能量交換，雖不產(chǎn)生有用功率，但卻使電力設(shè)備容量增加、設(shè)備和線路損耗增加，并使線路壓降增大。 4.1引言§4無(wú)功補(bǔ)償非正弦電路的無(wú)功功率和功率因數(shù)視在功率(ApparentPower)和有功功率的意義沒(méi)有什么變化，而無(wú)功功率構(gòu)成較復(fù)雜，可定義為：功率因數(shù)定義為：其中：，即基波電流有效值和總電流有效值之比，稱為基波因數(shù) 稱為基波功率因數(shù)。THD＝稱為電流諧波總畸變率§4無(wú)功補(bǔ)償視在功率

D畸變功率(Distortionpower/Harmonicpower),表示電流中的各次諧波與電壓形成的無(wú)功功率。由于各諧波分量可能有不同的初相角，因此它無(wú)法表示整個(gè)瞬時(shí)無(wú)功的交變部分。盡管每一項(xiàng)Qn有明確的物理意義，但總和卻完全失去了意義。如在特殊情況下，每一項(xiàng)Qn可能不為零，但總和可能為零，而此時(shí)在電源和負(fù)載之間可能有能量的交換?！?無(wú)功補(bǔ)償瞬時(shí)功率定義：為了改進(jìn)傳統(tǒng)的功率概念，赤木泰文等人于1983年首先提出了瞬時(shí)功率的概念。首先，設(shè)三相相電壓、相電流分別為ua，ub，uc；ia，ib，ic。將a-b-c坐標(biāo)變?yōu)?坐標(biāo)，變換如下：

4.2瞬時(shí)功率理論反變換§4無(wú)功補(bǔ)償三相瞬時(shí)有功功率：

4.2瞬時(shí)功率理論瞬時(shí)實(shí)功率(realinstantaneouspower)

瞬時(shí)零序功率(realzero-sequencepower)利用0變換的優(yōu)點(diǎn)之一是可以將系統(tǒng)中的零序分量分解出來(lái)?！?無(wú)功補(bǔ)償4.2瞬時(shí)功率理論赤木泰文等人提出的瞬時(shí)功率定義如下，瞬時(shí)實(shí)功率瞬時(shí)虛功率用abc分量表示為在新的功率定義中，變量q

考慮了所有電壓電流分量。因此，它就被賦予了不同的物理意義。q

被稱為瞬時(shí)虛功率(instantaneousimaginarypower)，并定義了新的單位IVA。由上式可以看出，q不受零序分量的影響，而只取決于和分量?！?無(wú)功補(bǔ)償4.2瞬時(shí)功率理論瞬時(shí)功率p和q可表示矩陣形式：

電流可表示為

式中=?！?無(wú)功補(bǔ)償4.2瞬時(shí)功率理論。當(dāng)三相正弦電壓源作用于非線性負(fù)載時(shí)，各功率如下：或?qū)、q表示為§4無(wú)功補(bǔ)償4.2瞬時(shí)功率理論。上式給出了新的功率理論與傳統(tǒng)理論的聯(lián)系。此例p的平均值即對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)的平均功率。交變實(shí)功率(RealAlternatingPower)表示任意時(shí)刻單位時(shí)間內(nèi)電源和負(fù)載之間傳輸?shù)哪芰俊４穗娫春拓?fù)載之間的能量脈動(dòng)表示在三相或兩相電源或負(fù)載系統(tǒng)中能量的吞吐。虛功率q的平均值對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)的無(wú)功功率。q的交變部分表示每一相的諧波無(wú)功功率，但和為零。盡管無(wú)功電流在每一相中存在，且占用導(dǎo)體截面，但虛功率對(duì)瞬時(shí)能量傳輸無(wú)作用。

§4無(wú)功補(bǔ)償對(duì)電力系統(tǒng)中無(wú)功功率進(jìn)行快速的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可以實(shí)現(xiàn)如下功能： （1）對(duì)動(dòng)態(tài)無(wú)功負(fù)荷的功率因數(shù)校正。 （2）改善電壓調(diào)整、降低過(guò)電壓、減少電壓閃爍。 （3）提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，阻尼功率振蕩。 （4）減少電壓和電流的不平衡。

實(shí)際的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置（如TCR、TCS、ASVG）往往只能以其中某一條或某幾條為直接的控制目標(biāo)，其控制策略也不盡相同。此外，這些功能有的屬于對(duì)一個(gè)或幾個(gè)在一起的負(fù)載的補(bǔ)償效果（負(fù)載補(bǔ)償），有的則是以整個(gè)輸電系統(tǒng)性能的改善和傳輸能力為提高目標(biāo)的（輸電補(bǔ)償）。不過(guò)，改善電壓調(diào)整，調(diào)高電壓穩(wěn)定度，則是兩者共同的目標(biāo)。4.3靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置§4無(wú)功補(bǔ)償同步調(diào)相機(jī)

用不帶機(jī)械負(fù)載的同步電動(dòng)機(jī)做同步調(diào)相機(jī)。通過(guò)調(diào)節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁，在過(guò)勵(lì)時(shí)同步電動(dòng)機(jī)會(huì)吸收無(wú)功功率，欠勵(lì)時(shí)發(fā)出無(wú)功功率，可以得到連續(xù)可調(diào)的無(wú)功功率源。同步調(diào)相機(jī)的伏安特性曲線如下圖，當(dāng)運(yùn)行在滯后區(qū)時(shí)，吸收無(wú)功；運(yùn)行在超前區(qū)時(shí)，發(fā)出無(wú)功。同步調(diào)相機(jī)的缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，損損耗大。同步調(diào)相機(jī)電壓－電流特性

4.2靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置晶閘管控制投切電容器(TSC)

TSC(ThyristorSwitchedCapacitor)裝置由若干組受反并聯(lián)晶閘管投切控制的電容器組成，其結(jié)構(gòu)如下圖所示

TSC實(shí)際上就是斷續(xù)可調(diào)的吸收無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器，在工程實(shí)際中，將電容器分成幾組，根據(jù)電網(wǎng)對(duì)無(wú)功的需要投切這些電容。

4.2靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置晶閘管控制投切電容器(TSC)TSC投入電容的時(shí)刻，必須是電源電壓與電容器預(yù)先充電電壓相等，相位相同的時(shí)刻。否則，電容器上的電壓產(chǎn)生階躍變化，將產(chǎn)生一個(gè)沖擊電流，可能損壞晶閘管。一般來(lái)講，希望電容器預(yù)先充電電壓為電源電壓峰值，投切時(shí)刻也在電源電壓峰值點(diǎn)，因?yàn)榇藭r(shí)電壓的變化率為零，

不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流。

TSC的優(yōu)點(diǎn)是：運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生諧波，損耗?。黄淙秉c(diǎn)是：不能連續(xù)調(diào)節(jié)無(wú)功功率。通常將TSC和TCR配合構(gòu)成混合型補(bǔ)償器。

4.2靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置晶閘管控制飽和電抗器(TCR)

TCR(Thyristor

ControledReactor)裝置具有一個(gè)固定容量的電容器支路及一個(gè)受反并聯(lián)晶閘管控制的電感器支路。其結(jié)構(gòu)如下圖所示

TCR裝置總的無(wú)功功率為電感器無(wú)功功率與并聯(lián)電容器的無(wú)功功率之和，通過(guò)調(diào)節(jié)晶閘管的控制角控制電感器的等效電感，可吸收大小連續(xù)的無(wú)功功率以滿足電網(wǎng)需要。

4.2靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置晶閘管控制飽和電抗器(TCR)

TCR的電壓電流特性曲線如下圖。通過(guò)控制等效電感的大小，可以改變TCR的運(yùn)行點(diǎn)，達(dá)到補(bǔ)償?shù)囊蟆?/p>

TCR的優(yōu)點(diǎn)是：反應(yīng)速度快，容量連續(xù)可調(diào)； 其缺點(diǎn)是：需要一個(gè)大容量的電容器，此外，由于吸收的無(wú)功功率 是電容器和電感器相互抵消的結(jié)果，在吸收或發(fā)出較小的無(wú)功功率 時(shí)，實(shí)際上電容器與電感器都已吸收了較大無(wú)功功率，都會(huì)有很大 的電流通過(guò)。

4.2靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置新型靜止無(wú)功發(fā)生器(ASVG)

ASVG(AdvancedStaticVarGenerate)的基本原理就是將逆變器通過(guò)電感或直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)逆變器的交流側(cè)的輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側(cè)電流，就可以使該電路吸收或發(fā)出滿足要求的無(wú)功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

下圖分別為電壓型和電流型ASVG的結(jié)構(gòu)。

電壓型ASVG結(jié)構(gòu)電流型ASVG結(jié)構(gòu)4.2靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置新型靜止無(wú)功發(fā)生器(ASVG)在單相電路中，與基波無(wú)功功率有關(guān)的能量是在電源和負(fù)載之間來(lái)回往返的。但是在平衡的三相負(fù)載電路中，無(wú)論負(fù)載的功率因數(shù)如何，三相瞬時(shí)功率的和是一定的，在任何時(shí)候都等于三相總的有功功率。由此看來(lái)，在三相電路的電源和負(fù)載之間沒(méi)有無(wú)功功率的流動(dòng)，各相無(wú)功功率是在三相線路之間往返的，在總的負(fù)載側(cè)就無(wú)需設(shè)置無(wú)功儲(chǔ)能元件。理論上，ASVG的三相橋式變流電路的直流測(cè)無(wú)需能量補(bǔ)充。

當(dāng)ASVG正常工作時(shí)就是通過(guò)電力半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的通斷將直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換成交流測(cè)與電網(wǎng)同頻的輸出電壓，就像一個(gè)電壓型逆變器，只不過(guò)是交流測(cè)輸出接的不是負(fù)載而是電網(wǎng)而已。因此，當(dāng)考慮基波負(fù)載時(shí)，ASVG可以等效的被視為幅值和相位均可控的一個(gè)與電網(wǎng)同頻率的交流電壓源，它通過(guò)交流電抗器連接到電網(wǎng)上。

4.2靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置新型靜止無(wú)功發(fā)生器(ASVG)ASVG原理可以用如下圖所示的單相等效電路表示，電網(wǎng)電壓交流電抗L上的電壓。只需使與同相，僅改變大于時(shí)，電流超前與電壓90o，發(fā)出無(wú)功小于功率；當(dāng)

時(shí)，電流滯后與電壓90o，吸收無(wú)功功率。

ASVG輸出的交流電壓的幅值大小，即可以控制從電網(wǎng)吸收如圖所示，當(dāng)?shù)碾娏魇浅斑€是滯后90度，并且能控制吸收無(wú)功功率的大小。，

4.2靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置新型靜止無(wú)功發(fā)生器(ASVG)下圖是ASVG的電壓電流特性曲線，改變控制系統(tǒng)的參數(shù)（電網(wǎng)電壓的參考值Uref）可以使得到的電壓電流特性上下移動(dòng)。同時(shí)通過(guò)調(diào)整其變流器交流側(cè)電壓的幅值和相位，保持所能提供的最大無(wú)功電流ILmax和ICmax不變，從而大大增加了ASVG的運(yùn)行范圍（相對(duì)于傳統(tǒng)SVC的倒三角形運(yùn)行區(qū)域）。

4.2靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置幾種無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的比較TCR－FCTSC（TSR）TCR－TSCSTATCOM工作類型可控阻抗型可控阻抗型可控阻抗型可控電流源型V-I、V-Q特性決定于設(shè)備容量，基本與系統(tǒng)電壓無(wú)關(guān)諧波諧波含量高，需采取多脈沖結(jié)構(gòu)、順序控制或?yàn)V波器方式抑制諧波諧波含量低，需要避免LC諧振諧波主要決定于TCR的結(jié)構(gòu)和容量，可能需要抑制諧波多脈沖或多電平方式下諧波含量很低理論最大響應(yīng)延時(shí)（傳輸遲延）半個(gè)周波一個(gè)周波一個(gè)周波很小，可以忽略電壓暫態(tài)特性差，在階躍擾動(dòng)下FC會(huì)引起過(guò)電壓一般，可在暫態(tài)過(guò)程中斷開(kāi)TSC避免過(guò)電壓一般，可在暫態(tài)過(guò)程中斷開(kāi)TSC避免過(guò)電壓可阻尼電壓振蕩造價(jià)(RMB/kVar)200-300200-300200-300300-5004.2靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置有源電力濾波器的基本原理

有源電力濾波器是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波，補(bǔ)償無(wú)功功率的新型電力電子裝置，它能對(duì)大小和頻率都變化的諧波以及變化的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償。

電力有源濾波器的基本工作原理是，檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象的電壓和電流，得出補(bǔ)償電流指令信號(hào)，電流發(fā)生源根據(jù)該信號(hào)產(chǎn)生補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流和負(fù)載電流中需補(bǔ)償?shù)闹C波電流和無(wú)功電流抵消，最終得到期望的電源電流。

§4無(wú)功補(bǔ)償4.3有源電力濾波器電力有源濾波器有以下特點(diǎn)：現(xiàn)了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，響應(yīng)速度極快；可同時(shí)對(duì)諧波和無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，且補(bǔ)償無(wú)功的大小可以連續(xù)調(diào)節(jié)；所需的儲(chǔ)能元件容量小；可以對(duì)大電流負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償，無(wú)過(guò)載問(wèn)題。受電網(wǎng)阻抗的影響不大，不容易和電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振。能跟蹤電網(wǎng)頻率變化，補(bǔ)償性能不收電網(wǎng)頻率變化的影響。既可對(duì)一個(gè)諧波和無(wú)功源單獨(dú)補(bǔ)償，也可對(duì)多個(gè)諧波和無(wú)功源集中補(bǔ)償。4.3有源電力濾波器根據(jù)與補(bǔ)償對(duì)象連接的方式，以及是否與無(wú)源電力濾波器混合使用，APF可分為三種基本類型：并聯(lián)型、串聯(lián)型和混合型。

4.3有源電力濾波器

不同類型的APF適合于不同的補(bǔ)償對(duì)象。串聯(lián)型APF適合補(bǔ)償電壓型諧波源負(fù)載（即直流側(cè)含有大電容濾波的整流電路）。并聯(lián)型和混合型APF適合補(bǔ)償電流型諧波源負(fù)載(即直流側(cè)含有大電感濾波的整流電路)。并聯(lián)型、串聯(lián)型和混合型有源濾波器諧波電流檢測(cè)4.3有源電力濾波器1基于Fryze

功率定義的檢測(cè)方法

其原理是將負(fù)荷電流分解為與電壓波形一致的分量,將其余分量作為廣義無(wú)功電流(包括諧波電流)。它的缺點(diǎn)是:因?yàn)镕ryze

功率定義是建立在平均功率基礎(chǔ)上的,所以要求得瞬時(shí)有功電流需要進(jìn)行一個(gè)周期的積分,再加其它運(yùn)算電路,要有幾個(gè)周期延時(shí)。因此,用這種方法求得的“瞬時(shí)有功電流”實(shí)際是幾個(gè)周期前的電流值。2用模擬帶帶通濾波器撿測(cè)的方法

用模擬帶通濾波器(或陷波器)檢測(cè)負(fù)載電流。從檢測(cè)到的信號(hào)中濾除基波信號(hào)，就可以得到所需補(bǔ)償?shù)闹C波，通?？刹捎脦V波器實(shí)現(xiàn)，即采用帶通濾波器得出基波分量，再與被檢測(cè)電流相減得到諧波分量。由于濾波器中心頻率固定,當(dāng)電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí),濾波效果會(huì)大大下降。此外濾波器的中心頻率對(duì)元件參數(shù)十分敏感,這樣要使濾波器得到理想的幅頻特性和相頻特性是很困難的,并且這種方法也不能同時(shí)分離出無(wú)功電流和諧波電流。這種方法現(xiàn)在已極少采用。

諧波電流檢測(cè)4.3有源電力濾波器3基于頻域分析的FFT檢測(cè)法

該方法通過(guò)FFT將檢測(cè)到的一個(gè)周期的諧波信號(hào)進(jìn)行分解，得各次諧波的幅值和相位系數(shù)，將擬抵消的諧波分量通過(guò)帶通濾波器或傅里葉變換器得出所需的誤差信號(hào)，再將各誤差信號(hào)進(jìn)行FFT變換，即可得補(bǔ)償信號(hào)。這種方法可以任意選擇擬消除的諧波次數(shù)，但是需進(jìn)行兩次FFT變換，具有較長(zhǎng)的時(shí)間延遲，瞬時(shí)性誤差較大,實(shí)時(shí)性較差。且電壓畸變將帶來(lái)較大的非同步采樣誤差,特別是對(duì)高次諧波的檢測(cè)精度影響較大。諧波電流檢測(cè)瞬時(shí)無(wú)功功率法的原理是將三相靜止系統(tǒng)變換為兩相靜止