无功补偿装置所需信号的检测方法

Detection Method of the Signals of Reactive Power Compensation

吕崇伟 王毅 （北京交通大学）

摘要：无功补偿装置需要对电网的一些信号进行检测，包括功率因数、无功电流和无功功率等。本文介绍了几种检测方法的原理及相应的实现方法。不同的方法适用于不同的补偿装置。基于传统功率理论的检测方法适用于静止无功补偿装置（SVC），基于瞬时无功功率理论和小波变换的检测方法适用于静止无功发生器（SVG）和有源电力滤波器（APF）等。 关键词：功率因数 无功电流 无功功率 检测

Abstract: The sets of reactive power compensation need to detect some signals of the power net including power factor, reactive current and reactive power. This paper expatiate principles and methods of detection. They are used to different sets of reactive compensation. The detection based on traditional power theory can be used in the static var compensator (SVC). The detection based on theory of instantaneous reactive power and wavelet analysis will be used in the static var generator (SVG) and the active power filter (APF) etc.

Keywords: power factor reactive current reactive power detection 一 引言

电力系统中的大多数网络元件（主要是电感性的）会消耗大量无功功率，同时大多数负载（如变压器、电动机等）也需要消耗无功功率。大量无功功率会对电力系统造成不良影响，尤其是一些消耗无功变化比较大的设备，会造成电网电压剧烈波动，严重影响供电质量。所以需要实时的无功补偿，以保证传输和供用电的电能质量。

现在较为普遍的补偿装置有基于电容电感器件的静止无功补偿装置（SVC）和基于电力电子器件的静止无功发生器（SVG）和有源电力滤波器（APF）。这些补偿装置均需要检测电网或负载的无功量，以实现对无功补偿的有效控制。对于SVC通过检测传统功率理论上的功率因数、无功电流和无功功率即可实现对补偿装置的控制。而SVG基于实时电流补偿，APF既可补偿无功又可以补偿谐波，要求检测出瞬时无功电流。

以下介绍几种检测方法。 二 适用于SVC的检测方法 1 功率因数的检测

在正弦电路中，功率因数是由电压和电流之间的相位差?所决定的，功率因数常用cos?来表示。对于三相对称电路检测一相的功率因数即得到三相的功率因数，对于三相不对称电路则要分别检测各相的功率因数。单相功率因数检测原理如图1。电网电压电流经过互感器分别转换成可测量的电压信号u和i，然后分别通过比较器进行过零比较，变成方波信号s1和s2，经过触发器构成的鉴相电路得到输出信号s0的宽度反映了电压电流之间的相位差。然后将s0信号输入单片机，通过计时器检测脉冲宽度，进行运算便得到功率因数

cos?。

u5VuLM311s1DSETQs0s1itCLRQtt5ViLM311s2DSETQs2s0ttCLRQ

图1功率因数检测原理图 图2 波形图 2 无功电流的检测 在单相电路中电压u?2Usin?t，

负载电流i?2Isin(?t??)?2Icos?sin?t?2Isin?cos?t，前后两部分分别为电流无功分量和有功分量。当?t?2k?时，得到i?2Isin??Iq。可见通过检测电压正向过零时刻的负载

电流值即得到对应的无功电流幅值Iq。

检测电路框图如图3，来自电压互感器和电流互感器的电压信号u和电流信号i经过低通滤波，注意滤波器的参数要选择一致，否则会导致相位上的变化。电压信号u通过过零脉冲发生电路产生电压正向过零时的脉冲信号作为采样AD转换的控制信号，该电路由过零比较器和单稳电路组成。经过AD转换后的数字无功电流信号就可输入单片机等进行运算控制了。

4538电压uLPF过零脉冲生成电路x1单片机采样保持 AD转换uLM311ACDQAD电流ILPFx2BQVDD

图3无功电流检测原理图 图4 过零脉冲生成电路 3 无功功率的检测 对于三相对称电路，任意检测一线电压和另外一个相电流即可得到三相无功功率，作为控制系统的补偿依据。 由Pbc?Ubc?Ia?sin?，

功率因数cos??1?(Pbc/Ubc/Ia) 三相视在功率S?3UbcIa，

三相有功功率P?S?cos??3UbcIa?1?(Pbc/Ubc/Ia) 三相无功功率Q?22S2?P2?3Pbc

可通过单片机在一个周期内对ubc和ia进行N次采样对采样值进行离散积分运算可得：

Ubc?1N2u?bc.k Ia?Nk?111N2P? i?a.kbcNNk?1?uk?1Nbc.k?ia,k

三 基于瞬时无功功率理论的瞬时无功电流检测

瞬时无功功率理论以瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq为基础，和传统的功率定义关系如下。设三相电路各项电压和电流瞬时值分别为ea，eb，ec和ia，ib，ic。将它们变换到αβ两相正交的坐标系上。得到αβ相的瞬时电压和瞬时电流。

?ea??e???e?，

?C?e?32?b??????ec??1??ia?1??i??2?2????Ci ， 其中C??i?32?b?323?3?????i0?c???21?2?? 3??2??? 在αβ平面上矢量e?e?和i?i?分别和成旋转电压矢量和电流矢量e，i。

e?e??e? ，i?i??i?。可由矢量i分解得三相电路的瞬时有功电流ip?icos?和瞬

时无功电流iq?isin?，?为e和i的夹角。

三相瞬时有功功率p和无功功率q可表示为电压矢量的模e分别乘以有功电流和无功电

?i???e??p?流。 ???e?????q??i???e?i?q?e?eiq?e?e2q，i?q?e???i???e??i? ，其中设Cpq??e?e????????e??。另有关系?e????e??eiq?2?q。将α，β两相的瞬时无功电流i?q，i?q通过两相ee?iaq??i?q???T到三相的变换可得到三相电路各相的瞬时无功电流。?ibq??C23??，C23?C32。同样原

?i?q??icq???理可得到三相瞬时有功电流。 检测方法框图如图5所示，电网三相电压和电流经过三二变换得到αβ分量，通过乘法运算得到瞬时有功功率和瞬时无功功率。若只要求检测无功电流，则将q进行反变换，得到

?iaq??0?1???1?0?瞬时无功电流，?ibq??C23Cpq???2C23Cpq???q?e?q??icq???