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。到1994-1995年，PESC上有关功率因数校正技术报道的一个主要内容是把软开关技术和通常的功率因数校正技术相结合以提高功率因数校正电路的性能。近年来，有关连续导电模式下功率因数校正的控制新方法的研究也有不少
报道，主要有单周期控制（One Cycle Control）、滑模控制（Sliding ModeControl）以及其它新控制方法。同时，也提出了一些新颖的功率因数校正原理及拓扑结构。
近十几年，是PFC技术大发展的阶段,PFC技术的理论日趋完善,校正技术与软开关技术相结合,进一步提高了PFC电路的性能,国外开始了基于脉冲宽度调制(pulse-width modulation,PWM)整流器的交流传动应用系统研究,即双PWM变频
调速系统的研究,并且已有双PWM变频调速系统产品问世。特别是近几年，ABB 、罗克韦尔、GE、富士电机等公司相继都有产品问世，其中GE公司的INNOV ATION系列中压变频器在四象限运行方面比较领先，且在工程中运用的项目较多。双PWM结构的四象限变频器推出较早，在可逆系统中应用较多。目前的PFC技术，对于小容量系统，一般采用单相APFC电路，其在电路拓扑和控制技术方面的发展都比较成熟，已出现了各种商业化的专用控制芯片，如
UC3852 PFC集成控制器；对于大容量系统，三相六管高频整流电路和三相多电平整流电路等高功率因数整流技术得到了广泛的运用；而对于5～10 kV A 的中等容量系统, 如果沿用大容量系统中的高频整流等技术, 则实现复杂, 成本较高, 所以都采用一般的三相APFC电路。目前出现了采用三相PWM 整流技术的大功率不间断电源(UPS )和变频器。
3.3 PWM整流技术
PWM控制技术是首先在直流斩波电路和逆变电路中发展起来的技术。随着GTO晶闸管，IGBT等全控型器件的不断进步，PWM控制技术也逐渐丰富、成熟起来。目前空间矢量控制技术(SVPWM)已在交流变频调速，不间断电源中获得了非常广泛的应用。把逆变电路中的这种技术应用于整流电路中就形成了PWM整流电路。通过对PWM整流电路的适当控制，可以使网侧输入电流非常接近正弦波，且和网侧电压同相位，功率因数近似为1，这种整流电路就叫做单位功率因数整流器，不仅如此，因为该控制技术在相同的拓扑结构中适用于逆变电路，所以PWM整流电路还可以运行在有源逆变状态下，所以确切的说应当为PWM变流电路。
众所周知，工频二极管和晶闸管整流器存在两个缺点：一是从公共连接点吸取高峰值脉冲电流，使网侧功率因数降低，网损增加；二是给电网注入大量的谐波，造成严重的谐波污染，影响供电质量，危及电力系统安全、优质和经济的运行。因此，必须对这类整流器采取有效的抑制和改善措施。对于作为主要谐波源且功率因数很低的整流器，抑制谐波和提高功率因数的基本思路有两条:一是装
设补偿装置对其谐波进行补偿;二是对整流器本身进行改进。与设置补偿装置来补偿谐波相比，改进变流器自身性能的方法是一种更积极的方法，也是目前的研究热点之一。
电力电子技术、控制技术、微处理器技术的不断发展促使了PWM整流器不断向前发展，可以归纳为以下几个趋势：
1、多功能化和智能化
传统电力电子器件只有开关功能，而现代电力电子器件品种增多，功能扩大使用范围拓宽，不但具有开关功能，有的还具有放大、调制、振荡以及逻辑运算等功能。
2、高频化
提高整流器的开关频率可以显著降低交流输入电流的谐波含量，由此降低对电网的谐波影响，同时，提高开关频率还可以降低电路中无源器件的体积和容量从而提高系统的整体性和可靠性。
3、电路弱电化，数字化
全控型器件及其高频化的功能促进了电力电子的弱电化。随着微型计算机技术的发展，特别是DSP在电力电子系统中的应用日趋增多，使得电力电子从传统的模拟控制向数模混合控制以及全数字化控制的方向发展。数字化可以使控制系统软件化，并能实现复杂的控制算法，但是数字化系统的运算速度、稳定性抗干扰性值的考虑。
我国对PWM整流技术的研究起始于90年代初期，且主要集中于高等院校如华中科技大学、清华大学、北京交通大学、西南交通大学、西安交通大学、浙江大学他们作了大量基础研究工作，为PWM整流技术在我国的应用于发展作出了很大的贡献。目前，PWM整流技术以成为提高三相整流电路功率因数方面的重要技术。
国际上，PWM技术应用于三相PFC中的研究较早，国内研究稍晚，目前以实验研究为主。国内三相PFC研究的文献最早出现于90年代中期，随后三相PFC 技术的研究迅速引起关注，各种有关PFC技术的研究论文频频出现，取得了不少成果，到目前为止三相PFC技术的研究在国内方兴未艾，主要的研究工作和成果概括起来主要包括:仿真分析、建模分析、控制方法研究、控制电路改进研究、
国内目前的研究特点是集中于控制方法的实验研究，分析各参数与系统性能
之间的关系，并找出改善电流跟踪性能、提高输入功率因数的方法，仿真和实验是主要手段，对于系统建模研究较少。三相高功率因数整流的研究正处于发展中，今后的方向是新的拓扑结构研究和新的控制策略研究。
4 功率因数校正（PFC）技术研究的目的和意义
进入二十一世纪，PFC技术的研究方兴未艾，特别是在我国，对于这方面的要求和标准规范还不健全，功率因数校正研究的目的和意义具有如下几点：
(1) 开关电源功率因数校正技术作为电源的一门新兴技术，它的作用和重要性己得到广泛的认可，如何提高功率因数已成为当今电力电子界的研究热点。
(2) 提高功率因数，开发新型高功率因数变流器是节省能源、提高电能质量、保证电力系统安全稳定运行的要求。
(3) 针对谐波污染，国际上已制定了各种相关的标准和规定，以限制谐波的危害，净化电磁环境，如MIL-STD-1399、BELLCORE00l089、IEC555-2、IEE519等，其中ICE555-2标准自1994年起在欧盟国家全面实施，所有不符合此标准的用电装置不准在欧洲销售。随着这些标准的强制执行，以及IC厂家的积极努力，PFC技术势在必行。
(4) 在用电设备中采用PFC技术来提高功率因数、提高效率，可以减少电源整机成本，提高可靠性，对于提高产品的竞争力具有十分重要的意义。
(5) 在航空、航天等领域中，负载多为非线性负载，而且负载性质比较恶劣，对飞机电力系统和供电质量造成严重影响，致使飞机发电系统与机载设备、机载设备之间不能正常协调工作。功率因数校正技术能使网侧电流快速跟踪控制参考量，且不受负载电流的约束，即使负载电流有很大的谐波也不会使输入电流发生畸变。因此，功率因数校正对航空、航天领域有着重要意义。
5 功率因数校正（PFC）技术发展方向
近年来，功率因数校正技术研究的热点问题主要集中在以下几个方面：（1）新拓扑结构的提出，基于已有拓扑的原理，或新原理下的新拓扑结构，比如磁放大器PFC技术等。
（2）把DC/DC变换器中的新技术（如软开关技术和开关电容功率网络等）应用于PFC电路中。
（3）新控制方法（基于已有拓扑结构的新控制方法）以及基于新拓扑的特殊控制方法的研究。一般来说，目前控制技术的研究日趋复杂，广泛使用的中小功率
用电设备难以承受随之带来的成本增加。因此，对中小功率电器设备来说，控制简单的低成本功率因数校正电源是比较受欢迎的，而大功率电器设备则需要采用优良的控制技术构成高性能的功率因数校正电源。
（4）单级PFC稳压开关变换器的稳定性的研究。采用单级结构后，由于PFC和DC/DC变换部分存在不可避免的相互联系，因此有必要研究这类变换器的稳定性，以便设计出达到期望性能指标的开关电源。
（5）三相PFC的数字控制技术。PFC的模拟控制方法简单、直接, 但控制电路的元器件比较多, 电路适应性差, 容易受噪声干扰,而且调试比较费力, 若系统方案中应用模拟PFC芯片来实现APFC, 则其PFC系统不便于与其它控制系统进行协调控制。而数字控制系统具有高度集成化的控制电路、精确的控制精度以及稳定的工作性能, 随着数字控制技术的进一步发展及数字控制芯片（如DSP和复杂可编程逻辑器件（CPLD））的出现, 在PFC中使用数字控制技术已成为发展的趋势。PFC的数字化包括控制策略的数字化和PWM的数字化, 数字控制技术、PFC技术、多电平变换技术是目前电力电子技术领域的研究热点。
总之，成本低，结构简单、容易实现的，并且具有软开关性能、响应速度快、输出纹波低的单级隔离带有高功率因数的变换器是研究人员追求的最终目标。因此，高性能、低成本的功率因数校正技术具有极大的市场潜力和应用前景。