word原稿】低压通用变频器驱动负荷系统无功功率.doc

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1、低压通用变频器驱动负荷系统无功功率测量研究王宝安，关巧莉5（东南大学电气工程学院，南京 210096） 摘要：提高非线性系统无功功率计量的准确性既是维护供用电双方正当利益的需要，也是加 强谐波管理、提高电力系统电能质量管理和安全运行的需要。介绍了低压通用变频器的结构 与功能，几种典型的无功功率测量算法。在 Matlab 中建立仿真模型，通过几种典型的无功 功率测量算法对低压通用变频器驱动负荷系统进行无功功率的测量并比较相对误差，仿真结10果与传统的电磁式功率表和基于基波移相 90的功率表的测量结果进行比较，表明传统的 功率表测量非线性负载时与使用文中的测量算法的测量结果误差较大，而使用无功功率

2、测量 算法可较准确的测量出非线性系统的无功功率。 关键词：无功功率测量；低压通用变频器；Matlab 仿真中图分类号：TM93315Study on Reactive Power Measurement of Low-voltage General-purpose Inverter Drive Load System WANG Baoan, GUAN Qiaoli(School of Electrical Engineering, Southeast University, NanJing 210096)20Abstract: Improving reactive power measurem

3、ent accuracy of nonlinear systems measurement isnot only the needs of maintaining the legitimate interests of both sides, but also strengthening management harmonics, improving management of power system and safe operation. Low-voltage general-purpose inverters structure and function is introduced.

4、Several typical reactive power measurement algorithms are showed. Built simulation models in Matlab, reactive25power measurement are applied by several typical reactive power measurement algorithms and compare the relative error. The simulation results is compared with the traditional power meter an

5、d basing 90 fundamental phase shift meter. Result shows the error is great, and the reactivepower measurement using algorithms make a more accurate result.Keywords: Reactive power measurement; Low-voltage general-purpose inverter; Matlab30simulation0引言电力电子装置和非线性负载的大量使用不仅产生谐波，而且要消耗无功功率，导致系统 无功功率的波动。无

6、功功率的波动可引起电网电压的波动，从而影响电网的供电质量，影响35到电网和设备的安全运行1。对非线性系统进行无功补偿，首先就需要准确的测量非线性系 统的无功功率。现今电力系统计量领域主要是使用传统的电磁式功率表和基于基波移相 90 原理的功率表来测量无功功率的，这两种功率表都是基于正弦系统的，在含有大量谐波的情 况下，这两种电能表的测量误差较大，无法准确测量非线性系统的无功功率。本文基于此， 研究采用典型无功功率测量算法测量非线性系统低压通用变频器驱动负荷系统的无功40功率，仿真结果表明，与传统的功率表的测量结果相比测量误差较小，测量结果较准确。对 低压通用变频器驱动负荷系统无功测量的研究结论

7、可作为其他非线性系统无功计量的参考。作者简介：王宝安，（1978-），男，讲师，主要研究方向：电能质量分析通信联系人：关巧莉，（1986-），女，硕士研究生，主要研究方向：电能质量，电测计量. E-mail:guanqiaoli8896126 1低压通用变频器文献2-4研究了变频器的工作原理和分类，按照用途可分为通用变频器、高性能专 用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器。低压通用变频器可以对普通的异步电动45机进行调速控制。主要有简易型和高性能多功能型，简易型主要应用于水泵、风扇、鼓风机 等对于系统的调速性能要求不高的场所，高性能多功能型多用在传送带、升降装置以及各种 机床、电动车辆等

8、对调速系统的性能和功能有较高要求的场合。低压通用变频器一般由整流电路、逆变电路、中间直流环节、控制电路、脉冲生成电路 五部分组成。根据低压变频器种类的不同，整流模块和逆变模块由不同的元件组成。电压源50型变频器整流电路由二极管桥式三相整流电路构成，电流源型变频器整流电路由可控桥式三 相整流电路构成。对于电压源型变频器而言，逆变电路主要是由 IGBT 反并联二极管组成三 相桥式逆变电路，电流源型变频器主要是由晶闸管组成的三相桥式逆变电路。电压源型变频 器中间直流环节为大电容，对电压进行平滑调节，变频器输出为幅值和频率可变的方波电压。 电流源型变频器中间直流环节为大电感，对电流进行平滑调节，变频器

9、输出为幅值和频率可55变的方波电流。图 1 低压变频器的原理图（电压型）Fig. 1 Schematic Diagram of Low-voltage Inverter60为研究方便，本文考虑带大电感负载的情况。利用 MATLAB/SIMULINK 建立仿真模型 如下图所示。图 2 低压通用变频器驱动负荷系统的仿真模型Fig. 2 Simulation Model of Low-voltage General-purpose Inverter Drive Load System652传统方法测量低压通用变频器驱动负荷系统的无功功率2.1 传统的测量无功功率的方法及原理根据基波移相 90的原理制

10、成的功率表原理是基于数字移相法，即首先对非正弦电压和 电流信号进行等间隔同步采样，分别得到两种信号的离散序列，然后将电压离散序列进行平70移 N/4 点，对应 90相移，再与电流离散序列对应相乘并累加，最后求平均值即可得到无功 功率。1 N NQ =u (k +) i(k )(1)N k =1 4式（1）中：N 为每个周波的采样点数；u(k+N/4)是电压滞后 90的采样值；i(k)是电流 第 k 个采样值。75传统的电磁式功率表是基于电磁感应的机械式运动机构的计量元件设计的。这种计量元 件是在正弦电路的前提下进行设计的，目前的电磁式无功电能计量绝大多数都是采用跨相 法，跨相法的基本思想是采用

11、有功电能表通过跨相接线或者基于跨相原理研制出专用无功电 能表作为的无功电能表。跨相无功电能表的计量元件的工作原理依然是有功电能计量原理， 通过改变电压、电流线圈的接线方式或者在电压、电流线圈中串接附加电阻或附加线圈等以80达到无功电能测量的目的。 传统的电磁式功率表的内部结构如下：P = Va Ia + Vb Ib + Vc Ic（2）Q = 1/3 (Vbc Ia + Vca Ib + Vab Ic)（3）859095100图 3 传统电磁式功率表的内部结构Fig. 1 Internal Structure of the Traditional Power Meter2.2 测量结果图 2

12、中，交流电源是相电压为 220V 的对称三相电压源，RC1，RC2，RC3 为系统阻抗， 其中电压值为 0.001Ohms，电感为 0.01mH，滤波电感 L=0.002H，直流电容 C1=0.008F，逆 变部分由 IGBT 反并联二极管组成，三相电感负载 L1=L2=L3=0.002H，逆变电路的基本工作 方式采用 180导电方式，即同一半桥上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120。传统的电磁式跨相表测量变频器的无功功率的方法即采用 Matlab/Simulink 中的三相 功率测量模块，基于 90数字移相的方法的测量变频器的无功功率的方法是在 Matlab 中建立 M 文件，

13、结合仿真模型就可得到测量值。基于 90数字移相算法的 M 文件如下： u=simout.signals.values; i=simout1.signals.values;M=length(u);N=800;%默认 u 和 i 的长度相同，此处不检查采样点是否相同U=u/sqrt(3);%转换为相电压for k=1:Nuu(k)=U(k+N/4);105endQ=0;for k=1:Nq(k)= uu(k).*i(k); Q=Q+q(k);110end Q=Q/N; display(Q);低压通用变频器驱动负荷系统的无功功率测量结果如下：115表 1 两种类型功率表的测量结果Tab. 1 Mea

14、surement Result of Two Kinds of Meter测量方法 无功功率 Q/(Var)90数字移相 0.0395跨相法 -4542.31201251301353无功功率测量方法及仿真目前正弦电路中无功功率的概念及计算公式已经非常清晰，但在非正弦电路中无功功率 的定义及计算公式还处于探讨和研究阶段，文献6介绍了一种新的测量非线性系统有功和 无功的方法，即通过一种简单的变流器把电压或电流的分解为两个正交分量，在 Fryze 定义 基础上测量无功功率。目前常用的无功功率测量算法是基于 Budeanu 频域无功功率定义的，即 Q = un in sin n ，主要的测量算法有：均

15、方根算法、傅氏算法、Hilbert 变换测量算法、n =1数字移相算法，其中 Hilbert 变换测量算法测量无功功率的精度较高。 文献7介绍了几种典型的无功功率测量算法，均方根算法的原理是基于功率三角形定理，即 S2=P2+Q2，通过对电压、电流值进行采样，得到离散的电压、电流值，再对电压有 效值、电流有效值、有功功率以及视在功率进行计算，最后通过功率三角形定理计算出无功 功率。傅氏算法本质是来源于 Budeanu 无功定义，通过对电压、电流进行傅里叶分解，得到 各次谐波的电压、电流有效值及其相位差，再通过将各次谐波的无功功率相加得到整个系统 的无功功率。Hilbert 变换算法能够对电压各

16、次谐波成分进行精确的 90移相，并保持谐波幅 值不变。当电压信号移相 90后，可以采用有功测量的方法来进行无功测量。在 SIMULINK 环境下，建立仿真模型，结合相应的 M 文件对模型进行动态仿真。对于通用低压变频器驱动负荷系统在不同的无功功率测量算法下的仿真结果如表 2 所示。由于Hilbert 算法测量无功功率的精度较高，这里作为误差比较的参考值。表 2 仿真运行结果Tab. 2 Simulation Results算法 无功功率 Q/(Var) 相对误差( % ) Hilbert 变换测量算法 3.3915傅氏算法 3.6361 7.21%均方根算法 3.4501 1.73%14014

17、5由表 2 可知，对于通用低压变频器驱动负荷系统无功功率的测量，相对于 Hilbert 算法，均方根算法误差较小，傅氏算法有较大的误差。综上可以看出表 1 中传统的电磁式功率表和基于基波移相 90的功率表的测量结果和 表 2 中三种算法的测量结果差别较大。4结论非线性系统的无功功率测量至今是一个较难的领域，本文通过传统的测量方法和无功功 率算法所测量出的低压通用变频器驱动负荷系统的无功功率相比较可知，两者的差别较大。 在非线性系统谐波含量较大的情况下采用基于正弦系统的传统无功测量方法是不可靠的，使 用傅里叶算法、Hilbert 算法，均方根算法能较为准确的测量非线性系统的无功功率。150参考文

18、献 (References)1551601 王兆安，杨君，刘进军. 谐波抑制和无功功率补偿M. 北京：机械工业出版社，2009. 2 罗庆祝. 低压通用变频器的应用和选型J. 电气技术，2009，(10)：81-83.3 王延才，王伟. 变频器原理与应用M. 北京：机械工业出版社，2005.4 胡雅静，杜坤坤. 一种采用变结构控制的新型通用变频器OL. 2010-3-9. :/ paper.edu / 5 贾玉福，孙红星. 通用变频器的发展J. 鞍山钢铁学院学报，2006，（48）：1-3.6 Piotr Filipski. A New Approach to Reactive Current and Reactive Power Measurement in NonsinusoidalSystemsJ. IEEE Trans. on PEs 423, 29(4).7 陈啸晴，粟梅. 几种无功功率测量算法的仿真比较J. 广东技术师范学院学报，2008，（12）：25-28.