电子电源干预工频电源提高电力用户用电电能质量

1 前言

电力系统是由发电厂、电力网及配电装置和终端负载共同组成。发电厂将其他能源转换成交流电能，电力网及配电装置将交流电能输送到负载，负载再将交流电能转换成动力能、热能、光能等不同形式的能量，为工业和人们生活服务。交流电能无法储存，所以交流电能的生产、输送、分配和消费都应在同一时间内完成。于是，发电厂产生的交流电能必须与负载消耗的能量时刻保持相对平衡。在电能的传输过程中，发电厂的运行方式和负载的不断变化会引起负载两端电压和电流的变化，从而影响用电质量。为了满足用户的某种用电需要，需要对负载两端的可调电力参数(如电压、电流等)进行相应的调整。常用的调整方式有交流稳压器、交流滤波器、稳压电源、无功电流补偿器、谐波电流治理器等等。但是这些调整方式都是以一个完整工频周期为基础，通过调整有效值来实现的。本文以电力参数的瞬时值为研究对象，通过对瞬时值进行调整和控制，进而实现对负载两端电压和电流的控制。

2 补偿法原理介绍

根据电工基本原理可知，通过负载的交流电压和交流电流的瞬时值表达式为：

u=Umsin(ωt+φ) (1)

i=Imsin(ωt+φui) (2)

其中，Um表示交流电压的最大值，Im表示交流电流的最大值，ω表示交流电压或交流电流变化的角频率，φ0表示交流电压的初始相位，φui表示当电压u加在负载上时，由于负载性质不同，瞬时交流电流与瞬时交流电压之间产生的相角偏移。

由以上两个表达式可知，交流电压的瞬时值会受到Um、ω、φ0的影响，交流电流的瞬时值会受到Im、ω、φui的影响。当电路中存在各次谐波时，交流电压和电流的瞬时值也会产生相应的变化。由于系统中负载阻抗大小及性质的变化会造成电网结构的变化，从而引起负载两端电压的变化。再者，负载电流流过配电装置的内阻时，负载两端电压也会产生相应变化。由于系统中负载阻抗大小及性质的不同，负载电流也会产生变化，而且，负载两端电压的变化也会引起负载电流的变化。因此，交流电压和交流电流之间也是相互影响的。

ω是由电网本身决定的，不可人为调整;相角φ0仅代表工频周期的开始和结束，对于控制过程并无本质影响。因此，可调电力参数就剩下Um、Im、φui和谐波成分。

下面介绍通过负反馈补偿法和检定补偿法实现对负载两端交流电压的控制。

2.1负反馈补偿法

图1 交流电压负反馈补偿法的原理图

通常供电电压直接与负载相连，本方法在供电电压和负载之间串联一个补偿变压器的次级线圈，补偿变压器初级线圈的两端输入与供电电压形式相同、极性相反的补偿电压，这样即可在负载两端得到由供电电压和补偿电压共同作用生成的相对稳定的电压。具体步骤为：首先，利用短波收音机中自动增益控制原理，从采样电压两端得到一个相对稳定的标准电压。标准电压的实现方法是：先从供电电压两端通过变比为A的采样器得到一个与供电电压形式相同的、满足一定比差和角差的、可适用于电子器件运算的低电压，即采样电压，再将结型场效应管和分压电阻串联后接于采样电压的两端，利用结型场效应管在零栅压附近的线性阻抗特性，通过控制结型场效应管的栅压，在分压电阻和场效应管之间的节点上获得一个相对稳定的电压，此电压经电压放大器放大后便可得到一个与采样电压水平相当的、相对稳定的标准电压。将标准电压与采样电压的差值放大A倍作为补偿电压加在补偿变压器的初级线圈上，并耦合到用电电路中，这样补偿电压与供电电压串联叠加后为负载供电，起到了稳压的效果。

本方法作者于1989年提出，原理简单且调整精度高。但是，本方法也存在一些弊端：

(1) 由于结型场效应管的离散性很大，不同的场效应管会得到不同的相对标准电压;每更换一次场效应管，就需要对电路进行一次调整，电路的离散性很强;

(2) 结型场效应管允许源极和漏极两端电压极性互换，但互换后由于场效应管放大量不同会引起阻抗特性的不同，这样从供电电压两端提取的相对标准电压的波形正负半轴明显不对称，从而带来附加失真;

(3) 本方法需要使用功率放大器得到补偿电压，但是由于功率放大器的非线性特性，再加上1989年时保护电路的处理速度跟不上负载故障变化的速度，所以，一旦负载出现短路，就会给所用的电子功率器件带来灭顶之灾。

本方法在当年提出后一直没有推广应用。2003年，作者重新对此方法进行研究，经过多次试验后，于2008年提出了解决上述弊端的瞬时比较法，获得国家专利(见附注)。2010年，作者对负反馈补偿法进行了进一步的改进，提出了检定补偿法。