電子電源干預工頻電源提高電力用戶(hù)用電電能質(zhì)量

1 前言

電力系統是由發(fā)電廠(chǎng)、電力網(wǎng)及配電裝置和終端負載共同組成。發(fā)電廠(chǎng)將其他能源轉換成交流電能，電力網(wǎng)及配電裝置將交流電能輸送到負載，負載再將交流電能轉換成動(dòng)力能、熱能、光能等不同形式的能量，為工業(yè)和人們生活服務(wù)。交流電能無(wú)法儲存，所以交流電能的生產(chǎn)、輸送、分配和消費都應在同一時(shí)間內完成。于是，發(fā)電廠(chǎng)產(chǎn)生的交流電能必須與負載消耗的能量時(shí)刻保持相對平衡。在電能的傳輸過(guò)程中，發(fā)電廠(chǎng)的運行方式和負載的不斷變化會(huì )引起負載兩端電壓和電流的變化，從而影響用電質(zhì)量。為了滿(mǎn)足用戶(hù)的某種用電需要，需要對負載兩端的可調電力參數(如電壓、電流等)進(jìn)行相應的調整。常用的調整方式有交流穩壓器、交流濾波器、穩壓電源、無(wú)功電流補償器、諧波電流治理器等等。但是這些調整方式都是以一個(gè)完整工頻周期為基礎，通過(guò)調整有效值來(lái)實(shí)現的。本文以電力參數的瞬時(shí)值為研究對象，通過(guò)對瞬時(shí)值進(jìn)行調整和控制，進(jìn)而實(shí)現對負載兩端電壓和電流的控制。

2 補償法原理介紹

根據電工基本原理可知，通過(guò)負載的交流電壓和交流電流的瞬時(shí)值表達式為：

u=Umsin(ωt+φ) (1)

i=Imsin(ωt+φui) (2)

其中，Um表示交流電壓的最大值，Im表示交流電流的最大值，ω表示交流電壓或交流電流變化的角頻率，φ0表示交流電壓的初始相位，φui表示當電壓u加在負載上時(shí)，由于負載性質(zhì)不同，瞬時(shí)交流電流與瞬時(shí)交流電壓之間產(chǎn)生的相角偏移。

由以上兩個(gè)表達式可知，交流電壓的瞬時(shí)值會(huì )受到Um、ω、φ0的影響，交流電流的瞬時(shí)值會(huì )受到Im、ω、φui的影響。當電路中存在各次諧波時(shí)，交流電壓和電流的瞬時(shí)值也會(huì )產(chǎn)生相應的變化。由于系統中負載阻抗大小及性質(zhì)的變化會(huì )造成電網(wǎng)結構的變化，從而引起負載兩端電壓的變化。再者，負載電流流過(guò)配電裝置的內阻時(shí)，負載兩端電壓也會(huì )產(chǎn)生相應變化。由于系統中負載阻抗大小及性質(zhì)的不同，負載電流也會(huì )產(chǎn)生變化，而且，負載兩端電壓的變化也會(huì )引起負載電流的變化。因此，交流電壓和交流電流之間也是相互影響的。

ω是由電網(wǎng)本身決定的，不可人為調整;相角φ0僅代表工頻周期的開(kāi)始和結束，對于控制過(guò)程并無(wú)本質(zhì)影響。因此，可調電力參數就剩下Um、Im、φui和諧波成分。

下面介紹通過(guò)負反饋補償法和檢定補償法實(shí)現對負載兩端交流電壓的控制。

2.1負反饋補償法

圖1 交流電壓負反饋補償法的原理圖

通常供電電壓直接與負載相連，本方法在供電電壓和負載之間串聯(lián)一個(gè)補償變壓器的次級線(xiàn)圈，補償變壓器初級線(xiàn)圈的兩端輸入與供電電壓形式相同、極性相反的補償電壓，這樣即可在負載兩端得到由供電電壓和補償電壓共同作用生成的相對穩定的電壓。具體步驟為：首先，利用短波收音機中自動(dòng)增益控制原理，從采樣電壓兩端得到一個(gè)相對穩定的標準電壓。標準電壓的實(shí)現方法是：先從供電電壓兩端通過(guò)變比為A的采樣器得到一個(gè)與供電電壓形式相同的、滿(mǎn)足一定比差和角差的、可適用于電子器件運算的低電壓，即采樣電壓，再將結型場(chǎng)效應管和分壓電阻串聯(lián)后接于采樣電壓的兩端，利用結型場(chǎng)效應管在零柵壓附近的線(xiàn)性阻抗特性，通過(guò)控制結型場(chǎng)效應管的柵壓，在分壓電阻和場(chǎng)效應管之間的節點(diǎn)上獲得一個(gè)相對穩定的電壓，此電壓經(jīng)電壓放大器放大后便可得到一個(gè)與采樣電壓水平相當的、相對穩定的標準電壓。將標準電壓與采樣電壓的差值放大A倍作為補償電壓加在補償變壓器的初級線(xiàn)圈上，并耦合到用電電路中，這樣補償電壓與供電電壓串聯(lián)疊加后為負載供電，起到了穩壓的效果。

本方法作者于1989年提出，原理簡(jiǎn)單且調整精度高。但是，本方法也存在一些弊端：

(1) 由于結型場(chǎng)效應管的離散性很大，不同的場(chǎng)效應管會(huì )得到不同的相對標準電壓;每更換一次場(chǎng)效應管，就需要對電路進(jìn)行一次調整，電路的離散性很強;

(2) 結型場(chǎng)效應管允許源極和漏極兩端電壓極性互換，但互換后由于場(chǎng)效應管放大量不同會(huì )引起阻抗特性的不同，這樣從供電電壓兩端提取的相對標準電壓的波形正負半軸明顯不對稱(chēng)，從而帶來(lái)附加失真;

(3) 本方法需要使用功率放大器得到補償電壓，但是由于功率放大器的非線(xiàn)性特性，再加上1989年時(shí)保護電路的處理速度跟不上負載故障變化的速度，所以，一旦負載出現短路，就會(huì )給所用的電子功率器件帶來(lái)滅頂之災。

本方法在當年提出后一直沒(méi)有推廣應用。2003年，作者重新對此方法進(jìn)行研究，經(jīng)過(guò)多次試驗后，于2008年提出了解決上述弊端的瞬時(shí)比較法，獲得國家專(zhuān)利(見(jiàn)附注)。2010年，作者對負反饋補償法進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)，提出了檢定補償法。

2.2檢定補償法

(1) 交流電壓檢定補償法

交流電壓檢定補償法是對交流電壓負反饋補償法的一種改進(jìn)。本方法相對于交流電壓負反饋補償法的優(yōu)點(diǎn)在于：交流電壓檢定補償法利用絕對標準經(jīng)相應處理得到一個(gè)穩定的理想電壓為負載供電;補償變壓器初級線(xiàn)圈所加補償電壓的形式有了多樣選擇，使得負載兩端電壓的形式有更多選擇。

在交流電壓檢定補償法中，補償變壓器的初級線(xiàn)圈所加補償電壓的形式可以是：① 實(shí)際供電電壓基波信號;② 實(shí)際供電電壓的一種或者多種高次諧波信號;③ 實(shí)際電壓中含有的能夠檢測出的無(wú)序干擾信號;④ 人為加入的有序高次諧波信號。

該方法所用的原理公式為：

被減數-減數=差 (3)

被減數-差=減數 (4)

對于(3)式，一般的數學(xué)處理方法為：如果減數已知，則被減數必須具有明確的數值，才能實(shí)現運算。將(3)式換到電力系統理解，被減數對應實(shí)際供電電壓，減數對應想要在負載兩端得到的理想電壓，差對應要實(shí)現理想電壓而對實(shí)際供電電壓進(jìn)行補償的補償電壓。通常，負載兩端的理想電壓是人為設置的虛擬電壓，此電壓在電工電路中不易實(shí)現，但可用電子器件人為制作與此電壓成比例的低電壓，即為絕對標準電壓。因此，對(3)式進(jìn)行改進(jìn)，并將電力系統參數代入便可得到(5)式和(6)式：