1.1.3 無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向

隨著大功率全控型晶閘管GTO及IGBT的出現(xiàn)，特別是相控技術(shù)、脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）、四象限變流技術(shù)的提出使得電力電子逆變技術(shù)得到快速發(fā)展，人們還研究用于動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)钠渌鞣N新形式，如電力無(wú)源濾波器、電力有源濾波器和單位功率因數(shù)變流器等，下面分別進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1.電力無(wú)源濾波器

電力無(wú)源濾波器即LC調(diào)諧濾波器，在補(bǔ)償諧波的同時(shí)還可以補(bǔ)償無(wú)功功率。該裝置由并聯(lián)電容器、電抗器，有時(shí)還包括電阻器等無(wú)源元件組成，以對(duì)某次諧波或其以上次諧波形成低阻抗通路，以達(dá)到抑制高次諧波的作用。因其成本低、技術(shù)成熟，目前被廣泛使用。用于實(shí)際的濾波器種類(lèi)有：各階次單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、二階寬頻與三階寬頻帶高通濾波器等。

一階單調(diào)諧濾波器的優(yōu)點(diǎn)是濾波效果好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是電能損耗比較大，但隨著品質(zhì)因數(shù)的提高而減少，同時(shí)又隨著諧波次數(shù)的減少而增加；而電爐正好是低次諧波，主要是2～7 次，因此，基波損耗較大。二階單調(diào)諧濾波器當(dāng)品質(zhì)因數(shù)在50 以下時(shí)，基波損耗可減少20%～50%，屬于節(jié)能型，濾波效果等效。三階單調(diào)諧濾波器是損耗最小的濾波器，但組成復(fù)雜些，投資也高些，一般用于煉鋼電弧爐系統(tǒng)中，其2次濾波器選用三階濾波器為好，其他次選用二階單調(diào)諧濾波器。高通（寬頻帶）濾波器，一般用于某次及以上次的諧波抑制。當(dāng)在電弧爐等非線(xiàn)性負(fù)荷系統(tǒng)中采用時(shí)，對(duì)5次以上起濾波作用時(shí)，通過(guò)參數(shù)調(diào)整，可形成該濾波器回路對(duì)5次及以上次諧波形成低阻抗通路。

電力無(wú)源濾波器的主要缺點(diǎn)是補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗變化和運(yùn)行狀態(tài)影響，且易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，而且只能補(bǔ)償固定頻率的諧波。

2.電力有源濾波器（APF）

電力有源濾波器的基本原理如圖1-3所示。

電力有源濾波器（Active Power Filter，APF）實(shí)際上是由全控電力電子器件構(gòu)成的采取PWM控制的逆變器，提供與諧波電流大小相等、極性相反的補(bǔ)償電流，使電網(wǎng)只含有基波電流，同時(shí)還可以提供無(wú)功電流，補(bǔ)償電網(wǎng)無(wú)功功率。其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)頻率和大小都變化的諧波以及變化的無(wú)功功率同時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償；可連續(xù)調(diào)節(jié)且響應(yīng)迅速；而且即使補(bǔ)償對(duì)象電流過(guò)大，有源電力濾波器也不會(huì)發(fā)生過(guò)載，并能正常發(fā)揮補(bǔ)償作用；受電網(wǎng)阻抗的影響不大，不容易和電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振，能跟著電網(wǎng)頻率的變化；既可對(duì)一個(gè)諧波和無(wú)功單獨(dú)補(bǔ)償，也可對(duì)多個(gè)諧波和無(wú)功源集中補(bǔ)償。另外，APF在無(wú)功功率補(bǔ)償時(shí)無(wú)需儲(chǔ)能元件，補(bǔ)償諧波時(shí)所需儲(chǔ)能元件容量也不大，因此體積小。

電力有源濾波器的交流電路分為電壓型和電流型，目前實(shí)用的裝置90%以上為電壓型。從與補(bǔ)償對(duì)象的連接方式來(lái)看，電力有源濾波器可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型。并聯(lián)型中有單獨(dú)使用、LC濾波器混合使用及注入電路方式，目前并聯(lián)型占實(shí)用裝置的大多數(shù)。APF隨著高功率大電流全控器件的發(fā)展和基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波電流瞬時(shí)檢測(cè)方法的提出得以迅猛發(fā)展，成為諧波抑制最重要的發(fā)展趨勢(shì)。

目前在我國(guó)已應(yīng)用的電力有源濾波器還很少，原因在于電力有源濾波器要使用全控元器件，而大功率電力電子器件目前基本依賴(lài)進(jìn)口，成本太高。將電力無(wú)源濾波器和有源濾波器相結(jié)合構(gòu)成混合濾波器，用電力無(wú)源濾波器補(bǔ)償、吸收緩慢變化的無(wú)功功率和高頻諧波，用電力有源濾波器補(bǔ)償沖擊性無(wú)功和低頻變化的諧波、兼有兩種濾波器優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前國(guó)際上諧波抑制方案研究的熱點(diǎn)。

3.單位功率因數(shù)變流器

與補(bǔ)償無(wú)功功率和濾波的方法相比，更為積極的方法是開(kāi)發(fā)不產(chǎn)生諧波且功率因數(shù)為1的新型變流器，即單位功率因數(shù)變流器（Unity Power Factor Converter）。

大容量變流器提高功率因數(shù)和減少諧波的主要方法是采用多重化技術(shù)。如果要求總功率因數(shù)為1，甚至提供超前的無(wú)功功率，則一般須使用自換相變流器。對(duì)電流型變流器，多重化就是將方波電流疊加，使得輸入電流為接近正弦的階梯波，或提高位移因數(shù)。其連接方式有串聯(lián)和并聯(lián)多重化，而控制方式則有移相、順序控制、非對(duì)稱(chēng)控制和滯后超前控制多重化等幾種形式。對(duì)電壓型變流器，必須用連接電感和交流電源相連，大多用移相多重化，將方波電壓疊加，使其在電網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生接近正弦的階梯波電壓，且與電源電壓保持適當(dāng)?shù)南辔魂P(guān)系，從而使輸入電流為與電源電壓同相位的正弦波。如果需要，可以控制輸入電流的相位，使變流器能對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償。多重化技術(shù)若配合PWM控制技術(shù)，可獲得更為理想的效果。

中等容量的單位功率因數(shù)變流器主要采用PWM整流技術(shù)，一般需要使用自關(guān)斷器件。以前對(duì)PWM逆變器研究較多，而對(duì)PWM整流器研究較少。對(duì)電流型整流器，可直接對(duì)各個(gè)電力半導(dǎo)體器件的通斷進(jìn)行PWM調(diào)制，使輸入電流為接近正弦且與電源電壓同相的PWM波形，從而得到接近1 的功率因數(shù)。對(duì)電壓型整流器，需將整流器通過(guò)電抗器與電源相連。

為實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)，小容量整流器多采用二極管整流加PWM斬波方式。這一方式在各種開(kāi)關(guān)電源中有著非常廣闊的應(yīng)用前景，必將對(duì)諧波污染的治理作出巨大的貢獻(xiàn)。由于電力電子裝置本身不產(chǎn)生諧波和無(wú)功是一種積極的節(jié)能降耗的措施，能獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。因而對(duì)單位功率因數(shù)變流器的研究近年來(lái)已成為電力電子領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。