電子電源干預(yù)工頻電源提高電力用戶用電電能質(zhì)量

1 前言

電力系統(tǒng)是由發(fā)電廠、電力網(wǎng)及配電裝置和終端負(fù)載共同組成。發(fā)電廠將其他能源轉(zhuǎn)換成交流電能，電力網(wǎng)及配電裝置將交流電能輸送到負(fù)載，負(fù)載再將交流電能轉(zhuǎn)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(chǔ)存，所以交流電能的生產(chǎn)、輸送、分配和消費(fèi)都應(yīng)在同一時(shí)間內(nèi)完成。于是，發(fā)電廠產(chǎn)生的交流電能必須與負(fù)載消耗的能量時(shí)刻保持相對(duì)平衡。在電能的傳輸過(guò)程中，發(fā)電廠的運(yùn)行方式和負(fù)載的不斷變化會(huì)引起負(fù)載兩端電壓和電流的變化，從而影響用電質(zhì)量。為了滿足用戶的某種用電需要，需要對(duì)負(fù)載兩端的可調(diào)電力參數(shù)(如電壓、電流等)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。常用的調(diào)整方式有交流穩(wěn)壓器、交流濾波器、穩(wěn)壓電源、無(wú)功電流補(bǔ)償器、諧波電流治理器等等。但是這些調(diào)整方式都是以一個(gè)完整工頻周期為基礎(chǔ)，通過(guò)調(diào)整有效值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本文以電力參數(shù)的瞬時(shí)值為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)瞬時(shí)值進(jìn)行調(diào)整和控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載兩端電壓和電流的控制。

2 補(bǔ)償法原理介紹

根據(jù)電工基本原理可知，通過(guò)負(fù)載的交流電壓和交流電流的瞬時(shí)值表達(dá)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(dāng)電壓u加在負(fù)載上時(shí)，由于負(fù)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(dá)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(dāng)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(yīng)的變化。由于系統(tǒng)中負(fù)載阻抗大小及性質(zhì)的變化會(huì)造成電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化，從而引起負(fù)載兩端電壓的變化。再者，負(fù)載電流流過(guò)配電裝置的內(nèi)阻時(shí)，負(fù)載兩端電壓也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化。由于系統(tǒng)中負(fù)載阻抗大小及性質(zhì)的不同，負(fù)載電流也會(huì)產(chǎn)生變化，而且，負(fù)載兩端電壓的變化也會(huì)引起負(fù)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(diào)整;相角φ0僅代表工頻周期的開(kāi)始和結(jié)束，對(duì)于控制過(guò)程并無(wú)本質(zhì)影響。因此，可調(diào)電力參數(shù)就剩下Um、Im、φui和諧波成分。

下面介紹通過(guò)負(fù)反饋補(bǔ)償法和檢定補(bǔ)償法實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載兩端交流電壓的控制。

2.1負(fù)反饋補(bǔ)償法

圖1 交流電壓負(fù)反饋補(bǔ)償法的原理圖

通常供電電壓直接與負(fù)載相連，本方法在供電電壓和負(fù)載之間串聯(lián)一個(gè)補(bǔ)償變壓器的次級(jí)線圈，補(bǔ)償變壓器初級(jí)線圈的兩端輸入與供電電壓形式相同、極性相反的補(bǔ)償電壓，這樣即可在負(fù)載兩端得到由供電電壓和補(bǔ)償電壓共同作用生成的相對(duì)穩(wěn)定的電壓。具體步驟為：首先，利用短波收音機(jī)中自動(dòng)增益控制原理，從采樣電壓兩端得到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)電壓。標(biāo)準(zhǔn)電壓的實(shí)現(xiàn)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、滿足一定比差和角差的、可適用于電子器件運(yùn)算的低電壓，即采樣電壓，再將結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和分壓電阻串聯(lián)后接于采樣電壓的兩端，利用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管在零柵壓附近的線性阻抗特性，通過(guò)控制結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的柵壓，在分壓電阻和場(chǎng)效應(yīng)管之間的節(jié)點(diǎn)上獲得一個(gè)相對(duì)穩(wěn)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(dāng)?shù)摹⑾鄬?duì)穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)電壓。將標(biāo)準(zhǔn)電壓與采樣電壓的差值放大A倍作為補(bǔ)償電壓加在補(bǔ)償變壓器的初級(jí)線圈上，并耦合到用電電路中，這樣補(bǔ)償電壓與供電電壓串聯(lián)疊加后為負(fù)載供電，起到了穩(wěn)壓的效果。

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

(1) 由于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的離散性很大，不同的場(chǎng)效應(yīng)管會(huì)得到不同的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電壓;每更換一次場(chǎng)效應(yīng)管，就需要對(duì)電路進(jìn)行一次調(diào)整，電路的離散性很強(qiáng);

(2) 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)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(yīng)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)電壓的波形正負(fù)半軸明顯不對(duì)稱，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(bǔ)償電壓，但是由于功率放大器的非線性特性，再加上1989年時(shí)保護(hù)電路的處理速度跟不上負(fù)載故障變化的速度，所以，一旦負(fù)載出現(xiàn)短路，就會(huì)給所用的電子功率器件帶來(lái)滅頂之災(zāi)。

本方法在當(dāng)年提出后一直沒(méi)有推廣應(yīng)用。2003年，作者重新對(duì)此方法進(jìn)行研究，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)后，于2008年提出了解決上述弊端的瞬時(shí)比較法，獲得國(guó)家專利(見(jiàn)附注)。2010年，作者對(duì)負(fù)反饋補(bǔ)償法進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)，提出了檢定補(bǔ)償法。

2.2檢定補(bǔ)償法

(1) 交流電壓檢定補(bǔ)償法

交流電壓檢定補(bǔ)償法是對(duì)交流電壓負(fù)反饋補(bǔ)償法的一種改進(jìn)。本方法相對(duì)于交流電壓負(fù)反饋補(bǔ)償法的優(yōu)點(diǎn)在于：交流電壓檢定補(bǔ)償法利用絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)相應(yīng)處理得到一個(gè)穩(wěn)定的理想電壓為負(fù)載供電;補(bǔ)償變壓器初級(jí)線圈所加補(bǔ)償電壓的形式有了多樣選擇，使得負(fù)載兩端電壓的形式有更多選擇。

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

該方法所用的原理公式為：

被減數(shù)-減數(shù)=差 (3)

被減數(shù)-差=減數(shù) (4)

對(duì)于(3)式，一般的數(shù)學(xué)處理方法為：如果減數(shù)已知，則被減數(shù)必須具有明確的數(shù)值，才能實(shí)現(xiàn)運(yùn)算。將(3)式換到電力系統(tǒng)理解，被減數(shù)對(duì)應(yīng)實(shí)際供電電壓，減數(shù)對(duì)應(yīng)想要在負(fù)載兩端得到的理想電壓，差對(duì)應(yīng)要實(shí)現(xiàn)理想電壓而對(duì)實(shí)際供電電壓進(jìn)行補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償電壓。通常，負(fù)載兩端的理想電壓是人為設(shè)置的虛擬電壓，此電壓在電工電路中不易實(shí)現(xiàn)，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(duì)標(biāo)準(zhǔn)電壓。因此，對(duì)(3)式進(jìn)行改進(jìn)，并將電力系統(tǒng)參數(shù)代入便可得到(5)式和(6)式：