基于单周期控制的功率因数校正技术研究

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3.0 朱铭铭 2024-09-20 4 4 571.5KB 31 页 150积分

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基于单周期控制的功率因数校正技术研究

第一章绪论

1.1 引言

随着水力发电、风力发电、太阳能转换电能等技术日趋完善，电能作为一种常规能源，

正被越来越广泛的使用，不管是人类生活，还是工作和研究，在能源的选择上就更偏向于

电能。电能与人类息息相关，构成了一张电网。

电能与其他能源不同，它不能大规模储存，发电、输电、配电和用电都要在同一瞬间完

成，而且发电和用电之间必须实时保持供需平衡，如果不能保持实时平衡，将危及用电的

安全性和连续性。输电的功能是将发电厂发出的电力输送到消费电能的地区，或进行相邻

电网间的电力互送，使其形成互联电网或统一电网，保持发电和用电或两电网间供需平衡

配电的功能是在消费电能的地区接受输电网受端的电力，进行分配，输送到城市、郊区、乡

镇和农村，进一步分配和供给工业、农业、商业、居民用工业及特殊需要的用电部门。输电功

能由升压变电站、降压变电站及其相连的输电线完成。所有输变电设备连接起来构成输电网，

所有配变电设备连接起来构成配电网。输电网和配电网统称为电网。发电厂、输电网、配电网

和用电设备连接起来组成为一个集成的整体，这个整体被称为电力系统。

从上述电网状况来看，发电和用电同样重要，同样影响电源质量。那么问题就出现了，

随着电力电子设备的应用越来越多，就如同池子里面游进更多的鱼虾，不仅资源要被分享

任何个体还会对整体产生影响。那么这些电力设备是如何影响电网的呢？

1.2 谐波的产生

在电力电子装置中，整流装置所占的比例最大，目前常用的整流装置几乎都采用二极

管或晶闸管相控整流。相控整流电路所产生的谐波污染和功率因数滞后是众所周知的，而

实际上直流侧含滤波电容的二极管整流电路也是污染严重的谐波源，其输入电流的基波分

量相位与电网电压相位大体相同，位移因数接近1，但由于其输入电流呈尖峰状造成的谐波

分量却很大，而总功率因数又很低，给电网造成严重污染。除了整流装置外，逆变器、斩波

器、开关电源等直流电压也大多是由二极管整流再经电容滤波得到的，因此谐波污染和无

功问题也很严重。此外彩电、个人计算机和各种家用电器及办公设备，都内含开关电源，它

们的日益普及带来的谐波污染问题也日趋严重。

1992 年日本电气学会发表了一项有关谐波源的调查报告，报告指出：在所有被调查的

用户中，最大谐波源为整流装置的用户约占89%，而且整流装置所产生的谐波含量约占电

网中谐波总量的 75%。尽管我国和日本处于不同的经济发展阶段，具体情况有较大的差别，

但上述调查结果仍然有较高的参考价值。

可见，电力电子装置的谐波危害普遍存在，那么究竟能给电网带来多大的影响呢？

1.3 谐波的危害

总的来说，电网谐波造成电网污染，使正弦电压波形畸变，使电力系统的发供电设备

出现异常和故障。概括起来有：

1、对供配电线路的危害。

（1）线路的稳定运行。

供配电系统中的电力线路与电力变压器一般采用电磁式继电器、感应式继电器或晶

体管继电器予以检测保护，使得在故障情况下保证线路与设备的安全。但由于电磁式继

电器与感应式继电器对10%以下含量高达 40%时又导致继电保护误动作，因而在谐波影

响下不能全面有效地起到保护作用。晶体管继电器虽然具有许多优点，但由于采用了整

流取样电路，容易受谐波影响，产生误动或拒动。这样，谐波将严重威胁供配电系统的

稳定与安全运行。

（2）影响电网的质量。

电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变。如民用配电系统中的中性

线，由于荧光灯、调光灯、计算机等负载，会产生大量的奇次谐波，其中 3 次谐波的含

量较多，可达 40%；三相配电线路中，相线上的 3的整数倍谐波在中性线上会叠加，使

中性线的电流值可能超过相线上的电流。另外，相同频率的谐波电压与谐波电流要产生

同次谐波的有功功率与无功功率，从而降低电网电压，浪费电网的容量。

2、对电力设备的危害。

（1）对电力电容器的危害。

当电网存在谐波时，投入电容器后其端电压增大，通过电容器的电流增加得更大，

使电容器损耗功率增加。对于膜纸复合介质电容器，虽然允许有谐波时的损耗功率为无

谐波时损耗功率的 1.38 倍;对于全膜电容器允许有谐波时的损耗功率为无谐波时的

1.43 倍,但如果谐波含量较高,超出电容器允许条件,就会使电容器过电流和过负荷,损

耗功率超过上述值，使电容器异常发热，在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化。

尤其是电容器投入在电压已经畸变的电网中时，还可能使电网的谐波加剧，即产生谐

波扩大现象。另外，谐波的存在往往使电压呈现尖顶波形，尖顶电压波易在介质中诱发

局部放电，且由于电压变化率大，局部放电强度大，对绝缘介质更能起到加速老化的

作用，从而缩短电容器的使用寿命。一般来说，电压每升高 10%，电容器的寿命就要缩

短 1/2 左右。再者，在谐波严重的情况下，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。

（2）对电力变压器的危害。

谐波使变压器的铜耗增大，其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因

漏磁通引起的杂散损耗都要增加。谐波还使变压器的铁耗增大，这主要表现在铁心中

的磁滞损耗增加，谐波使电压的波形变得越差，则磁滞损耗越大。同时由于以上两方

面的损耗增加，因此要减少变压器的实际使用容量，或者说在选择变压器额定容量时

需要考虑留出电网中的谐波含量。除此之外，谐波还导致变压器噪声增大，变压器的

振动噪声主要是由于铁心的磁致伸缩引起的，随着谐波次数的增加，振动频率在 1KHZ

左右的成分使混杂噪声增加，有时还发出金属声。

（3）对电力电缆的危害。

由于谐波次数高频率上升，再加之电缆导体截面积越大趋肤效应越明显，从而导

致导体的交流电阻增大，使得电缆的允许通过电流减小。另外，电缆的电阻、系统母线

侧及线路感抗与系统串联，提高功率因数用的电容器及线路的容抗与系统并联，在一

定数值的电感与电容下可能发生谐振。

3、对用电设备的危害。

（1）对电动机的危害。

谐波对异步电动机的影响，主要是增加电动机的附加损耗，降低效率，严重时使

电动机过热。尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场，形成与电动机旋转方向

相反的转矩，起制动作用，从而减少电动机的出力。另外电动机中的谐波电流，当频

率接近某零件的固有频率时还会使电动机产生机械振动，发出很大的噪声。

（2）对低压开关设备的危害。

对于配电用断路器来说，全电磁型的断路器易受谐波电流的影响使铁耗增大而发

热，同时由于对电磁铁的影响与涡流影响使脱扣困难，且谐波次数越高影响越大；热

磁型的断路器，由于导体的集肤次应与铁耗增加而引起发热，使得额定电流降低与脱

扣电流降低；电子型的断路器，谐波也要使其额定电流降低，尤其是检测峰值的电子

断路器，额定电流降低得更多。由此可知，上述三种配电断路器都可能因谐波产生误

动作。

对于漏电断路器来说，由于谐波汇漏电流的作用，可能使断路器异常发热，出现

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基于单周期控制的功率因数校正技术研究第一章绪论1.1引言随着水力发电、风力发电、太阳能转换电能等技术日趋完善，电能作为一种常规能源，正被越来越广泛的使用，不管是人类生活，还是工作和研究，在能源的选择上就更偏向于电能。电能与人类息息相关，构成了一张电网。电能与其他能源不同，它不能大规模储存，发电、输电、配电和用电都要在同一瞬间完成，而且发电和用电之间必须实时保持供需平衡，如果不能保持实时平衡，将危及用电的安全性和连续性。输电的功能是将发电厂发出的电力输送到消费电能的地区，或进行相邻电网间的电力互送，使其形成互联电网或统一电网，保持发电和用电或两电网间供需平衡配电的功能是在消费电能的地区接受输电网...

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