用電子電源干預(yù)工頻電源來提高電力用戶用電電壓和電流的質(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)，通過調(diào)整有效值來實(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，通過負(fù)載的交流電壓和交流電流的瞬時(shí)值表達(dá)式為：

u=U_msin(ωt+φ)（1）

i=I_msin(ωt+φ_ui)（2）

其中，U_m表示交流電壓的最大值，I_m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，φ_ui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U_m、ω、φ₀的影響，交流電流的瞬時(shí)值會(huì)受到I_m、ω、φ_ui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始和結(jié)束，對(duì)于控制過程并無(wú)本質(zhì)影響。因此，可調(diào)電力參數(shù)就剩下U_m、I_m、φ_ui和諧波成分。

下面介紹通過負(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)?、相?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。