1 引言

電力污染問題由來已久，隨著大量非線性負荷與大量非線性電力電子變換器的使用，這一問題更加嚴重，已經(jīng)造成了巨大危害，亟待進行綜合治理。諧波的產(chǎn)生大致有以下幾個來源:
(1) 發(fā)電環(huán)節(jié)
同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)與接線不合理將會產(chǎn)生畸變電壓或頻率漂移，大電網(wǎng)系統(tǒng)存在著長期低頻振蕩現(xiàn)象，大量用電設備無規(guī)律地切投使用;
(2) 送電環(huán)節(jié)
輸配電設備的非線性和異常工作以及氣候條件的改變;
(3) 用電環(huán)節(jié)
大量非線性電力設備的使用無疑是一個重要原因:
·具有磁飽和特性的鐵芯設備, 如變壓器、電抗器等;
·電弧設備，如氣體放電燈、交流弧焊機、煉鋼電弧爐等;
·電力電子變換設備，如各種電力變流設備(整流器、逆變器)、相控調(diào)速和調(diào)壓裝置以及大容量的電力晶閘管可控開關設備。
這些電力設備廣泛地用于各行各業(yè)，量大面廣，造成了嚴重的高次諧波、次諧波和間諧波電流問題，迫使電網(wǎng)電壓出現(xiàn)失真。電力污染還包括電力電子變換器向電網(wǎng)或周邊設備發(fā)射的電磁干擾，包括連續(xù)騷擾電壓、斷續(xù)騷擾電壓、騷擾功率以及電壓暫降等方面，連同諧波電流一起構(gòu)成了電力設備的電磁干擾(emi)。
電力諧波的直接后果是電網(wǎng)負荷額外增加，供電能力下降，損耗加劇，故障增多，損失加重，而且還對其它電氣設備造成影響，具體表現(xiàn)在以下幾個方面:
(1) 對發(fā)配電和用電設備的影響;
(2) 對旋轉(zhuǎn)電機的影響;
(3) 對變壓器的影響;
(4) 對輸電線路的影響;
(5) 對電力電容器的影響;
(6) 影響繼電保護和自動裝置的工作和可靠性;
(7) 使測量和計量儀器的指示和計量不準確;
(8) 干擾通信系統(tǒng)的工作;
(9) 對用電設備工作質(zhì)量的影響。
諧波問題是關系到供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量的一個重要問題，它不但與供電部門有關，而且還關系到廣大電力用戶和電器設備制造廠的切身利益。為減少供電系統(tǒng)的諧波問題，應該從管理上和技術上采取對策。

國際上比較著名的標準有1981年ieee制定頒布的ieee519標準和ice555-2。ieee519-1992作為一推薦性(非強制性)的標準限制了電網(wǎng)電壓和終端用戶電流的畸變，國際標準(is)cei1000-3-2(1996)規(guī)定了低壓設備在輸入相電流不超過16a的諧波限制標準，cei1000.3.4(1997)則給出了輸入相電流在16a以上諧波電流規(guī)定。歐洲標準en50-160規(guī)定了電能質(zhì)量和諧波限制。

我國早在1984年原水利電力部就制定和頒布了《電力系統(tǒng)諧波管理暫行規(guī)定》(sd126－84)。此外，1993年3月1日頒發(fā)了國家標準gb/t14549-1993《電能質(zhì)量-公用電網(wǎng)諧波》，該標準考慮了不同諧波源疊加計算的方法，規(guī)定了各級電網(wǎng)電壓諧波總畸變率和用戶注入電網(wǎng)的諧波電流容許值，對限制公用電網(wǎng)中的諧波起到了積極的作用。1998年12月14日發(fā)布了國家標準gb17625.1-1998《低壓電氣及電子設備發(fā)出的諧波電流限值(設備每相輸入電流≤16a)》，等效采用iec6100-3-2:1995，但在技術內(nèi)容上與國際標準完全一致。gb17625.1規(guī)定了準備接入公用低壓配電系統(tǒng)中的電氣、電子設備(每相輸入電流≤16a)可能產(chǎn)生的諧波的限值。只有經(jīng)過試驗證實符合該標準限值要求的設備才能接入配電系統(tǒng)中。這樣就可以對低壓電氣及電子產(chǎn)品注入供電系統(tǒng)的總體諧波電流水平加以限制。

該標準對以下四類設備規(guī)定了諧波電流的發(fā)射限值:
a類設備: 平衡的三相設備以及除b、c和d類外的所有其它設備;
b類設備: 便攜式電動工具;
c類設備: 包括調(diào)光裝置的照明設備;
d類設備: 輸入電流具有標準所定義的“特殊波形”，且其有功功率不大于600w的設備。該標準還規(guī)定了試驗電路和對試驗電源的要求、對測量設備的要求和試驗條件等內(nèi)容。

鑒于家電領域電力污染的嚴重性以及適應加入wto后出口需要，2001年12月7日在人民大會堂國家認證認可監(jiān)督管理委員會適時地制定了《強制性產(chǎn)品認證管理規(guī)定》，標志為中國強制認證、ccc或3c認證，生效日期為2003年5月1日，這是中國在諧波治理法規(guī)方面又一重大舉措。
消除電網(wǎng)諧波，過去較多地使用無源濾波器，它雖然具有結(jié)構(gòu)簡單、對高次諧波濾除效果明顯等優(yōu)點，但一般只適用于靜態(tài)條件下工作，而且只能針對某些高次諧波進行補償。當電網(wǎng)阻抗及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，會嚴重影響其濾波性能，并可能引發(fā)過載、串并聯(lián)諧振等不利現(xiàn)象。而在補償感應電動機功率因數(shù)時，常常采用投切電容器補償，具有響應速度慢、不能連續(xù)補償?shù)娜秉c。
解決諧波問題的思路主要有兩條:
(1) 被動方法，集中補償
設計有源電力濾波器(active power filter)抑制或消除非線性功率裝置產(chǎn)生的諧波污染;
(2) 主動方法，就地補償

設計單位功率因數(shù)裝置作為現(xiàn)有電力電子裝置的前級電路，徹底消除產(chǎn)生電網(wǎng)諧波的根源。
就地補償一般采用高功率因數(shù)整流技術，使其盡量不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)接近于1。目前發(fā)展有整流電路多重化、pwm整流、帶斬波器的二極管整流和矩陣式變頻器等方法。就目前應用情況來看，高功率因數(shù)整流要求對每臺設備設計專用濾波裝置，系統(tǒng)總體成本比集中補償要高，因此目前多數(shù)采用集中補償或者兩者相結(jié)合的方法消除系統(tǒng)諧波。

由于采用單相電源供電的非線性負載的使用日益增多和廣泛，尤其采用交－直－交變頻器作為傳動電源的電器設備，例如變頻空調(diào)，都采用傳統(tǒng)的不可控整流器作為變頻器的功率前級，負責向后級逆變器提供直流電壓，因而不可避免地帶來諧波污染問題，為此必須采用功率因數(shù)校正技術。從采用的控制手段來講，單相電源供電設備的功率因數(shù)校正不外乎無源pfc、部分有源pfc和完全有源pfc三種。其中完全有源pfc濾波技術已經(jīng)成熟，控制效果完善，一般認為輸出功率上限可達4.0~5.0kw。本文主要針對單相有源pfc，即單相有源ac-dc變換器。

隨著相關技術的發(fā)展，單相有源ac-dc變換技術得到了全面的發(fā)展和廣泛的應用，出現(xiàn)了許多技術成果。控制器可以采用mcu和dsp，功率電感可以采用常規(guī)電感和平面電感，電感制作采用了磁集成技術，磁芯材料可以選用鐵氧體、非晶體和各種磁粉芯，開關頻率可以在十幾khz～接近100khz; 電流檢測可以采用分流電阻、電流互感器和電流霍爾傳感器; 電流采樣可以采用峰值電流采樣和平均值電流采樣; 導通模式可以采用ccm、dcm和crm; 拓撲結(jié)構(gòu)可以采用兩電平、三電平和多電平結(jié)構(gòu)，也可以采用串聯(lián)交錯結(jié)構(gòu)和并聯(lián)交錯結(jié)構(gòu); 電路設計可以采用器件分立、功率集成和智能功率模塊; 控制原理一般均為采用輸出電壓閉環(huán)和電感電流閉環(huán)以及乘法器環(huán)節(jié)，功率開關控制上采用硬開關技術和軟開關技術，調(diào)制頻率上采用固定開關頻率、空載輕載降低開關頻率和調(diào)制開關頻率，在理論分析上單周期控制算法、混沌控制理論等數(shù)學工具和控制算法都得到了廣泛運用。

就目前而言，最常用、最典型與最易于接受的交流電源供電的升壓型單相有源ac-dc變換器為傳統(tǒng)的boost有源pfc，已經(jīng)在通訊行業(yè)以及家電空調(diào)領域得到了廣泛應用，非常多的廠商看準了這個市場機遇，包括siemens、unitrode、st、onsemi、ti等世界著名ic生產(chǎn)廠商都推出了各自系列的全模擬有源pfc控制器，如tda16888、l4981a/b、l6561、l1650、l1651、vk05、uc3854an/bn、cm6901以及ucc3818等等。個別芯片除了具有有源pfc功能外，還具備用于開關電源的pwm能力，支持整機輸出功率范圍從十幾瓦到5.0kw不等。個別芯片還具有開關頻率調(diào)制能力，以便改善系統(tǒng)的emc環(huán)境。對于小功率有源pfc(≤150w)，大都采用斷續(xù)電流工作模式(dcm)或臨界電流工作模式(crm)。對于大功率有源pfc，一般采用平均電流采樣方式和連續(xù)電流工作模式(ccm)，這也是一種改善emi的舉措。

電力變換的一個特點是拓撲變換和原理演化，單相有源ac-dc變換電路也不例外,目前已經(jīng)出現(xiàn)了非常多的電路都能夠?qū)崿F(xiàn)有源ac-dc變換，同時可以實現(xiàn)升壓功能、降壓功能和升降壓功能，可參閱有關資料。其中有一類電路，它們具有不同的電路結(jié)構(gòu)，但是可以直接利用或變動后利用現(xiàn)有的傳統(tǒng)升壓有源pfc的工作原理和控制電路，這些電路在家電行業(yè)和通信行業(yè)具有應用價值。本文主要描述具有上述特征的單相有源ac-dc變換器，給出它們的拓撲，并給出應用實例。

2 傳統(tǒng)單相升壓有源pfc的推廣

圖1 基本boost pfc 工作原理1

傳統(tǒng)的單相升壓ac-dc變換器，即單相有源pfc的拓撲，見圖1。其工作原理的實質(zhì)是:借助功率開關s1有規(guī)律的通斷，通過整流橋?qū)㈦娫磛s短路，使得電感l(wèi)1不斷地儲存能量，并且將全部儲能或者部分儲能釋放到負載側(cè)的直流電解電容，目標是獲得與電源電壓同步的正弦輸入電流波形和穩(wěn)定的直流輸出電壓。其控制原理見圖2，主要包含一個乘法器、一個電壓閉環(huán)和一個電流閉環(huán)。乘法器負責將電壓誤差放大器輸出、輸入電壓參考波形與電源電壓有效值平方的倒數(shù)相乘，得到綜合的電流參考信號。電源電壓有效值平方的倒數(shù)可以用來調(diào)節(jié)輸入電壓范圍，以滿足寬范圍電壓供電的要求，如85vac～275vac。電壓閉環(huán)負責將給定電壓與實際電壓進行誤差放大，目標是維持輸出電壓穩(wěn)定。電流閉環(huán)負責將電流參考信號與實際檢測電流信號相比較后進行pi調(diào)節(jié)，并產(chǎn)生最終控制信號，與三角載波比較后得到實際pwm信號, 驅(qū)動功率開關s1。

圖2 基本boost pfc 工作原理2

傳統(tǒng)單相升壓ac-dc變換器的特征是:升壓電感與功率開關置于整流橋之后，功率開關短路的是整流后的正弦半波電壓，因此也可以說單相有源pfc為dc-dc變換器，而整流橋才是ac-dc變換器。基于該原理，傳統(tǒng)的升壓式單相ac-dc變換器可以進行演化。根據(jù)功率開關的位置，可以演化出的四組拓撲:橋后、橋中、橋前和倍壓，其中每一組又包含多種具體方案。

2.1 橋后有源ac-dc變換器
這種拓撲的升壓電感與功率開關置于整流橋的后級，開關短路的是整流后的正弦半波電壓，而且這類拓撲可以演化出串聯(lián)交錯和并聯(lián)交錯拓撲，見圖3～圖8。

圖3 橋后有源ac-dc變換器1

圖4 橋后有源ac-dc變換器2

圖5 橋后有源ac-dc變換器3

圖6 橋后有源ac-dc變換器4

圖7 橋后有源ac-dc變換器5

圖8 雙重并聯(lián)交錯有源ac-dc變換器

2.2 橋中有源ac-dc變換器
單相全控橋ac-dc變換器拓撲，見圖9，它既可以作為有源電力濾波器使用，也可以實現(xiàn)升壓有源pfc。對于后者，開關s1~s4的組合有多種，為實現(xiàn)單位輸入功率因數(shù)和穩(wěn)定的直流電壓輸出，每一種開關組合都按照一定的規(guī)律交替地直接短路正弦交流電源vs，電感l(wèi)1傳遞能量，其工作原理類似圖1中傳統(tǒng)升壓有源pfc電路。經(jīng)過分析，圖9所示拓撲可以有幾種簡化方案，如單臂半控整流ac-dc變換器(見圖10)、低端半控整流ac-dc變換器(見圖11)、高端半控整流ac-dc變換器(見圖12)。這類拓撲的升壓電感置于整流橋前級，而功率開關置于整流橋其中。

圖9 全控橋整流ac-dc變換器拓撲

圖10 低端半控橋ac-dc變換器拓撲

圖11 單臂半控橋ac-dc變換器拓撲

圖12 高端半控橋ac-dc變換器拓撲

2.3 橋前有源ac-dc變換器
基本的橋前有源ac-dc變換器包括兩種:
(1) 前置雙向開關的ac-dc變換器拓撲，見圖13;

圖13 前置雙向開關的ac-dc變換器

(2) 前置單向開關的ac-dc變換器拓撲，見圖14。

圖14 前置單向開關的ac-dc變換器

2.4 倍壓有源ac-dc變換器
倍壓有源ac-dc變換器拓撲有多種, 見圖15~圖22。這類拓撲的升壓電感與功率開關置于整流橋的前級。

圖15 倍壓有源ac-dc變換器1

圖16 倍壓有源ac-dc變換器2

圖17 倍壓有源ac-dc變換器3

圖18 倍壓有源ac-dc變換器4

圖19 倍壓有源ac-dc變換器5

圖20 倍壓有源ac-dc變換器6

圖21 倍壓有源ac-dc變換器7

圖22 倍壓有源ac-dc變換器8

目前，在單相電路諧波電流抑制方面，個別拓撲已經(jīng)得到了應用。其中低端半控整流ac-dc變換器又稱為無橋pfc，三菱公司和fairchild公司已經(jīng)推出了相應的dip-pfc功率模塊和配套的控制ic。前置雙向開關的ac-dc變換器中的雙向開關也可以采用其他雙向開關型式。傳統(tǒng)升壓有源pfc方案中的升壓電感為直流電感，而其他ac-dc變換器拓撲中的電感為交流電感，可以采用三種型式:單電感;分立電感和耦合電感。雖然電感與開關的使用位置和整流橋的型式不同，但以上拓撲與控制算法具有相似性，但是它們在器件選擇、功率模塊設計、電感型式等方面又有著許多不同之處，部分單相有源ac-dc變換器的比較見表1。

3 低端半控橋ac-dc變換器的實現(xiàn)

傳統(tǒng)升壓有源ac-dc變換器被廣泛應用到變頻電器中，但是該方案需要獨立的不可控整流橋，置后的升壓電感需要解決抗直流偏磁問題，而且升壓電感的位置很不利于整個功率電路的集成。這些引起了人們對傳統(tǒng)升壓有源ac-dc變換器的重新思考，設想在利用其成熟控制思想與現(xiàn)成控制電路的前提下，簡化其拓撲，并使整個功率電路便于功率集成。

在利用st公司推出的控制芯片l4981a/b實現(xiàn)了基本的boost pfc控制方案基礎上，實現(xiàn)了單位輸入功率因數(shù)的低端半控橋ac-dc變換器，已經(jīng)通過了變頻空調(diào)負載實驗，功率可達2kw。半控橋ac-dc變換器的控制電路與功率電路見圖23，其中濾波電容c1為2.0μf/400vdc，升壓電感l(wèi)1為2x0.40mh，開關頻率為20khz，其他元器件參數(shù)見有關參考文獻。實驗時電源電壓范圍為150vrms～264vrms，電源電流達15arms，輸出直流電壓空載時400vdc，重載時平均375vdc左右，電源功率因數(shù)接近于1。

電流檢測是有源pfc中的關鍵環(huán)節(jié)，檢測的電流應該反映升壓電感的電流，電流檢測可以通過線性隔離放大器、電流互感器或分流電阻等完成，其中采用分流電阻(無感功率電阻)是一種最佳方案。設計了兩種電流檢測方式:

(1) 電流互感器
電流檢測原理見圖23，其電流檢測合成見圖24;

圖23 電流互感器電流檢測原理

圖24 電流互感器電流檢測合成

圖25 分流電阻電流檢測

圖26 輸入電壓與輸入電流波形

(2) 分流電阻
首先需要改變功率電路結(jié)構(gòu)，使得流經(jīng)電阻的電流為實際電感電流，見圖25，電阻選擇無感水泥電阻，15mw/10w。圖26為一組不同條件下的電源電壓與電源電流波形，可見pfc效果良好。

4 結(jié)束語

在對單相有源pfc簡要綜述后, 給出了單相升壓有源ac-dc變換器的工作原理和拓撲多種, 重點研究了低端半控橋單相有源ac-dc變換器, 這是一種非常有前途的單相有源pfc, 將在變頻家電或通信電源領域獲得廣泛應用。

參考文獻
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作者簡介
楊喜軍(1969-) 男 92年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(學士)，后工作于煤炭部邯鄲煤炭設計研究院電力所，98年畢業(yè)于華東冶金學院(碩士)，2002年畢業(yè)于上海大學(博士)，現(xiàn)為上海交通大學電氣工程流動站博士后人員，主要研究方向為電力傳動、電力變換等。