【正文】 178。 ■功率因數(shù)校正 PFC (Power Factor Correction)技術(shù)即對電流脈沖的幅度進(jìn)行抑制，使電流波形盡量接近正弦波的技術(shù)，分成 無源功率因數(shù)校正 和 有源功率因數(shù)校正 兩種。 ◆ 有源功率因數(shù)校正技術(shù)采用全控開關(guān)器件構(gòu)成的開關(guān)電路對輸入電流的波形進(jìn)行控制，使之成為與電源電壓同相的正弦波。 ◆ 原理 ? 給定信號(hào) 和實(shí)際的直流電壓 ud比較后送入 PI調(diào)節(jié)器 ，得到指令信號(hào) id，id和整流后正弦電壓相乘得到輸入電流的指令信號(hào) i*，該指令信號(hào)和實(shí)際電感電流信號(hào)比較后，通過 滯環(huán) 對開關(guān)器件進(jìn)行控制，便可使輸入直流電流跟蹤指令值，這樣交流側(cè)電流波形將近似成為與交流電壓同相的正弦波，跟蹤誤差在由滯環(huán)環(huán)寬所決定的范圍內(nèi)。 40/70 功率因數(shù)校正電路的基本原理 ABCC+SLALBLCD1 D3D5D2D4D6D7iAiBiCttoSotiATo nIA P圖 1031 三相單開關(guān) PFC電路 圖 1032 三相單開關(guān) PFC電路的工作波形 ■ 三相功率因數(shù)校正電路的基本原理 ◆ 電路是工作在電流不連續(xù)模式的升壓斬波電路， LA~LC的電流在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)都是不連續(xù)的；電路中的二極管都采用 快速恢復(fù)二極管 ，電路的輸出電壓高于輸入線間電壓峰值。 ? 在每一個(gè)開關(guān)周期中， 電感電流是三角形或接近三角形的電流脈沖 ，其峰值與輸入電壓成正比；假設(shè) S關(guān)斷后電流 iA下降很快， iA的平均值將主要取決于陰影部分的面積，這樣 iA平均值與輸入電壓成正比 ，因此輸入電流經(jīng)濾波后將近似為正弦波。 ◆ 該電路工作于 電流斷續(xù)模式 ，電路中電流峰值高，開關(guān)器件的通態(tài)損耗和開關(guān)損耗都很大，因此適用于 3~6kW的中小功率電源中。 ◆ 在輸入相同有功功率的條件下，輸入電流有效值明顯減小，降低了對線路、開關(guān)、連接件等電流容量的要求。 ◆ 由于升壓斬波電路的穩(wěn)壓作用，整流電路輸出電壓波動(dòng)顯著減小，使后級(jí) DCDC變換電路的工作點(diǎn)保持穩(wěn)定，有利于提高控制精度和效率。該電路容易實(shí)現(xiàn)，可靠性也較高，因此應(yīng)用非常廣泛；三相有源功率因數(shù)校正電路結(jié)構(gòu)和控制較復(fù)雜，成本也很高，三相功率因數(shù)校正技術(shù)的仍是研究的熱點(diǎn)。 ■ 單級(jí)變換器的優(yōu)點(diǎn) ◆ 開關(guān)器件數(shù)減少，主電路體積及成本可以降低。 ◆ 有些單級(jí)變換器拓?fù)渲胁糠州斎肽芰靠梢灾苯觽鬟f到輸出側(cè)，不經(jīng)過兩級(jí)變換，所以效率可能高于兩級(jí)變換器。 ◆ 工作原理 ? 開關(guān)在一個(gè)開關(guān)周期中按照一定的占空比導(dǎo)通，開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，輸入電源通過開關(guān)給升壓電路中的 L1儲(chǔ)能，同時(shí) C1通過開關(guān)給 反激變壓器 儲(chǔ)能。 ? 開關(guān)的占空比由輸出電壓調(diào)節(jié)器決定，在輸入電壓及負(fù)載一定的情況下， C1兩端電壓在工作過程中基本保持不變，開關(guān)的占空比也基本保持不變；輸入功率中的 100Hz波動(dòng)由 C1進(jìn)行平滑濾波。同時(shí)控制電路通常只有一個(gè)輸出電壓控制閉環(huán)，簡化了控制電路 ◆ 單級(jí) PFC變換器減少了元件的數(shù)量，但是，單級(jí) PFC變換器元件的額定值都比較高，所以單級(jí)PFC變換器僅在小功率時(shí)整個(gè)裝置的成本和體積才具有優(yōu)勢，對于大功率場合，兩級(jí) PFC變換器比較適合。 46/70 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 高壓直流輸電 無功功率控制 電力系統(tǒng)諧波抑制 電能質(zhì)量控制 、 柔性交流輸電與定制 電力技術(shù) 47/70 高壓直流輸電 圖 1034 高壓直流輸電系統(tǒng)的基本原理和典型結(jié)構(gòu) ■ 高壓直流輸電（ High Voltage DC Transmission—— HVDC）是電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中最早開始的應(yīng)用領(lǐng)域， 20世紀(jì)50年代以來，當(dāng)電力電子技術(shù)的發(fā)展帶來了可靠的高壓大功率交直流轉(zhuǎn)換技術(shù)之后，高壓直流輸電越來越受到人們的關(guān)注。 ? 經(jīng) 直流輸電線路 輸送到電能的接受端。 ◆ 典型結(jié)構(gòu) ? 圖 1034是典型的采用 十二脈波換流器 的雙極高壓直流輸電線路。 ? 兩極獨(dú)立運(yùn)行，當(dāng)一極停止運(yùn)行時(shí)，另一極以大地作回路還可以帶一半的負(fù)荷，這樣就提高了運(yùn)行的可靠性，也有利于分期建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)；單極高壓直流輸電系統(tǒng)只用一根傳輸導(dǎo)線（一般為負(fù)極），以大地或海水作為回路。 ? 不受輸電線路的 感性和容性參數(shù) 的限制。 ? 短距離送電可采用基于 全控型電力電子器件 的電壓型變流器，性能更優(yōu)。 ? 更容易解決 同步 、 穩(wěn)定性 等等復(fù)雜問題。 ? 通過對換流器的有效控制可以實(shí)現(xiàn)對傳輸?shù)挠泄β实目焖俣鴾?zhǔn)確的控制，還能阻尼功率振蕩、改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性、限制短路電流。 ■ 晶閘管投切電容器 ◆ 交流電力電容器的投入與切斷是控制無功功率的一種重要手段， 晶閘管投切電容器 TSC是一種性能優(yōu)良的無功補(bǔ)償方式。 圖 1035 TSC基本原理圖 a) 基本單元單相簡圖 b) 分組投切單相簡圖 51/70 無功功率控制 圖 1036 TSC理想投切時(shí)刻原理說明 ◆ TSC運(yùn)行時(shí)晶閘管投入時(shí)刻的原則 ? 該時(shí)刻 交流電源電壓應(yīng)和電容器預(yù)先充電的電壓相等 ，這樣電容器電壓不會(huì)產(chǎn)生躍變，也就不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流。 ? 如圖 1036，導(dǎo)通開始時(shí) uC已由上次導(dǎo)通時(shí)段最后導(dǎo)通的晶閘管 VT1充電至電源電壓 us的正峰值， t1時(shí)刻導(dǎo)通VT2，以后每半個(gè)周波輪流觸發(fā) VT1和VT2；切除這條電容支路時(shí)，如在 t2時(shí)刻 iC已降為零， VT2關(guān)斷， uC保持在VT2導(dǎo)通結(jié)束時(shí)的電源電壓負(fù)峰值，為下一次投入電容器做了準(zhǔn)備。 ? 這種電路成本稍低，但因?yàn)槎O管不可控， 響應(yīng)速度要慢一些 ，投切電容器的最大時(shí)間滯后為一個(gè)周波。 ◆ 通過對 ?角的控制，可以連續(xù)調(diào)節(jié)流過電抗器的電流，從而調(diào)節(jié)電路從電網(wǎng)中吸收的無功功率，如配以固定電容器，則可以在從容性到感性的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率。 ~180176。 54/70 無功功率控制 圖 1039 TCR電路負(fù)載相電流和輸入線電流波形 a) ?=120176。 c) ?=160176。 、 135176。 時(shí) TCR電路的負(fù)載相電流和輸入線電流的波形。 ◆ SVG分為采用電壓型橋式電路和電流型橋式電路兩種類型。 ? 采用電流型橋式電路的 SVG如圖 1040b，直流側(cè)采用的是 電感 ，還需在交流側(cè)并聯(lián)上吸收換相產(chǎn)生的過電壓的 電容器 才能并入電網(wǎng)。 ? SVG可以等效地被視為 幅值和相位均可以控制的一個(gè)與電網(wǎng)同頻率的交流電壓源 ，通過交流電抗器連接到電網(wǎng)上。 圖 1041 SVG等效電路及工作原理 a） 單相等效電路 b） 工作相量圖 ?VS ?VI?VI ?VS57/70 無功功率控制 ◆ 與傳統(tǒng) SVC相比較 ? 傳統(tǒng)的以 TCR為代表的 SVC，由于其所能提供的最大電流分別是受其 并聯(lián)電抗器 和 并聯(lián)電容器 的阻抗特性限制的，因而隨著電壓的降低而減小，因此 SVG的運(yùn)行范圍比傳統(tǒng) SVC大。 ? SVG使用的電抗器和電容元件遠(yuǎn)比 SVC中使用的電抗器和電容要小，這將大大縮小裝置的體積和成本。 ? SVG的控制方法和控制系統(tǒng)要比傳統(tǒng) SVC復(fù)雜，另外SVG要使用數(shù)量較多的較大容量自關(guān)斷器件，其價(jià)格目前仍比 SVC使用的普通晶閘管高得多。 ? SVG的變流器中所采用的電力半導(dǎo)體器件已由早期的以 GTO為主，已逐步發(fā)展為采用 IGBT和IGCT，采用 IGBT的趨勢更為明顯。 59/70 電力系統(tǒng)諧波抑制 ■ 抑制諧波有兩條基本思路，一是 裝設(shè)補(bǔ)償裝置 ，設(shè)法補(bǔ)償其產(chǎn)生的諧波；另一條就是 對電力電子裝置本身進(jìn)行改進(jìn) ，使其不產(chǎn)生諧波，同時(shí)還不消耗無功功率，或者根據(jù)需要能對其功率因數(shù)進(jìn)行控制，即采用高功率因數(shù)變流器。 ◆ 其結(jié)構(gòu)簡單，既可補(bǔ)償諧波，又可補(bǔ)償無功，一直被廣泛應(yīng)用于對電力系統(tǒng)中諧波和無功功率的補(bǔ)償。 60/70 電力系統(tǒng)諧波抑制 圖 1042 有源電力濾波器的基本原理和典型電流波形 圖 1043 有源電力濾波器的變流電路 ◆ 有源電力濾波器的基本原理 ? 如圖 1042所示，有源電力濾波器檢測出負(fù)載電流 iL中的諧波電流 iLh，根據(jù)檢測結(jié)果產(chǎn)生與 iLh大小相等而方向相反的補(bǔ)償電流 iC，從而使流入電網(wǎng)的電流 iS只含有基波分量 iLf。 ◆ 有源電力濾波器的變流電路可分為電壓型 和 電流型 ，目前實(shí)用的裝置大都是電壓型；從與補(bǔ)償對象的連接方式來看，有源電力濾波器又可分為 并聯(lián)型 和 串聯(lián)型 。 并聯(lián)型 61/70 電能質(zhì)量控制、柔性交流輸電與定制電力技術(shù) ■ 應(yīng)用電力電子技術(shù)不僅可以有效地控制無功功率從而保障系統(tǒng)電壓的幅度，可以補(bǔ)償諧波從而保障供電電壓的波形，而且可以解決不對稱、電壓幅度暫低（ voltage sag）和電壓閃變（ flicker）等各種穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)的電能質(zhì)量問題，這被稱為采用電力電子裝置的 電能質(zhì)量控制技術(shù) 。 ■ 將電力電子技術(shù)應(yīng)用于輸電系統(tǒng)中，可以顯著增強(qiáng)對系統(tǒng)的控制能力、大幅提高系統(tǒng)的輸電能力，這就是所謂的 柔性交流輸電系統(tǒng)（ Flexible AC Transmission System—— FACTS） 。 62/70 電能質(zhì)量控制、柔性交流輸電與定制電力技術(shù) ■ 將電力電子技術(shù)應(yīng)用于配電系統(tǒng)中，可以有效提高配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量和供電可靠性，從而保障按照用戶所需供電，這就是所謂的“ 定制電力 ”或者“ 用戶電力 ”（ Custom Power）。 ■ 最近興起的新能源發(fā)電所產(chǎn)生的電能大都需要經(jīng)過各種電力電子裝置的變換和控制才能夠給用戶使用或者聯(lián)網(wǎng)，電力電子技術(shù)的應(yīng)用全面覆蓋了電力系統(tǒng)的 發(fā)電 、 輸電 和 配電 三大環(huán)節(jié)。 ■ 電子鎮(zhèn)流器的原理 ◆ 電子鎮(zhèn)流器的核心是 高頻變換電路 。 ◆ 在其整流器與大容量的濾波電解電容器之間，設(shè)置一級(jí) 功率因數(shù)校正(PFC)升壓型變換電路 ，其作用就是獲得低電流諧波畸變，實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)。 ◆ 高頻電子鎮(zhèn)流器的輸出級(jí)電路通常采用 LC串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò) ，燈的啟動(dòng)通過LC電路發(fā)生串聯(lián)諧振，利用啟動(dòng)電容兩端產(chǎn)生的高壓脈沖將燈引燃，在燈啟動(dòng)之后，電感元件對燈起限流作用，由于電子鎮(zhèn)流器開關(guān)頻率較高，故電感器只需要很小體積即可勝任。 圖 1044 電子鎮(zhèn)流器結(jié)構(gòu)框圖 66/70 電子鎮(zhèn)流器 ■ 電子鎮(zhèn)流器的主要優(yōu)點(diǎn) ◆ 能耗低、效率高 電感的功耗較大。 ◆ 具有高功率因數(shù)，因?yàn)樵陔娮渔?zhèn)流器中，具有采用功率因數(shù)校正電路。 67/70 焊機(jī)電源 ■ 電焊機(jī)是用電能產(chǎn)生熱量加熱金屬而實(shí)現(xiàn)焊接的電氣設(shè)備，按照焊接加熱原理的不同分為 電弧焊機(jī) 和 電阻焊機(jī)兩大類型。 ◆ 目前基于電力電子變換器采用間接直流變換結(jié)構(gòu)的各種直流焊接電源由于其優(yōu)良的特性而得到了廣泛的應(yīng)用，這種焊接電源中由于存在高頻逆變環(huán)節(jié)，又常被稱為 逆變焊機(jī)電源 。 ◆ 逆變電路使用的開關(guān)器件通常為全控型電力半導(dǎo)體器件，開關(guān)頻率一般為幾 k～幾十 kHz，電路結(jié)構(gòu)為半橋、全橋等形式，弧焊電源的輸出電壓一般只有幾十伏，因此輸出整流電路通常采用全波電路以降低電路的損耗。 ■ 與傳統(tǒng)的基于電磁元件的電源相比，由于采用了 高頻的中間交流環(huán)節(jié) ，大大降低了電源的體積、重量，同時(shí)提高了電源效率、輸入功率因數(shù)，輸出控制性能也得到改善。