基于功率因素的電力電子變換器優化研究

摘" 要：隨著電力系統的發展和智能化程度的提高，電力電子變換器的功率因素優化已成為提高電力系統能效和穩定運行的重要手段。功率因素低會導致電能的浪費和電網的穩定性下降，因此需要對功率因素進行優化。基于功率因素的電力電子變換器可以通過多種方法來實現功率因素的優化。然而，目前關于功率因素優化的研究仍在不斷深入，需要更加深入地研究和實踐。該文將重點探討功率因素的定義及計算方法，探討常用的提高功率因素實現電力電子變換器優化的方法，并討論功率因素優化在未來電力系統中的應用前景。

關鍵詞：功率因素；電力電子；變換器；優化策略；應用前景

中圖分類號：TM46" " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：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代電力系統中不可或缺的組成部分。它們能夠將電力信號轉換為所需的形式和電壓級別，如將直流電轉換為交流電，或將低電壓信號轉換為高電壓信號。電力電子變換器在各個領域都得到了廣泛應用，如工業自動化、風力發電、太陽能發電等。然而，電力電子變換器的使用也會帶來一些問題，如電網污染、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，研究功率因素優化變得至關重要。功率因素是電力電子變換器的一個重要性能指標，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，電網損耗也越小。因此，優化功率因素可以提高電力電子變換器的效率和性能，降低電網損耗，減少電網污染。對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算方法

1.1" 功率因素的定義

功率因素是指交流電路中實際功率與視在功率之比，通常用符號pf表示。實際功率是指電路中實際消耗的有用功率，例如燈泡、電動機等設備消耗的功率。而視在功率是指電路中的總功率，包括實際功率和無功功率，其中無功功率是電路中產生的無用功率，例如電容器和電感器中存儲和釋放的能量。因此，功率因素可以用來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，當功率因素等于1時，表示電路中只有有用功率，沒有無用功率，能量利用效率最高。而當功率因素小于1時，表示電路中存在無功功率，能量利用效率較低。在實際應用中，電力電子設備的功率因素對電力系統的能效和穩定性具有重要影響，因此功率因素的優化也成為電力電子技術研究和應用的重要領域。

1.2" 功率因素的計算方法

通常情況下，功率因素的計算方法可以通過測量電路中的電流和電壓來進行。假設電路中的電壓為 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量，則可以使用上述公式來計算功率因素。如果只能測量電路中的電流和電壓，則可以使用以下公式來計算功率因素

2" 功率因素的影響因素

2.1" 負載類型

電力電子變換器的負載類型對功率因素的影響很大。根據負載類型的不同，功率因素會產生不同的變化。對于純電阻負載，其功率因素為1，即為純阻性負載。對于感性負載，由于感性元件會在電路中存儲能量并在下一個周期釋放，所以功率因素小于1，即存在無功功率[1]。對于容性負載，由于電容器可以存儲能量并在下一個周期釋放，所以功率因素大于1，即存在過量的有功功率。因此，在進行功率因素優化時，需要根據不同的負載類型選擇不同的方法來提高功率因素。

2.2" 電流諧波

電流諧波也會對功率因素產生影響。當電流存在諧波時，諧波會引起額外的無功功率，從而降低功率因素。這是因為，當電流諧波存在時，其對應的電壓諧波將導致電容器和電感器中產生更多的無功功率。因此，在電力電子變換器的設計和控制中，需要考慮諧波抑制的方法來降低無功功率，提高功率因素。

2.3" 電壓波形

電壓波形也會對功率因素產生影響。如果電壓波形不是正弦波形，則會導致電流和電壓之間的相位差發生變化，從而影響功率因素。例如，在電網電壓不穩定或非正弦電壓的情況下，電力電子變換器的功率因素會下降，從而影響系統的能效和穩定性。因此，在實際應用中，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對功率因素產生影響。不同的控制策略可能導致不同的相位差，從而影響功率因素。例如，PWM控制中的PWM調制率、電容補償中的電容器大小和位置、有源功率因數校正中的控制電路等都會影響功率因素的大小。因此，在進行功率因素優化時，需要充分考慮控制策略的選擇和參數優化，從而實現更高效的功率因素優化。

3" 基于功率因素的電力電子變換器優化方法

3.1" 電容補償

電容補償是一種簡單有效的提高功率因素的方法。在電力電子變換器中，電容補償的原理是在輸入端串聯一個電容，使輸入電流的相位提前，從而提高功率因素。電容補償電路中，電容的大小應根據負載類型和電壓等級來選擇。較大的電容可以在低頻下提高功率因素，但同時也會增加開關器件的電壓應力和電容器的成本。因此，電容的大小需要在功率因素優化和經濟性之間進行權衡。在電容補償中，電容器具有很強的抑制諧波的能力，可以減少電力電子變換器對電網的污染。此外，電容補償可以適用于各種負載類型，包括線性負載和非線性負載。電容補償電路結構簡單，易于實現，并且成本相對較低。然而，電容補償在實際應用中仍存在一些限制。例如，在非線性負載和變化的負載情況下，電容補償的效果會變得不穩定。此外，在高頻電路中，電容補償的效果也會受到電容器的損耗和損耗角的影響。因此，在實際應用中，需要根據具體情況綜合考慮電容補償的優點和限制，選擇合適的功率因素優化方法。

3.2" 有源功率因數校正

有源功率因數校正（APFC）是一種通過電路控制方式來提高功率因素的方法。在APFC中，通過控制電路中的開關器件來調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，將負載的諧波成分濾除，從而提高功率因素。與傳統的電容補償方法相比，APFC可以在負載變化和電網波動的情況下保持穩定的功率因素。APFC不僅可以提高功率因素，還可以降低負載的諧波含量，從而減少對電網的污染。此外，APFC還可以提高電力電子變換器的效率和性能，并延長其壽命。然而，APFC方法需要更復雜的電路和控制策略，因此成本和實現難度也相應提高。在APFC電路中，電容器和電感器的選擇也需要考慮負載類型、電壓等級和電路拓撲結構等因素。此外，APFC還存在一些限制，例如在高溫環境下，電容器的壽命會縮短，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的輸出波形，從而減少負載中的諧波成分[2]。多電平換流器可以有效地提高功率因素，降低電網損耗，并減少電網污染。多電平換流器的實現需要使用多個開關器件和控制電路，因此成本和實現難度也相應提高。在多電平換流器中，常用的拓撲結構包括級聯H橋拓撲、NPC拓撲和MMC拓撲等。這些拓撲結構可以實現高效的功率因素優化和諧波抑制，適用于各種負載類型和電壓等級。然而，多電平換流器的成本和復雜性較高，需要進行充分的設計和控制。在多電平換流器中，控制策略對功率因素優化和諧波抑制具有重要影響。例如，在級聯H橋拓撲中，可以使用PWM調制技術和諧波注入技術來實現功率因素優化和諧波抑制。在MMC拓撲中，可以使用分時多電平調制技術來實現功率因素優化和諧波抑制。因此，在多電平換流器的設計和控制中，需要充分考慮控制策略的選擇和優化。

3.4" 諧波抑制

諧波抑制是一種通過濾波器或降低電流諧波來提高功率因素的方法。諧波抑制可以通過選擇合適的濾波器來濾除諧波成分，從而降低無功功率，提高功率因素。諧波抑制可以通過被動濾波或主動濾波來實現。被動濾波使用電容或電感器來濾除諧波，主動濾波則需要使用控制電路來生成反相諧波信號，從而抵消負載中的諧波成分。被動濾波器通常使用L型或π型拓撲結構，其中電感和電容分別串聯或并聯。這些拓撲結構可以有效地濾除諧波成分，從而提高功率因素。被動濾波器的設計需要考慮負載特性和濾波器的損耗和成本等因素。在實際應用中，需要根據具體情況選擇合適的被動濾波器結構和參數。主動濾波器通常使用諧振式或無諧振式拓撲結構，其中諧振式拓撲結構需要使用電容器和電感器來實現諧振，無諧振式拓撲結構則可以直接使用開關器件來實現[3]。主動濾波器的設計需要充分考慮控制電路的穩定性和精度，以保證諧波抑制的效果和功率因素的優化。與被動濾波器相比，主動濾波器具有更高的諧波抑制能力和功率因素優化效果。主動濾波器可以適用于各種負載類型和電壓等級，并且可以實現更高的控制精度和靈活性。然而，主動濾波器的成本和復雜性較高，需要進行充分的設計和控制。

3.5" 預測控制

預測控制是一種基于預測模型的控制方法，可以用來優化電力電子變換器的效率和性能。預測控制可以預測負載的電流和電壓變化趨勢，從而選擇合適的控制策略來實現功率因素優化。預測控制需要使用高級算法和計算能力，因此適用于大型電力電子變換器。在預測控制中，通常使用神經網絡、支持向量機等算法來建立負載的預測模型。根據預測模型的結果，可以選擇合適的控制策略，例如PWM調制、電容補償或諧波抑制等方法，來實現功率因素優化。預測控制可以充分考慮負載變化和電網波動等因素，從而實現更高效的功率因素優化和能量轉換。然而，預測控制的實現需要較高的計算能力和模型訓練和驗證，因此成本和實現難度較高。此外，預測控制的穩定性和精度也需要得到充分的保障，以確保其在實際應用中的效果。

3.6" 優化控制算法

控制算法對電力電子變換器的功率因數優化效果具有重要影響。常用的功率因數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，通過諧波電流和負載電流的相互作用實現功率因數的優化。諧波注入控制方法簡單易實現，且能夠在大范圍內實現功率因數的調節，因此被廣泛應用。除了常用的功率因數控制算法外，現代控制技術如PID控制、模糊控制、神經網絡控制等也可以用于功率因數優化控制。PID控制是一種經典的控制方法，通過對誤差、積分和微分進行組合，實現對控制系統的穩定性和響應速度的控制。模糊控制通過將不確定的信息量化為模糊集合，并基于規則庫進行推理，實現對非線性、復雜系統的控制。神經網絡控制通過構建多層神經網絡模型，實現對大規模、高維度系統的控制。在實際應用中，常常結合多種控制技術，例如將諧波注入控制與PID控制相結合，可以實現更好的功率因數優化效果。此外，還可以采用自適應控制、魯棒控制等高級控制方法，實現對不確定因素、擾動等的自適應控制，提高系統魯棒性和性能[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電力電子變換器的性能和可靠性具有至關重要的影響。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用范圍各不相同，因此在選擇器件時需要根據具體應用場景進行評估。功率MOSFET是一種常見的電力電子器件，具有導通電阻低、響應速度快等優點，適用于中低壓、中頻率應用。IGBT是另一種常見的電力電子器件，具有低導通電阻、高開關速度、耐電壓能力強等優點，適用于中高壓、低頻率應用。然而，IGBT也存在導通損耗大、熱穩定性差等缺點，影響著其在高溫環境下的應用。相比之下，SiC MOSFET具有低導通電阻、高開關速度、高溫穩定性好等優點，適用于高頻率、高溫、高壓等應用場合。SiC MOSFET的導通損耗較低，因此可以實現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的熱穩定性也很好，可以在高溫環境下保持較穩定的性能，因此適用于一些苛刻的工業應用場景。

4" 基于功率因素的電力電子變換器應用前景

4.1" 電動車充電系統

隨著電動車的普及，電動車充電系統的功率因素優化成為一個重要問題。電動車充電系統需要在較短時間內充滿電池，這就需要使用高功率的電力電子變換器。功率因素低會導致充電效率低下和電能的浪費。基于功率因素的電力電子變換器可以通過優化控制算法和選擇合適的濾波器來實現功率因素的優化，提高充電效率和電能的利用效率。

4.2" 變頻空調系統

變頻空調系統需要使用電力電子變換器進行調節，功率因素低會導致空調系統的效率低下和能源的浪費[5]。基于功率因素的電力電子變換器可以通過控制電路中的開關器件來調整輸入電流的相位和大小，從而提高功率因素。通過功率因素的優化，可以提高空調系統的效率和能源利用效率。

4.3" 高壓直流輸電系統

高壓直流輸電系統需要使用電力電子變換器進行變流和變壓操作。功率因素低會導致輸電效率低下和電能的浪費。基于功率因素的電力電子變換器可以通過選擇合適的控制策略和濾波器來實現功率因素的優化，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電力系統中的一個重要組成部分，可以實現高效率、高穩定性的電力傳輸。功率因素低會導致電能的浪費和電網的穩定性下降。基于功率因素的電力電子變壓器可以通過控制器件的開關來實現功率因素的優化，從而提高電能的利用效率和電網的穩定性。

4.5" 風力發電系統

風力發電系統需要使用電力電子變換器將風力轉換為電能[6]。功率因素低會影響電力系統的穩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選擇合適的控制策略和濾波器來實現功率因素的優化，從而提高風力發電系統的效率和穩定性。

4.6" 太陽能發電系統

太陽能發電系統需要使用電力電子變換器將太陽能轉換為電能。功率因素低會影響電力系統的穩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控制電路中的開關器件來調整輸入電流的相位和大小，從而提高功率因素。通過功率因素的優化，可以提高太陽能發電系統的效率和能源利用效率。

5" 結束語

隨著電力系統的發展和智能化程度的提高，電力電子變換器的功率因素優化將成為電力系統能效提升和電網穩定運行的重要手段。通過優化功率因素，可以提高電能的利用效率和電力系統的穩定性。基于功率因素的電力電子變換器在電動車充電、變頻空調、高壓直流輸電、變電站電力電子變壓器、風力發電和太陽能發電等領域具有廣泛的應用前景。未來，需要繼續研究和開發新的功率因素優化方法和技術，以滿足電力系統能效提升和電網穩定運行的需求。

參考文獻：

[1] 王俊.基于多變量LSTM神經網絡的電力電子變換器功率因數預測[J].電氣技術，2022，56（3）：79-84.

[2] 李繼紅，鄧志勇.基于神經網絡的電力電子變換器功率因數補償控制策略[J].電子測量與儀器學報，2022，36（2）：79-86.

[3] 侯林海，王勝軍，王忠.一種基于模型預測控制的電力電子變換器功率因數優化方法[J].電力系統及其自動化學報，2021，33（15）：60-68.

[4] 孫明，趙長磊，王斌.基于滑模控制的電力電子變換器諧波抑制方法[J].電子科技大學學報，2021，50（4）：519-525.

[5] 嚴志成，江洋.一種新型基于GA-PSO算法的電力電子變換器功率因數優化方法[J].電力電子技術，2021，55（7）：45-51.

[6] 張楊，陳潔.一種基于混沌映射的電力電子變換器功率因數優化方法[J].電氣自動化，2021，43（5）：21-27.