基于瞬时无功功率理论的无功信号检测

摘要：本文分析了瞬时无功功率理论的无功信号检测方法的原理，通过Matlab建立三相瞬时无功信号检测的仿真电路并进行仿真。以TMS320F2812 DSP芯片作为控制器件，采用硬件与软件相结合的方法实现了无功信号的检测，验证了该方法的有效性。

关键词：瞬时无功功率；无功信号检测；Matlab；DSP

中图分类号: TM711　　　文献标识码: A

Detecting of Reactive Power Signal Based on Instantaneous Reactive Power Theroy

Guilin University of Electronic Technology, Guilin, China, 541004

Abstract：In this paper, a reactive power signal detection method based on instantaneous reactive power theoryis discussed. And then, Matlab models for the instantaneous reactive power signal detection are built and the simulations are carried out. Finally, using TMS320F2812 DSP chip as the control device, adopting hardware and software combination is achieved the reactive signal detection, experimental results verify the effectiveness of the digital detection method．

Keywords：instantaneous reactive power；reactive power signal detection；Matlab；DSP

前言

随着电力电子装置的广泛应用，它所产生的谐波和无功功率严重影响了供电质量。专家们预测“谐波未来将是电力供电系统的最大污染”，消除谐波污染和提高功率因数成为电力系统研究的重要课题之一。无功信号的检测是设计功率补偿装置的基础，目前工业上广泛采用的基于瞬时无功功率理论的无功信号检测方法主要有法、法和法[1]。本文介绍了三相电路法瞬时无功信号检测的原理，通过Matlab软件进行仿真分析，并在此基础上设计了基于DSP2812的无功信号检测电路。

1算法的瞬时无功信号检测[2]

三相电路瞬时无功功率理论突破了传统的以平均值为基础的功率，系统地定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量。本文是以瞬时有功功率电流和瞬时无功功率电流理论体系为基础的研究。其实现原理图如图1所示。

图1 无功信号检测原理图

，为负载电流的瞬时值，正余弦信号，与a相电网电压的基波正序分量同相位，三相电流通过的变换可得到，经低通滤波器LPF滤波得出、的直流分量和，和经得出基波电流，，进而得到谐波电流，。在图1中：

其中是的逆变换。

2检测方法的仿真研究

在以上理论基础上，利用Matlab软件建立相应的系统模型，进行仿真，并对得到的无功信号波形进行分析。

2.1 Matlab系统模型的建立

根据图1所示的算法的瞬时无功信号检测瞬时无功功率和高次谐波检测的原理框图，在Simulink仿真环境中调用相应模块，形成具体的三相电路瞬时无功信号检测的仿真电路，如图2所示。该模型包括两个部分：主电路和无功信号检测电路。

其中，仿真中数字低通滤波器用于从总的有功电流和无功电流中获取其直流分量，其算法直接决定着算法的精确性和动态跟踪速度，因此，LPF的设计是很重要的环节。在实际工程中，通常采用IIR滤波器。IIR滤波器原型有ButterWorth、Chebychev和Elliptic滤波器[3]。对比这三种低通滤波器的性能，综合考虑各方面的要求，仿真中选用了典型的二阶ButterWorth低通滤波器。   

(a) 主电路                            (b) 无功信号检测电路

图2 Matlab仿真模型

2.2 matlab仿真及结果分析

假设谐波源负载为常用的三相全控桥式整流电路的交流侧电流，整流电路的直流侧接阻感负载。电路仿真中设电网中整流性负载电阻为50Ω，电感为40mH，三相对称电网电压如下：

仿真结果如图3所示，其中横坐标表示时间，纵坐标表示幅值。

    (a) 电网电流                          (b)电网电流谐波分量

(c)电网电流基波分量                    (d)有功电流和无功电流

图3 Matlab 仿真波形

从图3（a）中可以看出，当整流电路的直流侧接电阻电感负载时，整流桥的交流侧电流可近似为120°方波，频率为50HZ。图（d）为检测到的电网中的有功电流和无功电流。由于电路中含有电力电子装置，从而产生了大量谐波，采用基于瞬时无功功率理论的无功信号检测法检测到的谐波如图（b）所示，图（c）即为滤除谐波后的电网电流基波分量，三相电流对称且波形正弦度较好，谐波基本消除。进行仿真分析后可以得出，采用法检测可以有效的检测出电网谐波和无功电流，然而谐波检测中低通滤波器的使用造成了一定的延时，谐波检测需要一个周期的暂态响应时间。

4 基于DSP -TMS320LF2812的检测电路

基于瞬时无功功率的谐波电流和无功电流检测及分离是消除谐波污染和提高功率因数的前提，但其算法复杂且要求系统的实时性较高，微处理器51系列等单片机速度不能达到电网电流采样并进行实时谐波分析的要求，而新兴的DSP具有高速、高分辨率、运算能力强并且很容易实现FFT、卷积、滤波算法等特点，其应用范围也随之扩大[4]。本设计采用DSP芯片TMS320LF2812作为系统的核心器件，以其为中心的无功信号检测电路硬件系统结构图如图4所示。

图4 无功信号检测电路硬件系统结构图

4.1硬件设计

本设计采用LEM公司生产的霍尔电流互感器LT100-P和霍尔电压互感器LV25-P，这种互感器采用霍尔效应的闭环补偿式传感器，可以测量从直流到200KHz的信号，温漂小，反应时间快，抗干扰能力强。互感器把电压电流信号变成了电流信号，经过I-V变换后送入信号调理电路。信号调理电路主要是对其进行稳压、滤波和调幅处理，确保调理后信号的电压范围与DSP的ADC通道的电压范围（0～3.3V）匹配，同时也可以提高分辨率，降低噪声。信号检测电路的关键部分是同步信号检测模块，其目的是动态跟踪电力系统的频率变化，产生与电网同频同相的方波信号。经过隔离降压后的a相电网电压引入过零比较器，并通过PLL锁相环电路，得到与a相电网电压同步的信号，并送入DSP-TMS320F2812。

4.2软件设计

以DSP为核心的数字控制系统，在软件程序设计时采用模块化、结构化的设计思想，容易移植、方便修改，并具有很强的扩展性。图5（a）为系统主程序流程图。DSP上电后先进行系统的复位、初始化等，然后对经过零检测电路和锁相环的a相电网电压信号进行采集，当捕捉到信号的上升沿之后，复位计数器，实现电网电压的相位和频率跟踪，产生与电网电压信号同相位的正弦、余弦信号。采集到的电流信号经过如图5（b）所示的无功信号处理算法，分解出电流基波和谐波信号。

(a) 主程序流程图             (b)无功信号算法流程图

图5 程序流程图

4.3 实验结果

实验采取三相桥式整流电阻电感负载，负载电流既含无功电流又含高次谐波，接入DSP处理分离系统后可从D/A输出谐波和无功电流，还可以将无负载电流减去谐波和无功电流得到基波电流输出，用示波器观察三相中A相，基波电流基本是正弦波形，且与电压同相位。因此实验结果证明系统具有较好的分离谐波和无功的能力。

5 总结

本文通过理论分析和仿真研究，验证了三相桥式整流电路在电网电压对称，负载为电阻电感时，基于瞬时无功功率理论的无功信号检测方法的准确性；并设计了基于DSP-TMS320LF2812的无功信号检测电路，实现了谐波检测的数字化并为进一步的实验研究奠定基础。

参考文献：

[1]粟时平,刘桂英.静止无功功率补偿技术[M].北京:中国电力出版社,2006,177.

[2]王兆安,杨君,刘进军等.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,1998,230-234.

[3]电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M].北京:中国电力出版社,2006,52-53.

[4]于惠.基于瞬时无功功率理论的DSP的谐波检测的应用研究[D].10422,2006.