功率因数校正(PFC)技术综述

功率因数校正(PFC)技术综述摘要: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；回顾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。

1 引言高效无污染地利用电能是目前世界各国普遍关注的问题。

根据统计，实际应用中有70%以上的电能要经过电力电子装置进行转换才能被利用，而在电力电子换流装置中，整流器约占90%，且大多数采用了不控或相控整流，功率因数低，向电网注入大量高次谐波，极大地浪费了电能。

电力系统谐波的来源主要是电网中的电力电子设备，随着此类设备装置的广泛应用，给公用电网造成严重污染，谐波和无功问题成为电器工程领域关注的焦点问题。

为了减轻电力污染的危害程度，许多国家纷纷制定了相应的标准，如国际电工委员会的谐波标准IEEE555-2和IEC-1000-3-2等，这些都有力地促进了学术界和工程界对谐波抑制的研究。

解决谐波污染的主要途径有两条：一是对电网实施谐波补偿，二是对电力电子设备自身进行改进。

前者包括对电力系统的无源滤波和有源滤波(APF)，后者包括对电力电子装置的无源和有源功率因数校正，相比而言，后者是积极的方法。

电力电子装置的有源功率因数校正(APFC或PFC)从上个世纪80年代中后期以来逐渐成为电力电子技术领域研究的热点。

功率因数，是对电能进行安全有效利用的衡量标准之一。

从最初的因为大量感性负载投入电网带来的无功损耗，到后来的因为各种非线性整流装置投入电网带来的谐波污染，再到现在的电力电子装置尤其是开关电源的广泛使用而带来的大量谐波对电网的危害，功率因数校正技术走过了从无功功率补偿到无源、有源滤波、再到有源功率因数校正和单位功率因数变换技术的发展历程。

功率因数校正技术的发展，成为电力电子技术发展日益重要的组成部分，并成为电力电子技术进一步发展的重要支撑。

目前，单相功率因数校正技术的研究比较多，在电路拓扑和控制方面都相当成熟，而三相功率因数校正的研究则相对较晚较少。

近年来随着PFC技术的研究的不断深入，三相PFC日益引起人们的重视。

单相PFC技术的成熟对三相PFC的研究有很大的借鉴意义。

随着全世界范围谐波标准的强制执行，生产和制造低谐波污染的三相电力电子装置将是必然的趋势。

由于三相电路的复杂性和强耦合性，对三相功率因数整流器的研究还远未成熟。

2 谐波和无功功率的危害及补偿技术谐波和无功功率是关系电网质量的两个重要指标，两者的存在对电网或相关设备产生严重的影响或危害。

因此对谐波抑制和无功功率补偿的研究具有十分重要的意义。

2.1 谐波的危害在电力电子设备广泛应用之前，人们对谐波作了一些研究并有了一些认识，但由于当时谐波污染并不严重，而未引起重视。

20世纪70年代以来，电力电子技术迅速发展，电力电子装置日益普及，大量电力电子装置投入电网，在满足不同的用电要求的同时，也向电网注入了大量的谐波，谐波危害日益严重。

由于谐波引起的各种故障和事故不断发生，谐波的严重性才引起人们的关注，谐波的危害主要有以下几个方面：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，如使电机、变压器发生机械震动、噪声和过压、局部过热，使电容器、电缆等设备过热，绝缘老化，寿命缩短，以致损坏。

3．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 无功功率的影响无功功率分为基波无功功率和谐波无功功率。

在工业和生活用电负载中，感性负载占很大的比例，如异步电机，荧光灯，工业电弧炉，变压器等。

阻感负载必须吸收无功功率才能正常工作，这类无功功率称为基波无功功率。

电力电子备等非线性装置也要消耗无功功率，这些装置会产生大量的谐波电流，谐波源要消耗无功功率，称为谐波无功功率。

大量的无功功率流入电网，会带来诸多不利影响，主要表现在以下几个方面：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方面的后果，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。

2.5 谐波标准制定谐波标准是治理谐波标准污染的重要措施之一，一些国家和国际学术构相继制定了相关标准。

其中，有的标准是针对公共电网接点电压的谐波，有的是针对用电设备的电流谐波，有的是针对用户系统的电流谐波。

关于限制用户对电网污染的中国标准是GB/TI4549-93“电能质量公用电网谐波”，它规定了电网标称电压为0.38/6/10/35/66/l10kV公用电网中的电压总畸变率和公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量。

限制用电设备对电网污染的德国标准是VDE0871，欧洲标准是EN-06555-2。

国际上广泛被接受的原欧洲标准IEC555-2，1995年改为IEC1000-3-2标准(如表2-1所示)，它适用于每相输入电流小于16A的用电设备，对于每相输入电流在16A---75A之间的用电表2-1 IEC1000-3-2标准（对相电流小于16A的用电设备）3 功率因数校正技术发展概述3.1 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、治表的方法;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。

由功率因数校正的思想可知，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、荧光灯及各种电力电子装置包括相控整流器和各种类型的开关电源。

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形引起的。

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。

日本电气学会于1992年所作的一次有关谐波源的调查对一结论作了佐证.在被调查的186家具有代表性的电力用户中，无谐波源的只占6%，最大谐波源为整流装置的用户占66%，办公及家电的用户占23%，而后者的谐波均来自其中的整流装置，二者合为89%，再加上交流电力调整装置中的1%，最大谐波源来自电力电子装置的占90%，若排除6%的无谐波用户，则在所有谐波用户中电力电子装置占96%，这还只是1992年的情况，考虑到近年来计算机、通讯及IT网络行业的迅速发展，而导致的开关电源市场进一步扩大，电力电子装置在谐波源用户中的比例会更高，虽然我国情况与日本不同，但这一结论仍具有较大的参考价值。

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。

3.2 因数校正技术的发展动态回顾PFC技术的发展历程可以看出，人们最早是采用电感和电容构成的无源网络进行功率因数校正。

最简单的无源功率因数校正电路是在二极管整流桥前添加一个电感。

早期的有源功率因数校正电路是晶闸管电路。

进入70年代以后，随着功率半导体器件的发展，开关变换技术突飞猛进，到80年代，现代有源PFC 技术应运而生。

由于变换器工作在高频开关状态，这种有源功率因数校正技术具有体积小、重量轻、效率高、功率因数可接近1等优点。

80年代的有源功率因数校正技术可以说是基于Boost变换器的功率因数校正的年代，在此期间的研究工作主要集中在对工作在连续导电模式（CCM）下的Boost变换器的研究上，这类变换器的各种控制方式一般是基于所谓“乘法器（Multiplier）”的原理；连续导电模式下的功率因数校正技术可以获得很大的功率转换容量，但是对于大量应用的200W以下的中、小功率容量的情形，却不是非常合适的，因为这种方式往往需要较复杂的控制方式和电路。

80年代末提出了利用工作在不连续导电模式（DCM）下的变换器进行功率因数校正的技术，由于其输入电流自动跟随输入电压，因而可实现接近1的输入功率因数。

这种PFC技术在文献中称为自动功率因数校正，也称为电压跟随器（V oltage Follower）。

这种有源功率因数校正技术因其控制简单（仅采用一个控制量，即输入电压）而倍受青睐，但是一般不能应用于较大功率变换中。

80年代是现代有源功率因数校正技术发展的初级阶段，这一时期提出的一些基本技术是有源功率因数校正技术的基础。

90年代以来，有源功率因数校正技术取得了长足的发展。

1992年以前的PESC Records（IEEE电力电子专家会议文集）上有关功率因数校正技术的报道很少。

自1992年起，PESC设立了单相功率因数校正专题，这被看作是单相有源功率因数校正技术发展的里程碑。

这次会议上，有关电压跟随型功率因数校正技术的报道占了几乎一半，有关软开关功率因数校正技术也是这个专题的一项主要内容。