基于功率因素的電力電子變換器優(yōu)化研究

摘" 要：隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和智能化程度的提高，電力電子變換器的功率因素優(yōu)化已成為提高電力系統(tǒng)能效和穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段。功率因素低會(huì)導(dǎo)致電能的浪費(fèi)和電網(wǎng)的穩(wěn)定性下降，因此需要對(duì)功率因素進(jìn)行優(yōu)化。基于功率因素的電力電子變換器可以通過(guò)多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)功率因素的優(yōu)化。然而，目前關(guān)于功率因素優(yōu)化的研究仍在不斷深入，需要更加深入地研究和實(shí)踐。該文將重點(diǎn)探討功率因素的定義及計(jì)算方法，探討常用的提高功率因素實(shí)現(xiàn)電力電子變換器優(yōu)化的方法，并討論功率因素優(yōu)化在未來(lái)電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：功率因素；電力電子；變換器；優(yōu)化策略；應(yīng)用前景

中圖分類號(hào)：TM46" " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）28-0153-04

Abstract： With the development of power system and the improvement of intelligence， the power factor optimization of power electronic converter has become an important means to improve the energy efficiency and stable operation of power system. The low power factor will lead to the waste of electric energy and the decline of power grid stability， so it is necessary to optimize the power factor. Power electronic converters based on power factors can optimize power factors through a variety of methods. However， at present， the research on power factor optimization is still in-depth， which needs more in-depth research and practice. This paper focuses on the definition and calculation methods of power factors， discusses the common methods of improving power factors to realize the optimization of power electronic converter， and discusses the application prospect of power factor optimization in the future power system.

Keywords： power factor; power electronics; converter; optimization strategy; application prospect

電力電子變換器是現(xiàn)代電力系統(tǒng)中不可或缺的組成部分。它們能夠?qū)㈦娏π盘?hào)轉(zhuǎn)換為所需的形式和電壓級(jí)別，如將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，或?qū)⒌碗妷盒盘?hào)轉(zhuǎn)換為高電壓信號(hào)。電力電子變換器在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，如工業(yè)自動(dòng)化、風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電等。然而，電力電子變換器的使用也會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題，如電網(wǎng)污染、電力損耗和振蕩等。因此，為了提高電力電子變換器的效率和性能，研究功率因素優(yōu)化變得至關(guān)重要。功率因素是電力電子變換器的一個(gè)重要性能指標(biāo)，反映了變換器輸入電流和輸入電壓之間的相位差。功率因素越高，變換器輸入電流的效率就越高，電網(wǎng)損耗也越小。因此，優(yōu)化功率因素可以提高電力電子變換器的效率和性能，降低電網(wǎng)損耗，減少電網(wǎng)污染。對(duì)于基于功率因素的電力電子變換器研究也就更具意義。

1" 功率因素的定義與計(jì)算方法

1.1" 功率因素的定義

功率因素是指交流電路中實(shí)際功率與視在功率之比，通常用符號(hào)pf表示。實(shí)際功率是指電路中實(shí)際消耗的有用功率，例如燈泡、電動(dòng)機(jī)等設(shè)備消耗的功率。而視在功率是指電路中的總功率，包括實(shí)際功率和無(wú)功功率，其中無(wú)功功率是電路中產(chǎn)生的無(wú)用功率，例如電容器和電感器中存儲(chǔ)和釋放的能量。因此，功率因素可以用來(lái)衡量電路中有用功率的占比，越高表示電路中有用功率的比例越高，能量利用效率越高。

功率因素通常的取值范圍為0到1之間，當(dāng)功率因素等于1時(shí)，表示電路中只有有用功率，沒(méi)有無(wú)用功率，能量利用效率最高。而當(dāng)功率因素小于1時(shí)，表示電路中存在無(wú)功功率，能量利用效率較低。在實(shí)際應(yīng)用中，電力電子設(shè)備的功率因素對(duì)電力系統(tǒng)的能效和穩(wěn)定性具有重要影響，因此功率因素的優(yōu)化也成為電力電子技術(shù)研究和應(yīng)用的重要領(lǐng)域。

1.2" 功率因素的計(jì)算方法

通常情況下，功率因素的計(jì)算方法可以通過(guò)測(cè)量電路中的電流和電壓來(lái)進(jìn)行。假設(shè)電路中的電壓為 V，電流為I，則有

有功功率 P = VI＼cos＼theta；

視在功率 S = VI；

無(wú)功功率 Q = VI＼sin＼theta；

式中：＼theta表示電流和電壓之間的相位差，＼cos＼theta表示功率因素。從上面的公式可以看出，功率因素是有功功率和視在功率之比，即

如果有功功率和視在功率都可以直接測(cè)量，則可以使用上述公式來(lái)計(jì)算功率因素。如果只能測(cè)量電路中的電流和電壓，則可以使用以下公式來(lái)計(jì)算功率因素

2" 功率因素的影響因素

2.1" 負(fù)載類型

電力電子變換器的負(fù)載類型對(duì)功率因素的影響很大。根據(jù)負(fù)載類型的不同，功率因素會(huì)產(chǎn)生不同的變化。對(duì)于純電阻負(fù)載，其功率因素為1，即為純阻性負(fù)載。對(duì)于感性負(fù)載，由于感性元件會(huì)在電路中存儲(chǔ)能量并在下一個(gè)周期釋放，所以功率因素小于1，即存在無(wú)功功率[1]。對(duì)于容性負(fù)載，由于電容器可以存儲(chǔ)能量并在下一個(gè)周期釋放，所以功率因素大于1，即存在過(guò)量的有功功率。因此，在進(jìn)行功率因素優(yōu)化時(shí)，需要根據(jù)不同的負(fù)載類型選擇不同的方法來(lái)提高功率因素。

2.2" 電流諧波

電流諧波也會(huì)對(duì)功率因素產(chǎn)生影響。當(dāng)電流存在諧波時(shí)，諧波會(huì)引起額外的無(wú)功功率，從而降低功率因素。這是因?yàn)椋?dāng)電流諧波存在時(shí)，其對(duì)應(yīng)的電壓諧波將導(dǎo)致電容器和電感器中產(chǎn)生更多的無(wú)功功率。因此，在電力電子變換器的設(shè)計(jì)和控制中，需要考慮諧波抑制的方法來(lái)降低無(wú)功功率，提高功率因素。

2.3" 電壓波形

電壓波形也會(huì)對(duì)功率因素產(chǎn)生影響。如果電壓波形不是正弦波形，則會(huì)導(dǎo)致電流和電壓之間的相位差發(fā)生變化，從而影響功率因素。例如，在電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定或非正弦電壓的情況下，電力電子變換器的功率因素會(huì)下降，從而影響系統(tǒng)的能效和穩(wěn)定性。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要充分考慮電壓波形的影響，并選擇合適的控制策略和濾波器來(lái)提高功率因素。

2.4" 控制策略

電力電子變換器的控制策略也會(huì)對(duì)功率因素產(chǎn)生影響。不同的控制策略可能導(dǎo)致不同的相位差，從而影響功率因素。例如，PWM控制中的PWM調(diào)制率、電容補(bǔ)償中的電容器大小和位置、有源功率因數(shù)校正中的控制電路等都會(huì)影響功率因素的大小。因此，在進(jìn)行功率因素優(yōu)化時(shí)，需要充分考慮控制策略的選擇和參數(shù)優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)更高效的功率因素優(yōu)化。

3" 基于功率因素的電力電子變換器優(yōu)化方法

3.1" 電容補(bǔ)償

電容補(bǔ)償是一種簡(jiǎn)單有效的提高功率因素的方法。在電力電子變換器中，電容補(bǔ)償?shù)脑硎窃谳斎攵舜?lián)一個(gè)電容，使輸入電流的相位提前，從而提高功率因素。電容補(bǔ)償電路中，電容的大小應(yīng)根據(jù)負(fù)載類型和電壓等級(jí)來(lái)選擇。較大的電容可以在低頻下提高功率因素，但同時(shí)也會(huì)增加開(kāi)關(guān)器件的電壓應(yīng)力和電容器的成本。因此，電容的大小需要在功率因素優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)性之間進(jìn)行權(quán)衡。在電容補(bǔ)償中，電容器具有很強(qiáng)的抑制諧波的能力，可以減少電力電子變換器對(duì)電網(wǎng)的污染。此外，電容補(bǔ)償可以適用于各種負(fù)載類型，包括線性負(fù)載和非線性負(fù)載。電容補(bǔ)償電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，并且成本相對(duì)較低。然而，電容補(bǔ)償在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些限制。例如，在非線性負(fù)載和變化的負(fù)載情況下，電容補(bǔ)償?shù)男Ч麜?huì)變得不穩(wěn)定。此外，在高頻電路中，電容補(bǔ)償?shù)男Ч矔?huì)受到電容器的損耗和損耗角的影響。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體情況綜合考慮電容補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)和限制，選擇合適的功率因素優(yōu)化方法。

3.2" 有源功率因數(shù)校正

有源功率因數(shù)校正（APFC）是一種通過(guò)電路控制方式來(lái)提高功率因素的方法。在APFC中，通過(guò)控制電路中的開(kāi)關(guān)器件來(lái)調(diào)整輸入電流的相位和大小，從而提高功率因素。APFC通常使用電容器或電感器作為濾波器，將負(fù)載的諧波成分濾除，從而提高功率因素。與傳統(tǒng)的電容補(bǔ)償方法相比，APFC可以在負(fù)載變化和電網(wǎng)波動(dòng)的情況下保持穩(wěn)定的功率因素。APFC不僅可以提高功率因素，還可以降低負(fù)載的諧波含量，從而減少對(duì)電網(wǎng)的污染。此外，APFC還可以提高電力電子變換器的效率和性能，并延長(zhǎng)其壽命。然而，APFC方法需要更復(fù)雜的電路和控制策略，因此成本和實(shí)現(xiàn)難度也相應(yīng)提高。在APFC電路中，電容器和電感器的選擇也需要考慮負(fù)載類型、電壓等級(jí)和電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等因素。此外，APFC還存在一些限制，例如在高溫環(huán)境下，電容器的壽命會(huì)縮短，從而影響APFC電路的效果。

3.3" 多電平換流器

多電平換流器是一種特殊的電力電子變換器，能夠生成多種不同電壓等級(jí)的輸出波形，從而減少負(fù)載中的諧波成分[2]。多電平換流器可以有效地提高功率因素，降低電網(wǎng)損耗，并減少電網(wǎng)污染。多電平換流器的實(shí)現(xiàn)需要使用多個(gè)開(kāi)關(guān)器件和控制電路，因此成本和實(shí)現(xiàn)難度也相應(yīng)提高。在多電平換流器中，常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括級(jí)聯(lián)H橋拓?fù)洹PC拓?fù)浜蚆MC拓?fù)涞取＿@些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)高效的功率因素優(yōu)化和諧波抑制，適用于各種負(fù)載類型和電壓等級(jí)。然而，多電平換流器的成本和復(fù)雜性較高，需要進(jìn)行充分的設(shè)計(jì)和控制。在多電平換流器中，控制策略對(duì)功率因素優(yōu)化和諧波抑制具有重要影響。例如，在級(jí)聯(lián)H橋拓?fù)渲校梢允褂肞WM調(diào)制技術(shù)和諧波注入技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)功率因素優(yōu)化和諧波抑制。在MMC拓?fù)渲校梢允褂梅謺r(shí)多電平調(diào)制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)功率因素優(yōu)化和諧波抑制。因此，在多電平換流器的設(shè)計(jì)和控制中，需要充分考慮控制策略的選擇和優(yōu)化。

3.4" 諧波抑制

諧波抑制是一種通過(guò)濾波器或降低電流諧波來(lái)提高功率因素的方法。諧波抑制可以通過(guò)選擇合適的濾波器來(lái)濾除諧波成分，從而降低無(wú)功功率，提高功率因素。諧波抑制可以通過(guò)被動(dòng)濾波或主動(dòng)濾波來(lái)實(shí)現(xiàn)。被動(dòng)濾波使用電容或電感器來(lái)濾除諧波，主動(dòng)濾波則需要使用控制電路來(lái)生成反相諧波信號(hào)，從而抵消負(fù)載中的諧波成分。被動(dòng)濾波器通常使用L型或π型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中電感和電容分別串聯(lián)或并聯(lián)。這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以有效地濾除諧波成分，從而提高功率因素。被動(dòng)濾波器的設(shè)計(jì)需要考慮負(fù)載特性和濾波器的損耗和成本等因素。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體情況選擇合適的被動(dòng)濾波器結(jié)構(gòu)和參數(shù)。主動(dòng)濾波器通常使用諧振式或無(wú)諧振式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中諧振式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要使用電容器和電感器來(lái)實(shí)現(xiàn)諧振，無(wú)諧振式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則可以直接使用開(kāi)關(guān)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]。主動(dòng)濾波器的設(shè)計(jì)需要充分考慮控制電路的穩(wěn)定性和精度，以保證諧波抑制的效果和功率因素的優(yōu)化。與被動(dòng)濾波器相比，主動(dòng)濾波器具有更高的諧波抑制能力和功率因素優(yōu)化效果。主動(dòng)濾波器可以適用于各種負(fù)載類型和電壓等級(jí)，并且可以實(shí)現(xiàn)更高的控制精度和靈活性。然而，主動(dòng)濾波器的成本和復(fù)雜性較高，需要進(jìn)行充分的設(shè)計(jì)和控制。

3.5" 預(yù)測(cè)控制

預(yù)測(cè)控制是一種基于預(yù)測(cè)模型的控制方法，可以用來(lái)優(yōu)化電力電子變換器的效率和性能。預(yù)測(cè)控制可以預(yù)測(cè)負(fù)載的電流和電壓變化趨勢(shì)，從而選擇合適的控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)功率因素優(yōu)化。預(yù)測(cè)控制需要使用高級(jí)算法和計(jì)算能力，因此適用于大型電力電子變換器。在預(yù)測(cè)控制中，通常使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等算法來(lái)建立負(fù)載的預(yù)測(cè)模型。根據(jù)預(yù)測(cè)模型的結(jié)果，可以選擇合適的控制策略，例如PWM調(diào)制、電容補(bǔ)償或諧波抑制等方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)功率因素優(yōu)化。預(yù)測(cè)控制可以充分考慮負(fù)載變化和電網(wǎng)波動(dòng)等因素，從而實(shí)現(xiàn)更高效的功率因素優(yōu)化和能量轉(zhuǎn)換。然而，預(yù)測(cè)控制的實(shí)現(xiàn)需要較高的計(jì)算能力和模型訓(xùn)練和驗(yàn)證，因此成本和實(shí)現(xiàn)難度較高。此外，預(yù)測(cè)控制的穩(wěn)定性和精度也需要得到充分的保障，以確保其在實(shí)際應(yīng)用中的效果。

3.6" 優(yōu)化控制算法

控制算法對(duì)電力電子變換器的功率因數(shù)優(yōu)化效果具有重要影響。常用的功率因數(shù)控制算法包括直接功率控制、電流注入控制、諧波注入控制等。其中，諧波注入控制是一種常用的方法，其原理是在變換器輸出電流中注入一定頻率和振幅的諧波電流，通過(guò)諧波電流和負(fù)載電流的相互作用實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的優(yōu)化。諧波注入控制方法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，且能夠在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)，因此被廣泛應(yīng)用。除了常用的功率因數(shù)控制算法外，現(xiàn)代控制技術(shù)如PID控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等也可以用于功率因數(shù)優(yōu)化控制。PID控制是一種經(jīng)典的控制方法，通過(guò)對(duì)誤差、積分和微分進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度的控制。模糊控制通過(guò)將不確定的信息量化為模糊集合，并基于規(guī)則庫(kù)進(jìn)行推理，實(shí)現(xiàn)對(duì)非線性、復(fù)雜系統(tǒng)的控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制通過(guò)構(gòu)建多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模、高維度系統(tǒng)的控制。在實(shí)際應(yīng)用中，常常結(jié)合多種控制技術(shù)，例如將諧波注入控制與PID控制相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)更好的功率因數(shù)優(yōu)化效果。此外，還可以采用自適應(yīng)控制、魯棒控制等高級(jí)控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)不確定因素、擾動(dòng)等的自適應(yīng)控制，提高系統(tǒng)魯棒性和性能[4]。

3.7" 選用高性能、高可靠性的器件

電力電子器件的選用對(duì)電力電子變換器的性能和可靠性具有至關(guān)重要的影響。目前常用的電力電子器件包括功率MOSFET、IGBT、SiC MOSFET等。這些器件的性能和應(yīng)用范圍各不相同，因此在選擇器件時(shí)需要根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行評(píng)估。功率MOSFET是一種常見(jiàn)的電力電子器件，具有導(dǎo)通電阻低、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，適用于中低壓、中頻率應(yīng)用。IGBT是另一種常見(jiàn)的電力電子器件，具有低導(dǎo)通電阻、高開(kāi)關(guān)速度、耐電壓能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于中高壓、低頻率應(yīng)用。然而，IGBT也存在導(dǎo)通損耗大、熱穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，影響著其在高溫環(huán)境下的應(yīng)用。相比之下，SiC MOSFET具有低導(dǎo)通電阻、高開(kāi)關(guān)速度、高溫穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，適用于高頻率、高溫、高壓等應(yīng)用場(chǎng)合。SiC MOSFET的導(dǎo)通損耗較低，因此可以實(shí)現(xiàn)更高的功率密度和效率，使得電力電子變換器更小型化、輕量化。此外，SiC MOSFET的熱穩(wěn)定性也很好，可以在高溫環(huán)境下保持較穩(wěn)定的性能，因此適用于一些苛刻的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景。

4" 基于功率因素的電力電子變換器應(yīng)用前景

4.1" 電動(dòng)車充電系統(tǒng)

隨著電動(dòng)車的普及，電動(dòng)車充電系統(tǒng)的功率因素優(yōu)化成為一個(gè)重要問(wèn)題。電動(dòng)車充電系統(tǒng)需要在較短時(shí)間內(nèi)充滿電池，這就需要使用高功率的電力電子變換器。功率因素低會(huì)導(dǎo)致充電效率低下和電能的浪費(fèi)。基于功率因素的電力電子變換器可以通過(guò)優(yōu)化控制算法和選擇合適的濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)功率因素的優(yōu)化，提高充電效率和電能的利用效率。

4.2" 變頻空調(diào)系統(tǒng)

變頻空調(diào)系統(tǒng)需要使用電力電子變換器進(jìn)行調(diào)節(jié)，功率因素低會(huì)導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)的效率低下和能源的浪費(fèi)[5]。基于功率因素的電力電子變換器可以通過(guò)控制電路中的開(kāi)關(guān)器件來(lái)調(diào)整輸入電流的相位和大小，從而提高功率因素。通過(guò)功率因素的優(yōu)化，可以提高空調(diào)系統(tǒng)的效率和能源利用效率。

4.3" 高壓直流輸電系統(tǒng)

高壓直流輸電系統(tǒng)需要使用電力電子變換器進(jìn)行變流和變壓操作。功率因素低會(huì)導(dǎo)致輸電效率低下和電能的浪費(fèi)。基于功率因素的電力電子變換器可以通過(guò)選擇合適的控制策略和濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)功率因素的優(yōu)化，提高輸電效率和電能利用效率。

4.4" 變電站電力電子變壓器

變電站電力電子變壓器是未來(lái)電力系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，可以實(shí)現(xiàn)高效率、高穩(wěn)定性的電力傳輸。功率因素低會(huì)導(dǎo)致電能的浪費(fèi)和電網(wǎng)的穩(wěn)定性下降。基于功率因素的電力電子變壓器可以通過(guò)控制器件的開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)功率因素的優(yōu)化，從而提高電能的利用效率和電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

4.5" 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)需要使用電力電子變換器將風(fēng)力轉(zhuǎn)換為電能[6]。功率因素低會(huì)影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電能的利用效率。基于功率因素的電力電子變換器可以通過(guò)選擇合適的控制策略和濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)功率因素的優(yōu)化，從而提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。

4.6" 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)

太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)需要使用電力電子變換器將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能。功率因素低會(huì)影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電能的利用效率。基于功率因素的電力電子變換器可以通過(guò)控制電路中的開(kāi)關(guān)器件來(lái)調(diào)整輸入電流的相位和大小，從而提高功率因素。通過(guò)功率因素的優(yōu)化，可以提高太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的效率和能源利用效率。

5" 結(jié)束語(yǔ)

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和智能化程度的提高，電力電子變換器的功率因素優(yōu)化將成為電力系統(tǒng)能效提升和電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段。通過(guò)優(yōu)化功率因素，可以提高電能的利用效率和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。基于功率因素的電力電子變換器在電動(dòng)車充電、變頻空調(diào)、高壓直流輸電、變電站電力電子變壓器、風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。未來(lái)，需要繼續(xù)研究和開(kāi)發(fā)新的功率因素優(yōu)化方法和技術(shù)，以滿足電力系統(tǒng)能效提升和電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的需求。

參考文獻(xiàn)：

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