现代电力电子在电力系统中的应用

现代电力电子在电力系统及

电能质量控制中的应用

—功率因数校正、无功功率补偿及有源滤波

概述无功功率和谐波的产生高功率因数电力电子装置无功补偿和有源滤波§1概述在现代工业和日常生活中，电力电子装置得到了广泛的应用。然而，电力电子装置作为非线性负载越来越多地运行在电网中，产生大量的无功和谐波，对电网造成很大的“污染”。如相控整流电路工作时基波电流落后于电网电压，消耗大量的无功，另外还产生很大的谐波电流；二极管整流电路的基波电流和电网电压相位大致相同，基波功率因数接近1，但却产生很大的谐波电流，§1概述电动机，变压器，荧光灯等大部分工业生产和日常生活中的用电负载都是感性负载，消耗大量无功功率。另外由于这些器件本身具有很突出的非线性特性，从而他们同时还是公用电网的主要谐波源。无功功率（平均功率为零）的危害主要表现在增加设备容量、设备和线路线损的增加和压降的增大；另外谐波对控制系统和通讯系统产生很大干扰。§1概述大量的谐波和无功功率，严重影响了电力电子技术的发展和应用。解决电力电子装置的谐波污染和低功率因数问题的基本手段有两条：

第一，采用高功率因数电力电子装置。无源=>有源，功率因数校正电路、PWM控制整流电路、双PWM变频器、矩阵式逆变器等都可以获得很高的功率因数。第二种方法就是装设补偿装置，以补偿其谐波和无功功率。同步调相机=>TCR=>SVC=>SVG=>APF

§2无功功率和谐波的产生正弦电路的无功功率和功率因数 在正弦电路，线性负载的情况下，电路中的电压和电流都是正弦的，电路的有功功率定义为：

电路的无功功率定义为：

定义有功功率和视在功率的比为功率因数PF： §2无功功率和谐波的产生非正弦电路的无功功率和功率因数视在功率和有功功率的意义没有什么变化，而无功功率构成较复杂。因此，可以定义为：功率因数定义为：其中：，即基波电流有效值和总电流有效值之比，称为基波因数 称为基波功率因数。THD＝称为电流谐波总畸变率§2无功功率和谐波的产生谐波和无功功率的来源

感性负载 电动机，变压器，荧光灯等大部分工业生产和日常生活中的用电负载都是感性负载，消耗大量无功功率。另外由于这些器件本身具有很突出的非线性特性，从而他们同时还是公用电网的主要谐波源。电力电子装置 电力电子装置的应用日益广泛，使得电力电子装置成为一类大的谐波源。在电力电子装置中，整流装置占的比例最大。常用的相控整流电路工作时基波电流落后于电网电压，消耗大量的无功，另外还产生很大的谐波电流。二极管整流电路的基波电流相位和电网电压相位大致相同，基波功率因数接近1，但却产生很大的谐波电流，从而也消耗一定的无功。谐波和无功功率的危害

无功功率的危害：增加设备容量根据公式： 无功功率的增加，会导致在有功功率不变的情况下，视在功率的增加和电流增大，从而使得电气设备容量和导线容量的增加，相应的起动及控制设备，测量设备的规格也要增加。设备和线路的损耗增加 无功功率的增加，使得总电流增大，因而使设备和线路的损耗增加，线路电阻为R,则线路损耗为： 其中：这部分损耗就是无功功率引起的。谐波和无功功率的危害无功功率的危害：使线路和设备的压降增大 有功功率的的波动一般对电网电压的影响较小,电网电压的波动主要是由无功功率的波动引起的.无功功率的增加，使得线路的总电流增大，线路的(传输)压降也将随之增大，严重影响电网的供电质量，变化快时甚至可能导致电网崩溃。谐波和无功功率的危害谐波危害谐波使公用电网的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。谐波影响各种电气设备的正常工作。比如谐波不仅使电机产生附加损耗，还使电机产生机械振动、噪声和过电压，使变压器、电容器等设备过热、绝缘老化等危害。谐波引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，加重谐波的危害。导致继电保护和自动装置的误动作，使电气测量仪表计量不准确。谐波对控制系统和通讯系统产生干扰，使通讯质量下降或根本无法正常工作。谐波和无功功率的消除和补偿

由于产生大量的谐波和无功功率，严重影响了电力电子技术的发展与应用，因此，消除谐波污染并提高功率因数，已成为现代电力电子技术中的一个重大课题（解铃还得系铃人）。解决电力电子装置的谐波污染和低功率因数问题的基本手段有两条：对电力电子装置本身进行改进，使其不产生谐波，且具有较高的功率因数，单位功率因数变流器的功率因数甚至可以控制为1。装设补偿装置，以补偿其谐波和无功功率，各种类型的电力电子谐波源都可以用这个办法补偿。§3高功率因数电力电子装置3.1功率因数校正电路(PowerFactorCorrection——PFC)功率因数校正电路从不同的角度考虑分类方法不同，从校正使用的元器件角度考虑，PFC技术主要分为无源PFC技术和有源PFC技术两大类。无源功率因数校正利用电感电容组成滤波器，将输入电流进行相移及整形，下图所示为一个最基本的无源功率因数校正电路，电感和电容组成一个无源滤波器，起到了一定的功率因数校正的作用。图7.3最基本的无源PFC电路§3高功率因数电力电子装置3.1功率因数校正电路(PowerFactorCorrection——PFC)另一种无源PFC技术就是利用电容二极管网络构成的填谷(ValleyFill)方式PFC整流电路。当输入电压高于电容C1和C2上的电压和时，外输入电压将对两个电容进行充电；当输入电压低于电容C1和C2上的电压时，两个电容则会进入并联放电状态。在电路的拓扑结构上，由于电容和二极管网络的串并联特性，这种结构增大了二极管的导通角，也就使输入电流的波形得到改善。图7.4ValleyFill方式PFC整流电路§3高功率因数电力电子装置3.1功率因数校正电路(PowerFactorCorrection——PFC)有源功率因数校正（APFC）利用开关器件、电感及控制电路构成，PF可达0.99。从相数来看，有单相PFC和三相PFC。都是通过电流跟踪电压变化，提高功率因数，减小谐波损耗。单相PFC技术已经比较成熟，三相PFC技术复杂，成本较高，现基本还处于研究推广阶段。从开关转换技术来看，APFC又分为硬开关PFC技术和软开关PFC技术两大类。目前，硬开关PFC技术在小功率场合的应用已经比较成熟，软开关PFC技术处在逐步应用和研究当中。§3高功率因数电力电子装置3.2单相有源功率因数校正（APFC）技术

1有源功率因数校正的工作原理

有源功率因数校正（APFC）是抑制谐波电流、提高功率因数的有效方法，APFC主要用于DC／DC开关变换器。目前使用最广泛的是Boost型APFC？按PFC电路输入电流检测和控制方式，APFC电路又可分成：（1）CCM型：电感L电流连续。（2）DCM型：电感L电流不连续。本节以Boost型APFC为例说明功率因数校正电路的基本工作原理。§3高功率因数电力电子装置平均电流控制的CCM型BOOST功率因数校正电路基本形式如图所示。图中上半部主电路就是典型的BOOST升压电路，其中L为升压电感（或储能电感），K为高频开关管，D为升压整流二极管，C为滤波电容。当开关管K导通时，电源给电感L储存能量，当K关断时电感L中的电势和电源电压经升压二极管D整流，同时给负载提供能量。因此，该电路是一个升压电路，改变开关管的开关频率或占空比可以改变输出电压。

LDVEVREFVIN|sinωt|/K电压调节电流环乘法器脉冲形成及驱动绝对值放大电路VIN图7.5BOOST功率因数校正电路示意图IINKC§3高功率因数电力电子装置图中所示的下半部分是控制电路。控制电路的作用使得系统交流侧的功率因数得以改善。功率因数校正的基本工作原理为：输出电压经分压后与参考电压VREF比较，再经电压环调节器处理后得到VE，它与输入电压的衰减值Vin│sinωt│/K相乘得电流参考值，与输入电流检测值比较后经电流环调节器输出，进入PWM发生器产生主开关通断控制信号。LDVEVREFVIN|sinωt|/K电压调节电流环乘法器脉冲形成及驱动绝对值放大电路VIN图7.5BOOST功率因数校正电路示意图IINKC§3高功率因数电力电子装置因为控制信号是按占空比周期性变化的信号，所以得到的输入电流波形可跟随输入电压整流后的波形。开关频率远大于输入电压频率时，输入电流波形为与输入电压同相的正弦波形，功率因数接近于1。简单地说，控制电路使高频开关K在整个交流输入电压期间不断通断，这样在整个交流输入电压期间都有电流流过，输入电流不再是一个尖峰电流，因此系统的功率因数大大提高。

电感电流交流电压图7.7电感电流与输入电压同相（功率因数接近1）§3高功率因数电力电子装置3.2.2有源功率因数校正的控制方法

1常用的三种控制方法

常用的控制AC-DC开关控制器实现APFC的方法基本上有三种，即电流峰值控制，电流滞环控制，以及平均电流控制。本节以Boost功率因数校正器的控制为例，说明这三种方法的基本原理，假设工作模式为CCM。3.2.2有源功率因数校正的控制方法2电流峰值控制法电流基准为双半波正弦电压，反馈为开关管电流。令电感电流的峰值包络线跟踪输入电压Vdc的波形。使输入电流与输入电压同相位，并接近正弦。电压环由分压器I/H，电压误差放大（补偿）器VA，通过乘法器，电流比较器及驱动器(图中未画出)等组成。因此，在保持输入端功率因数接近1的同时，能保持输出电压稳定。

电流峰值法控制的Boost功率因数较正器电路原理图以及电感电流波形图

3.2.2有源功率因数校正的控制方法2电流峰值控制法用峰值法控制时，最主要的问题是：电感电流的峰值ip（它是控制的基准）与高频状态平均值之间的误差，在一定条件下相当大，以致无法满足使THD很小的条件。此外，峰值对噪声相当敏感。开关管的电流？

电流峰值法控制的Boost功率因数较正器电路原理图以及电感电流波形图

3.2.2有源功率因数校正的控制方法

3

电流滞环控制法电流滞环法控制与峰值法控制的差别只是：前者检测的电流是电感电流；并且控制电路中多了一个滞环逻辑控制器。逻辑控制器的特征，和继电器特征一样，有一个电流滞环带（hysterisisband）。

滞环法控制的Boost功率因数校正器电路原理图以及电感电流波形图

3.2.2有源功率因数校正的控制方法

3

电流滞环控制法电流滞环控制法的主要缺点是：负载大小对开关频率影响甚大，由于开关频率变化幅度大，设计输出滤波器时，要按最低开关频率考虑。因此，不可能得到体积和重量最小的设计。滞环法控制的Boost功率因数校正器电路原理图以及电感电流波形图

3.2.2有源功率因数校正的控制方法

4

平均电流控制法平均电流控制的特点是：输入电流信号被直接检测，与基准电流比较后，其高频分量（例如100kHz）的变化，通过电流误差放大器，被平均化处理；工频电流的峰值是高频电流的平均值，因而高频电流的峰值比工频电流的峰值更高。但电感电流峰值与平均值之间的误差小，因此THD很小；原则上可以适合任意拓扑，任意支路的电流；如：除了可检测Boost变换器的输入电流外，也可以检测buck，flyback变换器的输入电流，或Boost，Flyback变换器的输出电流等。并且两种工作模式CCM和DCM都可以用。平均电流控制的Boost功率因数校正器电路原理图以及电感电流波形图

§3高功率因数电力电子装置3.2.2有源功率因数校正的控制方法

1常用的三种控制方法比较

这三种方法的基本特点如下表。控制方法检测电流开关频率工作模式对噪声适用拓扑注电流峰值开关电流恒定CCM敏感Boost需斜率补偿电流滞环电感电流变频CCM敏感Boost需逻辑控制平均电流电感电流恒定任意不敏感任意需电流误差放大3.2.2有源功率因数校正的控制方法

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PFC集成控制电路

现在的PFC的控制电路已集成化。单相有源功率因数校正技术发展很快，Unitrode，Motorola等公司相继推出了各种有源功率因数校正芯片，如UC3852、UC3854、UC3855、MC34261等。目前，这一技术在中小功率开关电源、不间断电源（UPS）、电子整流器等方面有着广泛的应用前景。另外，把多电平变换技术以及软开关技术应用于APFC电路是目前研究的一个热点。UC3853LVDV应用UC3853的APFC电路图3.2.2有源功率因数校正的控制方法5

PFC集成控制电路

DCM方法又称电压跟踪技术，没有电流调节环，输入电流自动跟踪电源电压；功率管实现零电流开通，且不承受二极管反向恢复电流；具有电路简单、易于实现的优点，但存在以下缺点：（1）功率因数与输入电压Ui和输出电压Uo的比Ui／Uo有关。当Ui

变化时，功率因数也将发生变化。同时输入电流波形随Ui／Uo的变化而变化。（2）开关峰值电流大（同样条件下，DCM中通过开关器件的峰值电流是CCM的两倍），开关损耗增加。在大功率电路中，常采用CCM方式。电感电流交流电压平均电流应用UC3853的电感电流断续导通示意图

3.3三相有源功率因数校正（APFC）技术1引言

根据电路的输入电压的不同，功率因数校正电路主要分单相和三相两大类。单相功率因数校正电路目前在拓扑和控制方面已相当成熟。在中高功率等级的功率因数校正电路中，三相电路应用极为广泛，是近年来的研究热点，但工作机理比较复杂。三相功率因数校正电路（PFC）与单相PFC相比，具有许多优点：输入功率高；不存在单相输入(有中线)电路具有的因中线3次谐波电流过大而烧毁中线的危险；主电路由三相三线制供电(无中线)，无中线电流，无3次谐波及3的倍数次的零序谐波电流，故不存在这些谐波电流所产生的波形畸变和干扰。

§3高功率因数电力电子装置3.3三相有源功率因数校正（APFC）技术

从校正使用的元器件角度考虑，三相功率因数校正电路有两种方案：三相无源PFC方案和采用高频开关的有源三相PFC方案。

前者常用的是具有适量滤波电感的三相桥式整流电路，电路简单、可靠和效率高，功率因数能达到0.92，但仍不能满足目前越来越高的要求。后者又分为两级和单级控制方式，两级控制方式通过两个电力电子电路串级运行，在DC-DC开关变换器前加一级前置功率因数校正器，由功率因数校正器控制输入电流波形，并提供一个初步变换的输出电压，用第二级DC－DC变换器作负载调整。§3高功率因数电力电子装置3.3三相有源功率因数校正（APFC）技术2三相单管PFC拓扑

用单管实现三相交流电源的功率因数校正，主电路简洁，控制电路简单,可输出稳定的直流电压，可减小后级DC-DC变换器的变压器电压余量，提高后级的效率,尤其适用于较小功率应用,具有很大的市场前景。但技术尚未完全成熟，是当前的研究重点。

三相单管PFC按输入类型可分3种型式。（1）电感输入型三相PFC如图所示三相Boost升压型功率因数校正电路，是单相Boost功率因数校正电路在三相的延伸。将单相Boost功率因数校正电路的直流电感L从整流桥直流侧移到交流侧各相，变为交流电感。

电感输入型三相PFC3.3三相有源功率因数校正（APFC）技术（1）电感输入型三相PFC

当开关闭合时，直流侧整流桥被短路，三相电感均处于储能状态，各相电流绝对值增大，其增大斜率与当时交流相电压瞬时值的绝对值成正比。当开关断开时，二极管导通，各相电感中储存的能量连同交流电源一同向直流侧负载供电，各相的电流绝对值减小。其减小的斜率和直流电压的大小、各相电压瞬时值以及整流桥的导通路径有关。

S导通期间的等效电路图

3.3三相有源功率因数校正（APFC）技术（1）电感输入型三相PFC

电路工作在DCM下，Boost二极管不存在反向恢复问题，反向恢复损耗小，系统成本较低；但要控制三相电流均为正弦波且和电压同相位比较困难，难以兼顾三相电流。三相单开关PFC整流电路固有问题的根本原因是三相电压之间的耦合。为了达到最好的功率因数校正效果，必须对三相电压解耦。因此对这一点路的研究主要集中在如何在电感电流断续模式下减小谐波电流，提高功率因数。

三相电感电流波形图

3.3三相有源功率因数校正（APFC）技术（1）电感输入型三相PFC该电路的另一个问题是引入低次谐波，其中5次和7次谐波都超过了IEC标准。一个改进的办法是在主管的控制中注入六次谐波。这样做的效果是使5次谐波减小，7次谐波增大，但两者在10kW以下均满足IEC标准。此外，为了减小开关损耗，提高开关频率进而减小输入滤波器，减小EMI等，还可以采用三相单开关PFC电路软开关技术，即三相单开关ZCTBoost型PFC。

三相单开关PFCZCT软开关电路

2三相单管PFC拓扑（2）电容输入型三相PFC

电容输入型三相PFC可认为是电感输入型PFC的对偶电路，它可以减小输出电压，适用于输出电压低于输入电压的场合。与电感输入型三相PFC不同之处在于，输入功率因数和THD依赖于输出电流。输出电流越大，THD越小，功率因数越高。缺点：输入电流谐波取决于负载，负载电流越小，功率因数越低，THD越大；对电容C要求较高，体积、价格代价太大。电容输入型PFC中开关工作在高电压、大电流方式，工作条件差。电容输入型三相PFC2三相单管PFC拓扑

（3）Buck-Boost输入型三相PFC可以认为是反激式单相PFC在三相中的延伸。当开关开通时，电感电流线性上升，峰值和平均值正比于相电压；开关关断，电感电能通过变压器副边向负载释放，输入平均电流为正弦，功率因数为1，储能电容电压低于boost型PFC，适合应用在小功率范围。3单相PFC电路组合方式（1）输出端直接并联：三个单相PFC直接并联输出，PFC采用CCM的控制方式，并使用软开关技术。优点是输出电容由三个单相变换器共享，在平衡状态，其上的低频纹波很小，因此可以采用快速的电压调节方式，而不会引起输入电流的畸变，动态性能较好。但三相之间存在耦合问题，致使各相模块的输入输出电流不相同。3单相PFC电路组合方式

（2）输出经变压器隔离后并联：变压器隔离的并联方式，则不存在这种耦合问题。近期有关于输出经变压器隔离连接的研究认为：试验功率等级不大；如果向较大功率级发展，则变压器的投资比较昂贵；整体说来，目前采用单相PFC电路组合这种方法实现三相PFC的比较少，主要是向负载供电时的耦合问题难以解决，如果能解决好各相间的耦合干扰问题，则在工业应用中有比较大的吸引力。4多开关三相PFC拓扑

包括三开关管和六开关管两种。如图所示为三相三开关PFC电路。开关S1,S2,S3是双向开关。由于电路的对称性，电容中点电位Vn与电网中点的电位近似相同，因而通过双向开关Sl,S2,S3可分别控制对应相上的电流。工作原理：开关合上时对应相上的电流幅值增大，开关断开时对应桥臂上的二极管导通(电流为正时，上臂二极管导通；电流为负时，下臂二极管导通)，在输出电压的作用下Boost电感上的电流减小，从而实现对电流的控制。该电路可分解为三个Boost电路，三相完全解耦。三相三开关PFC电路4多开关三相PFC拓扑

该电路工作于低频下显著特点是:无需快速器件，成本低；不需要中线，无三次谐波；满载时功率因数很高；开关应力小，关断压降低;但轻载时特性较差，所以特别适合于对设备体积要求不高、负载变化不大的场合。如果上面电路中的双向开关用一只全控器件与四只整流二极管组成的整流桥相联接构成的双向开关来代替，如下图所示，就形成了J.W.Kolar等提出的Vienna电路.用一个全控器件和四个整流二极管组成的开关单元4多开关三相PFC拓扑

Vienna电路的优点:结构简单，每相仅需一个功率开关;由于该电路具有三电平特性，减小了谐波，滤波负担轻;不需要中线，无三次谐波；满载时功率因数很高；开关率力小，关断压降低，开关损耗低；具有高的功率体积比或高功率重量比；与六开关全桥PFC整流电路相比开关管利用率高，高的运行可靠性，不存在开关直通问题。

缺点是:功率不能双向流动；每个桥臂要使用六只二极管，其中有两只为快速恢复二极管，二极管数目多。六开关管输入级采用三相桥式PFC方案，在6个桥臂上都有大功率高频开关器件（如MOSFET、IGBT等）。优点是控制灵活，交流输入侧功率因数高，满载可达0.99。缺点：高频开关器件多，控制电路复杂，后面详细讲。目前，对三相PFC的研究主要集中在以下几个方面：（1）新颖的三相PFC电路拓扑结构的研究；（2）软开关技术在三相PFC电路中的应用；（3）单管方式中各种新电路拓扑以及软开关技术的研究。（4）三电平、交错并联等技术以减小输入谐波和EMI滤波器的研究；由于三相PFC技术仍处于不成熟阶段，许多公司和实验室投入了大量的物力和人力，力图从电路结构和控制技术上取得新突破，以便找到一种成本低廉、结构简单、控制方便、具有软开关性能、响应速度快、输出电压动态范围宽的新型三相功率因数校正电路。3.4 PWM控制整流电路1引言

目前，大量AC-DC整流电源应用到工业领域当中去。在AC-DC-AC电压型变频器的变频调速系统中，传统的整流方式通常采用不控整流或相控整流方式，并假定中间的直流电压是固定不变的，逆变侧使用脉宽调制技术产生变频、变幅的输出交流电压，控制交流电机。近年来，随着IGBT、IGCT等全控器件的不断进步，PWM技术已十分成熟。把逆变电路的SPWM技术用于整流电路，就形成了PWM整流电路。通过控制整流桥臂上各开关管的导通和关断，使电路的输入电流近似为正弦，并且使其与输入电压同相位，具有功率因数高，输出电压纹波小，动态响应好等优点，这种整流电路可以称为单位功率因数变流器。§3高功率因数电力电子装置3.4PWM控制整流电路2 PWM整流器的主电路拓扑结构及工作原理

PWM整流器的主电路拓扑结构根据输出特性可划分为电压型与电流型两种；根据电源相数可划分为单相半桥（？）、单相全桥和三相全桥三种；此外，还有三电平三相PWM整流电路等。这类电路的特点是可以实现能量的双向流动。

（1）单相全桥电压型PWM整流器

通过控制整流器交流侧基波电压的幅值和相位即可控制整流器功率流向和功率因数角。这说明PWM整流电路在单位功率因数下既可以运行在整流状态，也可以运行在逆变（再生）状态，使能量回馈电网。（1）单相全桥电压型PWM整流器

iN

UNαUANURULαINUNURUANUL整流器单位功率因数向量图整流运行逆变运行3.4PWM控制整流电路2 PWM整流器的主电路拓扑结构及工作原理（2）三相全桥电压型PWM整流器

三相ＰＷＭ整流电路主要结构如图所示。同单相桥式一样，通过对开关K1，K2，K3，K4，K5，K6进行控制，在ＰＷＭ整流电路的交流输入端Ａ、Ｂ、Ｃ之间产生一个正弦波调制三相ＰＷＭ电压电路工作在整流状态，且输入功率因数可为1。3.4PWM控制整流电路2 PWM整流器的主电路拓扑结构及工作原理（3）三电平PWM整流器

三电平PWM整流器的工作原理本质在于通过k1j～k4j(j=a，b，c)的优化，使得交流AC侧线电流正弦化，功率因数接近于1。同时保证直流侧输出电压Vdc保持平衡，并且系统能工作在再生状态将能量从直流侧反馈到电网中去。3.4PWM控制整流电路3电压型PWM整流器的通用数学模型

为了便于分析整流器，画出整流器等值电路如图所示。当EL<Ud时，整流器工作在整流状态，当EL>Ud时，整流器工作在再生状态。由上图可得PWM整流器的通用数学模型3.4PWM控制整流电路3电压型PWM整流器的通用数学模型

在公式中，没有对开关函数di进行任何限制，所以该数学模型是一般形式，可以普遍的用于各种PWM开关方案，如果开关函数di被明确定义，就可以在任何时刻从上述方程求出一个确切的解.E=(VE1VE2VE3EL)TX=(I1I2I3Ud)T3.4PWM控制整流电路4

PWM整流电路的控制方法

控制技术是PWM整流器发展的关键，根据是否直接选取瞬态电流作为反馈和被控制量，PWM整流器的控制分为直接电流控制和间接电流控制两种。引入交流电流反馈的称为直接电流控制；没有引入交流电流反馈的称为间接电流控制。这些控制方案均可实现控制功率因数和输入电流波形的稳态作用，但他们的实现方法不同，动态响应不同，PWM模式不同，同时也就含有不同的谐波分量。（1）直接电流控制

直接电流控制是一种通过对交流电流的直接控制而使其跟踪给定电流信号的控制方法。其控制方式主要有滞环电流控制(HCC)、预测电流直接控制(PICC)及非线性载波控制(NLC)等方式。

a、滞环电流控制

b、预测电流直接控制（根据负载情况）c、非线性载波控制（不检测输入电压）3.4PWM控制整流电路4

PWM整流电路的控制方法

（2）间接电流控制间接电流控制也称相位幅值控制，是一种基于工频稳态的控制方法。它通过控制整流桥交流输入端的电压，使得交流侧输入电流与电压同相位，从而使功率因数为1，其控制方式常用的有移相SPWM控制、电压空间矢量调制方式等。a、SPWM控制（三角波比较）b、电压空间矢量PWM方式c、单周期控制（one-cycle）

3.5双PWM变频器1引言在变频调速领域,采用单PWM技术的普通变频器,其整流部分大多都采用不可控整流方式,但这种单PWM变频器存在功率因数低、网侧谐波污染严重、无法实现能量的再生利用等缺点,对于要求不太高的场合,可以通过功率因数补偿器或增加其它外围设备来提高功率因数、减小谐波、使能量能够再生利用。随着电力电子技术和微机控制技术的飞速发展,PWM整流技术的应用越来越广泛。

§3高功率因数电力电子装置3.5双PWM变频器2工作原理在交－直－交变频调速系统中，整流器和逆变器均采用PWM技术，称为双PWM变频调速。图为三相电压型双PWM变频器主电路。主电路由进线电抗器、整流器、中间储能电容器、逆变器和电机组成。

两种工作模式：(1)能量由三相交流电网流向电动机负载(2)电动机再生能量馈入三相交流电网

双PWM变频器可实现1）再生能量向电网回馈，可实现功率双向流动；2)采用PWM整流技术，它直接对整流桥上各电力电子器件进行正弦PWM控制，使得输入电流接近正弦波，其相位与电源相电压相位相同。使功率因数接近1，减少对电网的公害；3）双PWM具有输入电压、电流频率固定，波形均为正弦，功率因数接近1，输出电压、电流频率可变，电流波形也为正弦的特点。双PWM变频器在需要频繁可逆、快速制动的场合，如电力牵引，轧钢、电梯等领域得到了很好的应用。缺点：由于开关元件的增多，而使得成本提高、控制复杂；因有大电容（或大电感）而使得体积大、成本高。

3.5双PWM变频器

双PWM变频器拓扑结构简化图3.6矩阵式逆变器随着电力电子技术的迅速发展，交直交变频装置在传动系统中已经得到了广泛的应用，其调速性能优异，节能效果显著。但是由于采用了开关功率器件，交直交变频装置也存在一些固有的缺陷，如：开关功率元件数量过多、输出频率低、功率因数低等。因此研究高效率、高功率密度、高功率因数、大容量、而且成本较低的电能变换技术已成为当前的发展趋势。除双PWM变频装置之外，矩阵式变换器技术也是一种有效而可行的解决方案。

§3高功率因数电力电子装置矩阵式逆变器是一种直接变频电路，即不通过中间的直流环节，直接将一种频率的交流电变成另一种频率的交流电，其主电路拓扑结构如下图所示。所用的开关器件是全控型的，要求具有双向导通和双向阻断功能。3.6矩阵式逆变器

矩阵变换器的发展历程

1976年L.Gyugi和B.Pelly提出矩阵变换器和双向开关的概念；1980年M.Venturini和A.Alesina提出用晶体管构成双向开关的方案并实现矩阵变换器样机，同时提出一种矩阵变换器的调制算法-直接传递函数法；1983年J.Rodriguez提出“虚拟直流环节”概念和“间接传递函数”调制方法；1989年至1995年L.Huber和D.Borojevic发表了一系列矩阵变换器的研究结果，将间接传递函数法和空间矢量调制的概念用于矩阵变换器的控制，取得了令人满意的效果；矩阵变换器的发展历程

1992年C.L.Neft和C.D.Schauder验证了矩阵变换器可以用于异步电机的矢量控制，并可以得到较高质量的输入输出电流波形；1996年和1998年，T.Matsuo等人对采用矢量控制方法的矩阵变换器-异步电机系统进行了仿真分析，得到了一系列有价值的结果；1998年，D.Casadei等人首次将直接转矩控制法应用于对矩阵变换器的控制并取得了成功；2001年和2002年，C.Klumpper和P.W.Wheeler分别在各自的矩阵变换器样机上实现了对异步电机的矢量控制； 矩阵式逆变器由9个开关组成3X3矩阵，其中每个开关都是双向可控开关。为保证输入电源不短路，输出不断路，任一时刻一行元器件有且只有一个器件导通。下图所示为两种双向可控开关单元的实现。

矩阵式逆变器的优点是：中间无储能环节，输入电流可控制为正弦波，且 和电压同相，功率因数为1，也可控制为需要的其它功率因数；输 出电压也为正弦波，频率不受电网频率限制；能量可双向流动。缺点是：所需开关器件需双向全控器件；控制较复杂。3.6矩阵式逆变器换流技术

换流是指将负载电流从一个双向开关管换到另一个双向开关管的过程。在调制过程中，矩阵式变换器开关管通断状态不断改变，从而换流过程始终存在于矩阵变换器的运行过程中，因此，安全换流是矩阵式变换器控制策略中一项至关重要的问题。由于矩阵式变换器特殊的结构决定了输入侧不能短路、输出侧不能开路，使得控制开关之间的切换带来了相当大的难度。

四步换流策略；两步换流策略；智能换流方式；换流技术(4=>2)

图1四步换流示意图图2电流为正向时换流步骤图3电流为负向时换流步骤目前研究的重点

多步换流策略的可靠实现；过电压保护和过电流保护；双向开关的实现与集成化；非正常情况下的运行控制；输入滤波器的优化设计；

欧洲EUPEC公司研制的矩阵变换器开关矩阵模块

直接传递函数法；

间接传递函数法；

空间矢量调制方法；平均输出电压法；调制算法间接传递函数法和空间矢量法

虚拟整流器虚拟逆变器等效直流电压等效直流电流

对于虚拟逆变器，输出线电压空间矢量定义为：

对于虚拟整流器，输入相电流空间矢量定义为：

电压电流矢量均在第Ⅰ扇区情况下开关状态表调制矢量pnababacacaaABCabaabbaccacaaaaD输出电压uAB

uBC

uCAuab

-uab

0uab

0–uabuac

0–uacuac–uac

0000-iB

iB0

iA-iA0iA0-iA-iB

0iB000SAaSAbSAc100100100100100SBaSBbSBc010010001001100SCaSCbSCc100010001100100输入电流

ia

ib

ic

输出线电压矢量和输入电流矢量各由其所在扇区两个相邻矢量合成得到，一个采样周期内共有四种有效矢量组合方式和一个零矢量。为减小输出电压和输入电流中的谐波成分，提出如下九段式PWM控制策略。

国外近年来对矩阵变换器的研究2001年，欧洲的EUPEC公司已开发出专用于矩阵变换器的开关矩阵模块；2001年德国西门子公司与卡尔斯鲁厄大学研制了专门用于电机驱动的矩阵变换器样机；日本安川电机公司几年来一直在进行矩阵变换器－交流电机驱动系统在非正常工况的控制方法研究，并取得了一系列有意义的成果；日本富士电机公司试制成功可用于矩阵变换器的逆阻式IGBT模块；国外近年来对矩阵变换器的研究

丹麦Aalborg大学以C.Klumpner、P.Nielsen、D.Casadei、F.Blaabjerg、J.K.Pedersen等人为主要成员的研究小组在非正常工况下矩阵变换器的控制、空间矢量调制策略、保护电路设计、矩阵变换器-异步电机系统高性能控制等方面做出了非常出色的成绩；英国Nottingham大学以J.Clare和P.W.Wheeler为首的矩阵变换器研究组在换流策略（如提出两步换流，2002年申请了一步换流的专利）、矩阵变换器-异步电机系统高性能控制（结合矢量控制和直接转矩控制）等方面做出了较显著的成绩。同时，他们已经为美国陆军研制了一台采用最新换流技术并采用矢量控制技术的矩阵变换器样机，应用于其新一代军用车辆；国外近年来对矩阵变换器的研究

图5德国西门子公司研制的矩阵变换器样机国外近年来对矩阵变换器的研究

图6丹麦Aalborg大学研制的矩阵变换器国外近年来对矩阵变换器的研究

图7英国Nottingham大学研制的矩阵变换器国内近年来对矩阵变换器的研究

上海大学龚幼民教授根据矩阵变换器原理，提出统一电力变换理论，将开关函数概念应用于矩阵变换器的调制过程；2000年福州大学研制了恒频采样电流跟踪控制型矩阵变换器样机，并将其用于交流励磁器；清华大学黄老师课题组已经对矩阵变换器进行了两年多持续的研究，在采用间接函数法和空间矢量法构成组合控制器，矩阵变换器的建模与仿真，非正常工况下矩阵变换器的特性及控制等方面已做出了一定的成绩；§4无功补偿在交流电路中，当电感性设备作为用电负载时，由电源供给负载的电功率可以分为两部分：一部分是使电气设备能够正常运行的电功率，也就是将电能转换成其他形式能量的功率，叫做有功功率；另一部分是电能在电源和电感性负载之间交替往返的电功率，叫做无功功率。无功功率不做功，但却是电感性用电设备通过电磁感应，用来建立交变电磁场进行能量转换所不可缺少，并不是无用的电功率。尽管无功功率在一个元件上的平均功率为零，但它代表了在电感或电容中储存及释放磁场能量或电场能量所需要的真实的功率，每周期两次。和无功功率相关的能量是储存的感性及容性能量之和，代表着电力系统中，在电源、电感元件和电容元件之间发生的能量交换，虽不产生有用功率，但却使电力设备容量增加、设备和线路损耗增加，并使线路压降增大。 4.1引言§4无功补偿非正弦电路的无功功率和功率因数视在功率(ApparentPower)和有功功率的意义没有什么变化，而无功功率构成较复杂，可定义为：功率因数定义为：其中：，即基波电流有效值和总电流有效值之比，称为基波因数 称为基波功率因数。THD＝称为电流谐波总畸变率§4无功补偿视在功率

D畸变功率(Distortionpower/Harmonicpower),表示电流中的各次谐波与电压形成的无功功率。由于各谐波分量可能有不同的初相角，因此它无法表示整个瞬时无功的交变部分。尽管每一项Qn有明确的物理意义，但总和却完全失去了意义。如在特殊情况下，每一项Qn可能不为零，但总和可能为零，而此时在电源和负载之间可能有能量的交换。§4无功补偿瞬时功率定义：为了改进传统的功率概念，赤木泰文等人于1983年首先提出了瞬时功率的概念。首先，设三相相电压、相电流分别为ua，ub，uc；ia，ib，ic。将a-b-c坐标变为0坐标，变换如下：

4.2瞬时功率理论反变换§4无功补偿三相瞬时有功功率：

4.2瞬时功率理论瞬时实功率(realinstantaneouspower)

瞬时零序功率(realzero-sequencepower)利用0变换的优点之一是可以将系统中的零序分量分解出来。§4无功补偿4.2瞬时功率理论赤木泰文等人提出的瞬时功率定义如下，瞬时实功率瞬时虚功率用abc分量表示为在新的功率定义中，变量q

考虑了所有电压电流分量。因此，它就被赋予了不同的物理意义。q

被称为瞬时虚功率(instantaneousimaginarypower)，并定义了新的单位IVA。由上式可以看出，q不受零序分量的影响，而只取决于和分量。§4无功补偿4.2瞬时功率理论瞬时功率p和q可表示矩阵形式：

电流可表示为

式中=。§4无功补偿4.2瞬时功率理论。当三相正弦电压源作用于非线性负载时，各功率如下：或将p、q表示为§4无功补偿4.2瞬时功率理论。上式给出了新的功率理论与传统理论的联系。此例p的平均值即对应传统的平均功率。交变实功率(RealAlternatingPower)表示任意时刻单位时间内电源和负载之间传输的能量。此电源和负载之间的能量脉动表示在三相或两相电源或负载系统中能量的吞吐。虚功率q的平均值对应传统的无功功率。q的交变部分表示每一相的谐波无功功率，但和为零。尽管无功电流在每一相中存在，且占用导体截面，但虚功率对瞬时能量传输无作用。

§4无功补偿对电力系统中无功功率进行快速的动态补偿，可以实现如下功能： （1）对动态无功负荷的功率因数校正。 （2）改善电压调整、降低过电压、减少电压闪烁。 （3）提高电力系统的静态和动态稳定性，阻尼功率振荡。 （4）减少电压和电流的不平衡。

实际的静止无功补偿装置（如TCR、TCS、ASVG）往往只能以其中某一条或某几条为直接的控制目标，其控制策略也不尽相同。此外，这些功能有的属于对一个或几个在一起的负载的补偿效果（负载补偿），有的则是以整个输电系统性能的改善和传输能力为提高目标的（输电补偿）。不过，改善电压调整，调高电压稳定度，则是两者共同的目标。4.3静止无功补偿装置§4无功补偿同步调相机

用不带机械负载的同步电动机做同步调相机。通过调节同步电动机的励磁，在过励时同步电动机会吸收无功功率，欠励时发出无功功率，可以得到连续可调的无功功率源。同步调相机的伏安特性曲线如下图，当运行在滞后区时，吸收无功；运行在超前区时，发出无功。同步调相机的缺点是动态响应慢，损损耗大。同步调相机电压－电流特性

4.2静止无功补偿装置晶闸管控制投切电容器(TSC)

TSC(ThyristorSwitchedCapacitor)装置由若干组受反并联晶闸管投切控制的电容器组成，其结构如下图所示

TSC实际上就是断续可调的吸收无功功率的动态无功补偿器，在工程实际中，将电容器分成几组，根据电网对无功的需要投切这些电容。

4.2静止无功补偿装置晶闸管控制投切电容器(TSC)TSC投入电容的时刻，必须是电源电压与电容器预先充电电压相等，相位相同的时刻。否则，电容器上的电压产生阶跃变化，将产生一个冲击电流，可能损坏晶闸管。一般来讲，希望电容器预先充电电压为电源电压峰值，投切时刻也在电源电压峰值点，因为此时电压的变化率为零，

不会产生冲击电流。

TSC的优点是：运行时不会产生谐波，损耗小；其缺点是：不能连续调节无功功率。通常将TSC和TCR配合构成混合型补偿器。

4.2静止无功补偿装置晶闸管控制饱和电抗器(TCR)

TCR(Thyristor

ControledReactor)装置具有一个固定容量的电容器支路及一个受反并联晶闸管控制的电感器支路。其结构如下图所示

TCR装置总的无功功率为电感器无功功率与并联电容器的无功功率之和，通过调节晶闸管的控制角控制电感器的等效电感，可吸收大小连续的无功功率以满足电网需要。

4.2静止无功补偿装置晶闸管控制饱和电抗器(TCR)

TCR的电压电流特性曲线如下图。通过控制等效电感的大小，可以改变TCR的运行点，达到补偿的要求。

TCR的优点是：反应速度快，容量连续可调； 其缺点是：需要一个大容量的电容器，此外，由于吸收的无功功率 是电容器和电感器相互抵消的结果，在吸收或发出较小的无功功率 时，实际上电容器与电感器都已吸收了较大无功功率，都会有很大 的电流通过。

4.2静止无功补偿装置新型静止无功发生器(ASVG)

ASVG(AdvancedStaticVarGenerate)的基本原理就是将逆变器通过电感或直接并联在电网上，适当的调节逆变器的交流侧的输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。

下图分别为电压型和电流型ASVG的结构。

电压型ASVG结构电流型ASVG结构4.2静止无功补偿装置新型静止无功发生器(ASVG)在单相电路中，与基波无功功率有关的能量是在电源和负载之间来回往返的。但是在平衡的三相负载电路中，无论负载的功率因数如何，三相瞬时功率的和是一定的，在任何时候都等于三相总的有功功率。由此看来，在三相电路的电源和负载之间没有无功功率的流动，各相无功功率是在三相线路之间往返的，在总的负载侧就无需设置无功储能元件。理论上，ASVG的三相桥式变流电路的直流测无需能量补充。

当ASVG正常工作时就是通过电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成交流测与电网同频的输出电压，就像一个电压型逆变器，只不过是交流测输出接的不是负载而是电网而已。因此，当考虑基波负载时，ASVG可以等效的被视为幅值和相位均可控的一个与电网同频率的交流电压源，它通过交流电抗器连接到电网上。

4.2静止无功补偿装置新型静止无功发生器(ASVG)ASVG原理可以用如下图所示的单相等效电路表示，电网电压交流电抗L上的电压。只需使与同相，仅改变大于时，电流超前与电压90o，发出无功小于功率；当

时，电流滞后与电压90o，吸收无功功率。

ASVG输出的交流电压的幅值大小，即可以控制从电网吸收如图所示，当的电流是超前还是滞后90度，并且能控制吸收无功功率的大小。，

4.2静止无功补偿装置新型静止无功发生器(ASVG)下图是ASVG的电压电流特性曲线，改变控制系统的参数（电网电压的参考值Uref）可以使得到的电压电流特性上下移动。同时通过调整其变流器交流侧电压的幅值和相位，保持所能提供的最大无功电流ILmax和ICmax不变，从而大大增加了ASVG的运行范围（相对于传统SVC的倒三角形运行区域）。

4.2静止无功补偿装置几种无功补偿设备的比较TCR－FCTSC（TSR）TCR－TSCSTATCOM工作类型可控阻抗型可控阻抗型可控阻抗型可控电流源型V-I、V-Q特性决定于设备容量，基本与系统电压无关谐波谐波含量高，需采取多脉冲结构、顺序控制或滤波器方式抑制谐波谐波含量低，需要避免LC谐振谐波主要决定于TCR的结构和容量，可能需要抑制谐波多脉冲或多电平方式下谐波含量很低理论最大响应延时（传输迟延）半个周波一个周波一个周波很小，可以忽略电压暂态特性差，在阶跃扰动下FC会引起过电压一般，可在暂态过程中断开TSC避免过电压一般，可在暂态过程中断开TSC避免过电压可阻尼电压振荡造价(RMB/kVar)200-300200-300200-300300-5004.2静止无功补偿装置有源电力滤波器的基本原理

有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波，补偿无功功率的新型电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿。

电力有源滤波器的基本工作原理是，检测补偿对象的电压和电流，得出补偿电流指令信号，电流发生源根据该信号产生补偿电流，补偿电流和负载电流中需补偿的谐波电流和无功电流抵消，最终得到期望的电源电流。

§4无功补偿4.3有源电力滤波器电力有源滤波器有以下特点：现了动态补偿，响应速度极快；可同时对谐波和无功进行补偿，且补偿无功的大小可以连续调节；所需的储能元件容量小；可以对大电流负载进行补偿，无过载问题。受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振。能跟踪电网频率变化，补偿性能不收电网频率变化的影响。既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补偿。4.3有源电力滤波器根据与补偿对象连接的方式，以及是否与无源电力滤波器混合使用，APF可分为三种基本类型：并联型、串联型和混合型。

4.3有源电力滤波器

不同类型的APF适合于不同的补偿对象。串联型APF适合补偿电压型谐波源负载（即直流侧含有大电容滤波的整流电路）。并联型和混合型APF适合补偿电流型谐波源负载(即直流侧含有大电感滤波的整流电路)。并联型、串联型和混合型有源滤波器谐波电流检测4.3有源电力滤波器1基于Fryze

功率定义的检测方法

其原理是将负荷电流分解为与电压波形一致的分量,将其余分量作为广义无功电流(包括谐波电流)。它的缺点是:因为Fryze

功率定义是建立在平均功率基础上的,所以要求得瞬时有功电流需要进行一个周期的积分,再加其它运算电路,要有几个周期延时。因此,用这种方法求得的“瞬时有功电流”实际是几个周期前的电流值。2用模拟带带通滤波器捡测的方法

用模拟带通滤波器(或陷波器)检测负载电流。从检测到的信号中滤除基波信号，就可以得到所需补偿的谐波，通常可采用带通滤波器实现，即采用带通滤波器得出基波分量，再与被检测电流相减得到谐波分量。由于滤波器中心频率固定,当电网频率波动时,滤波效果会大大下降。此外滤波器的中心频率对元件参数十分敏感,这样要使滤波器得到理想的幅频特性和相频特性是很困难的,并且这种方法也不能同时分离出无功电流和谐波电流。这种方法现在已极少采用。

谐波电流检测4.3有源电力滤波器3基于频域分析的FFT检测法

该方法通过FFT将检测到的一个周期的谐波信号进行分解，得各次谐波的幅值和相位系数，将拟抵消的谐波分量通过带通滤波器或傅里叶变换器得出所需的误差信号，再将各误差信号进行FFT变换，即可得补偿信号。这种方法可以任意选择拟消除的谐波次数，但是需进行两次FFT变换，具有较长的时间延迟，瞬时性误差较大,实时性较差。且电压畸变将带来较大的非同步采样误差,特别是对高次谐波的检测精度影响较大。谐波电流检测瞬时无功功率法的原理是将三相静止系统变换为两相静止