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