高压无功功率自动检测补偿系统许军　任永益【摘要】在大型电力电子装置的供电系统中，往往存在着大量的谐波干扰，致使功率因数难以测量、无功功率不易补偿。为此，本文提出了一种新的高压无功功率自动检测补偿系统。通过对电流波形进行数字滤波，准确地确定了功率因数。同时，采用非线性控制技术，较好地解决了无功功率的自动补偿问题。试验证明，该系统稳定可靠，节能效果明显。【关键词】无功补偿，功率因数检测，数字滤波，非线性控制AUTOMATICMEASUREMENTANDCOMPENSATIONSYSTEMOFHIGHVOLTAGEREACTIVEPOWERXUJun　RENYongyi(NationalUniversityofDefenceTechnology,Changsha,410073)【Abstract】Therearealotofharmonicdisturbancesinthepowersupplysystemoflarge-scalepowerelectronicssetup.Theharmonicdisturbancesresultindifficultiestomeasurethepowerfactorandtocompensatethereactivepower.Thispaperpresentsanewautomaticmeasurementandcompensationsystemofhighvoltagereactivepower.Thepowerfactorcanbemeasuredaccuratelybydigitalfilterofcurrentwaveformsandthereactivepowercanbecompensatedbynon-linearcontrol.Experimentshaveprovedthatthesystemisstableandreliable.【Keywords】reactivepowercompensation,powerfactormeasurment,digitalfilter,non-linearcontrol1　引言　　在一般的供电系统中，若负载是线性的，则电流电压波形均为正弦。此时，功率因数的定义是电流电压间相位差的余弦。因此，一般的功率因数检测方法是，检测电流与电压信号过零的时间差，算出相应的功率因数角和功率因数。但是，随着工业的发展，电网中的谐波日趋严重。特别在一些大型电力电子装置(如：电弧炼钢炉等)的供电系统中，负荷的非线性和冲击性等常会产生大量的高次谐波，使供电电流波形产生明显畸变。此时，上述确定功率因数的方法将不再合适，并由此导致按常规算法得到的无功功率也不准确，进而使无功自动补偿的效果变差。为此，本系统提出并采用了数字滤波的方法，提取畸变电流波形的有效分量，得到相应的功率因数值。同时，针对相位补偿调节器的特点，利用非线性控制技术较好地实现了无功功率的自动补偿。2　系统的工作原理　　系统的原理框图如图1所示。图1　系统原理框图　　三相高压电的AC相高压经电压互感器B₁和降压变压器B₂加入电压比较器，得到一频率为50Hz的矩形波。将该矩形波输入至单片机，作为对电流信号采样的启动信号。B相电流经电流互感器HL和隔离变压器B₃加至滤波放大和电平转换电路。其中，滤波放大电路一方面将电流信号放大到合适的幅度，另一方面则对电流信号中可能引起频率混叠的高次谐波进行初步抑制，以利提高后续数字滤波的精度，滤波器的截止频率应为基波频率的N/2倍。本系统每周期的采样点数为64，故滤波放大电路的截止频率取为1600Hz。这样既可满足采样定理的要求，又使滤波器本身产生的相移相对功率因数角可以忽略，减少系统附加相移造成的影响。
　　经上述模拟电路预处理后的电流信号，通过A/D变换进入单片机系统，完成数字滤波和非线性调节运算。处理后的功率因数值由数显电路直接显示；无功补偿电容的投切信号则需经光电隔离、功率放大和继电保护等电路控制高压开关，实现无功补偿电容器的自动投切。同时，为补偿高次谐波引起的无功损耗，本系统还采用了与补偿电容器相串联的空心电抗器。
　　另外，为保护高压电容器组的安全，在系统中还设置了一个过压检测及延时电路。当电网电压超过额定值的10时，该电路使补偿电容器断开；而当过压消除后，延迟两分钟再恢复正常投切。3　滤波与控制算法　　为确定合适的滤波与控制算法，首先应对畸变电流的谐波含有率和非正弦电路中无功功率与功率因数的定义及算法进行研究。以在株洲钢厂110kV/6kV变电站测得的两台电弧炼钢炉不同冶炼期的电流信号为例，采用FFT进行频谱分析，算出电流信号的平均谐波含有率如表1所示。
　　可见，电流信号中谐波(特别是5次以内谐波)的含有率较高。而对电压信号采用同样的测量和计算方法得到的谐波含有率却较低，其6次以内谐波含有率的总和小于5.6。因此，可认为这是个电压信号基本为正弦、电流信号为非正弦的电路。此时电路中有功功率和功率因数的算法如下：表1　电弧炉的平均谐波含有率()

谐波次数谐波含有率谐波次数谐波含有率1100111.73211.65124.83310.85131.7844.29142.42513.28150.2463.94160.6973.65170.9381.67180.3193.51190.68102.57200.34有功功率　　　　　　　　
无功功率　　　　　　　　
视在功率
　　　　　　　　　　　　　
功率因数
　　　　　　　　　　　　
　　在这里功率因数仍定义为有功功率与视在功率之比，但此时并没有一个实际的相角与之对应，cos只是一种习惯的表示方法。当电流的谐波含有率取表1提供的数据时cos≈0.97cos₁　　因此，只要得到电压、电流的基波分量U₁和I₁及其夹角的余弦cos₁，就可确定该系统的无功功率Q和功率因数cos。为此，本系统采用离散傅立叶变换(DFT)进行电流信号的数字滤波。
　　当电压信号过零时开始对电流信号采样，每个电压周波采N个点(N＝64)，得到一电流序列：｛I(n),　n=0,1,2,…N-1}。
I(n)的DFT为：令k=1可得电流信号的基波分量：[1][2]下一页

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