用电子电源干预工频电源来提高电力用户用电电压和电流的质量

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=U_msin(ωt+φ)（1）

i=I_msin(ωt+φ_ui)（2）

其中，U_m表示交流电压的最大值，I_m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，φ_ui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U_m、ω 、φ ₀的影响，交流电流的瞬时值会受到I_m、ω 、φ _ui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U_m、I _m、φ _ui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。

[p] 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。

2.2检定补偿法

(1)交流电压检定补偿法

交流电压检定补偿法是对交流电压负反馈补偿法的一种改进。本方法相对于交流电压负反馈补偿法的优点在于：交流电压检定补偿法利用绝对标准经相应处理得到一个稳定的理想电压为负载供电；补偿变压器初级线圈所加补偿电压的形式有了多样选择，使得负载两端电压的形式有更多选择。

在交流电压检定补偿法中，补偿变压器的初级线圈所加补偿电压的形式可以是：①实际供电电压基波信号；②实际供电电压的一种或者多种高次谐波信号；③实际电压中含有的能够检测出的无序干扰信号；④人为加入的有序高次谐波信号。

该方法所用的原理公式为：

被减数-减数=差（3）

被减数-差=减数（4）

对于（3）式，一般的数学处理方法为：如果减数已知，则被减数必须具有明确的数值，才能实现运算。将（3）式换到电力系统理解，被减数对应实际供电电压，减数对应想要在负载两端得到的理想电压，差对应要实现理想电压而对实际供电电压进行补偿的补偿电压。通常，负载两端的理想电压是人为设置的虚拟电压，此电压在电工电路中不易实现，但可用电子器件人为制作与此电压成比例的低电压，即为绝对标准电压。因此，对（3）式进行改进，并将电力系统参数代入便可得到（5）式和（6）式：

实际供电电压/A-理想电压/A=补偿电压/A（5）

[p] (实际供电电压/A)*A-(理想电压/A)*A=(补偿电压/A)*A（6）

其中，A为常数，A的作用是将电力电压转换成电子器件运算所需的低电压。理想电压不容易实现，但是将理想电压变换成低电压即理想电压/A后就可以实现，将理想电压/A称为绝对标准电压。将实际供电电压缩小A倍后与标准电压做（5）式的运算，此过程就是检定过程，可通过1:1减法器实现，检定出的电压也就是减法器的输出电压，即补偿电压/A。将检定出的电压放大A倍，便得到实际电路中的补偿电压，将实际供电电压和补偿电压代入（4）式，即可得到与标准电压形式相同、与理想电压值相等的新电压。因此，将实际供电电压、补偿电压代入电力回路中后，负载两端的电压就是与理想电压相对应的稳定的新电压。

通过上述可知，从实际供电电压中得到稳定的新电压的过程是（3）式和（4）式的运算过程，而（3）式可以被（5）式和（6）式代替，那么整个提取过程也就变成（5）式、（6）式和（4）式的运算。（5）式和（6）式是通过电子器件的运算实现的，速度非常快，（4）式需要通过电工器件实现，此速度远小于电子器件的处理速度，因此整个过程所用时间可以认为仅是（4）式对电力电压的运算时间。

概言知，检定补偿法的本质是：

①检定：将实际供电电压/A和绝对标准电压（即理想电压/A）经过1:1减法器，得到差值，此过程就是检定过程，在此过程中认为理想值绝对准确；

②补偿：将检定过程中得到的差值定量放大A倍后，作为控制信号对实际供电电压进行补偿，此过程就是补偿过程。

通过更换绝对标准电压的形式，交流电压检定补偿法可以具有五大治理电压的基本功能：

a）当绝对标准电压为有效值稳定的电压信号时，本方法对负载的供电电压有稳压作用；

b）当绝对标准电压为正弦波电压信号时，本方法可以消除供电电压由于谐波造成的污染，将已被污染的供电电压还原成正弦波后再为负载供电，即具有交流滤波器的功能；

c）当绝对标准电压为指定理想电压（如228V）时，本方法具有输出理想电压228V的功能，即具有指定电压输出器的功能，可满足企业提高工作效率和产品质量的需求；

[p] d）当绝对标准电压有效值为220V/A，波形为正弦波时，本方法可输出额定电压，即具有额定电压输出器的功能；

e）当绝对标准电压为含有正弦波和谐波的电压信号时，本方法可以抑制负载电流中存在的谐波电流，不会对电力系统产生不利影响。

(2)交流电流检定补偿法

交流电流是由加在负载上的交流电压产生的，并随着负载性质的不同而改变，所以交流电流不仅与交流电压相关，更与负载性质之间存在密切的联系。处理电流的方法是利用电压与电流的对偶性导出的。目前市场上的电子器件一般都是处理电压的，因此在处理电流时，先将电流转换成电压进行处理，然后再将处理好的电压还原成电流，已达到治理电流的目的。

交流电压加在性质复杂的负载上时，产生的交流电流中含有有功电流、无功电流和谐波电流等分量。将这三种主要分量从交流电流中分离开来分别处理，使其各行其路，以消除各分量对电网的不利影响。将有用电流留在电网回路中，这就是交流检定补偿法的基本指导思想。

本方法在负载两端并联一个控制电压，通过调节控制电压，产生补偿电流，以达到对电流治理的目的。

该方法的具体实施步骤如下。

①首先根据实际情况自制一个标准电流I_b，将标准电流I_b通过电阻R₁转换成电压U_x，然后再经过由电压放大器、移相器和功率放大器组成的固定放大器，产生与供电电压相同的控制电压U_k，将控制电压U_k作为1:1补偿变压器T₁的初级输入，将T₁的次级输出并联在负载两端，这样负载两端相当于并联了控制电压U_k。此时，人为控制此控制电压U_k，令其不在负载上产生电流。

②在负载与供电电压的零线之间，串联变比系数为1:1并满足一定角差和比差标准的电流互感器T₂的初级线圈，初级线圈的输入为负载实际电流I_s；在电流互感器T₂的次级串连一个阻值与R₁相等的电阻R₂，得到与实际电流I_s相应的电压U_y。

[p] ③根据实际需求对交流电流进行治理。

a)当负载电流中只含有有功电流时，标准电流I_b为流过负载的理想电流，当实际电流I_s发生变化时，为了稳定负载上的电流，可以采用以下调整方法：将U_x和U_y分别输入到比较器（即1:1减法器）的正、负两端，减法器的输出结果记为U_xy；将U_xy与U_x叠加后输入到固定放大器的输入端；这样，固定放大器的输出电压就会产生变化，从而引起补偿变压器T₁初级和次级电压产生变化，而在负载与T₁的次级线圈形成的回路中产生与实际电流I_s变化方向相反的偏离电流，对实际电流I_s进行补偿，实现稳定电流的作用。图2所示为此种处理方式的原理图。

（2）运算原理简单。本方法利用简单的代数运算即可提取出理想值，将复杂的电工处理转换成简单的电子器件处理，不用对实际值进行测量，即可轻松提取出理想值并求出差值，实现调整目的。

[p] （3）将复杂矢量运算转化成简单代数运算处理。实际供电电压或电流都是由基波与高次谐波叠加而成，因此是矢量。在某一瞬时提取出实际值与标准值进行运算，这样，将原来的复杂矢量运算转换成两者瞬时值的代数运算，这就是瞬时比较法。这样，简化了运算过程，提高了调整效率。

（4）具有克隆效应。使用本方法调整后，目标电力参数与实际值无关，只与标准值有关，且紧紧跟随标准值，与克隆效应一样。对于交流电压检定补偿法而言，负载上得到的电压与绝对标准电压之间具有克隆效应；对于交流电流检定补偿法而言，通过将无用电流进行分离，使得流回系统的电流与标准电流之间具有克隆效应。

（5）适用范围广，选择自由度大，可满足各种需求。根据负载的性质，通过更换标准，即可轻松满足各种负载的不同需求，得到不同的理想值。

（6）由于偏移功率（偏移电压乘以负载电流或偏移电流乘以负载电压）约为整个负载功率的10%，所以将偏移功率拉回到预定正常指标只需负载功率的10%，用一个小功率即可控制整个功率，处理效率高。

（7）本方法易于实施，成本低廉，便于推广。检定补偿法所用的电子器件均为常用器件，因此电路造价低廉，便于维护和大范围推广。利用本方法制作的装置，其容量的最小值为500W，最大值由电力电子器件决定，可供家庭或企业使用。

（8）以本方法为依据可以处理电压波形、电流波形、电流和电压的相位差等其他参数，可处理的参数多，使用非常灵活。交流电压检定补偿法和交流电流检定补偿法可以混合使用，提高了用户电压、电流的用电质量，增强了电网的换能效率。

4结束语

本文引入电子电路对交流电压和交流电流进行处理，以负反馈补偿法和检定补偿法为例，详细介绍了以调整瞬时值为控制手段的交流电压和电流的调整方法，其中，重点介绍了检定补偿法的原理、特点及应用。此类方法与现有方法最明显的区别在于：通过调整电流、电压的瞬时值大小来控制其有效值的大小和波形形状，此方法对参数处理的速度快，处理过程一气呵成，可以认为是实时处理。而且，检定补偿法具有还原和变更负载电压和负载电流属性的功能，可在一个工频周期内改变电压中的电势能以及负载中的电流能从而改善电能，以得到较高的换能效率，并提高用户的用电质量。此方法简单易行、绿色环保、优质高效。

本文仅通过对电压和电流的控制来论述此类处理方法的原理，鉴于各种原因，作者对此类方法的研究只能止于此。希望本文能够起到抛砖引玉的作用，为他人对电力参数调整的方法的研究提供一种新的研究角度和方案。