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摘要
发电机的输出功率通常包括有功功率和无功功率两个部分，其中有功功率是通常是
人们可以使用的部分，其表现为驱动各种电器设备工作的功率部分。而无功功率的主要
功能是建立变磁场和感应磁通，其不转换为可以使用的机械能，热能等。发电机的无功
功率也是其重要的工作参数之一。因此，本文的主要工作为研究一种基于霍尔传感器的
无功功率自动检测方法。具体工作内容如下：
第一、本文首先调研了国内外关于无功功率检测的研究现状，分析了各种现有检测
无功功率的优缺点。然后对霍尔效应和霍尔传感器的基本原理进行了概述，并根据霍尔
功率传感器的基本原理，设计了一种基于霍尔传感器的发电机无功功率自动检测系统的
基本结构。该结构主要包括霍尔传感器、移相电路和 PID 自动控制电路等。
第二、本文以隔河岩电厂 13.8kV 发电机的无功功率检测为研究对象，使用
MATLAB/SIMULINK 对其无功功率检测系统进行了建模和仿真。分析了 PID 控制器各
个控制参数对无功功率校正效果的影响。并根据仿真结论给出了最优的 PID 控制参数，
真结论表明本文所研究的基于 PID 控制器校正的方法可以获得较高精度的无功功率检
测结果。
关键词：霍尔传感器，无功功率，功率检测，PID 控制器，SIMULINK
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目 录
1 绪 论 ........................................................7
1.1 本课题研究背景和研究意义 ...........................................7
1.2 无功功率检测技术的国内外研究现状 ...................................7
1.3 本文主要内容和论文章节 .............................................9
2 霍 尔 传 感 器 的 基 本 工 作 原 理 ...................................10
2.1 霍尔效应与霍尔元件简介 ............................................10
2.1.1 霍尔效应..........................................................................................................10
2.1.2 磁性乘法器的基本原理..................................................................................11
2.2 基于霍尔元件和数字移相电路的无功功率检测技术 ......................11
2.2.1 有功功率检测技术..........................................................................................11
2.2.2 基于数字移相的无功功率计算方法..............................................................12
2.2.3 无功功率检测技术..........................................................................................13
2.4 本章总结 ..........................................................14
3 基 于 霍 尔 传 感 器 的 三 相 同 步 发 电 机 无 功 功 率 自 动 检 测 系 统 ..........15
3.1 三相同步发电机简介 ................................................15
3.1.1 基于
ab
坐标系的同步发电机模型...............................................................15
3.1.2 基于
dq
坐标系的同步发电机模型 ................................................................16
3.2 三相同步发电机瞬时无功功率的基本概念 ..............................17
3.2.1 基于
ab
坐标系的无功功率表示方式...........................................................17
3.2.2 基于
dq
坐标系的无功功率表示方式 ............................................................18
3.3 PID 控制器概述 ....................................................19
3.3.1 P 控制方式分析..............................................................................................20
3.3.2 PD 控制方式分析............................................................................................21
3.3.3 PI 控制方式分析............................................................................................21
3.3.4 PID 的参数整定..............................................................................................22
3.4 基于霍尔传感器的无功功率检测系统的构建 ............................22
3.5 本章总结 ..........................................................23
3
4 无 功 功 率 自 动 检 测 系 统 仿 真 与 分 析 .............................24
4.1 仿真背景简介 ......................................................24
4.2 仿真软件平台 ......................................................24
4.3 仿真硬件平台 ......................................................25
4.4 基于 SIMULINK 的无功功率自动检测控制系统建模 .......................25
4.4.1 同步发电机的 SIMULINK 建模.......................................................................25
4.4.2 PID 控制器的 SIMULINK 建模........................................................................27
4.4.3 数字移相模块的 SIMULINK 建模....................................................................27
4.4.4 基于霍尔传感器的无功功率检测模块的 SIMULINK 建模............................27
4.5 无功功率检测的仿真与分析 ..........................................29
4.5.1 PID 控制器仿真分析......................................................................................29
4.5.2 数字移相器仿真分析.....................................................................................29
4.5.3 无功功率检测仿真分析.................................................................................30
4.5.4 无功功率检测精度分析.................................................................................31
4.4 本章总结 ..........................................................32
5 总 结 .......................................................33
5.1 本文总结 ..........................................................33
5.2 未来展望 ..........................................................33
4
1 绪论
1.1 本课题研究背景和研究意义
发电机的输出总功率通常包括有功功率(Active power)和无功功率(reactive power)两
个部分
[01]
。其中，有功功率可以单向的转换为各种能量向外输出，如热能，机械能，光
能以及动能等等，其特点是日常生活中可以感受到的。而无功功率则主要用于磁场能量
的交换，如电子设备中各种电感、电容在工作中所产生的不同规模的电磁场，此外在电
力系统中各种设备如发电机、电动机、继电器等非线性电力电子装装置均需要有无功电
流来维持正常的运作，电力系统中输电线路、变压器和电抗器同样也存在无功功率消耗。
因此，在某种程度上，无功功率是整个电力系统一个必不可少的环节
[02,03]
。
在过去传统的电力系统测量中，由于和人们生活直接相关的是有功功率，因此大多
数测量设备都是基于有功功率测量进行设计的，其精度可以达到 0.05 的级别
[05]
。而无
功功率和人们的生活相关性并不大，过去的测量方法，其精度仅仅为 2.0 级别。近几年，
随着我国发电水平的不断提高，发电机的装机容量也越来越大，其产生的无功功率也越
来越大，为了电能的利用效率得到有效提高，发电机无功功率检测系统设计也尤为重要，
越来越多的场合需要检测发电机无功功率，为了保证实际的电能质量以及保证个电力系
统的安全性，人们重新开始重视无功功率的测量问题
[04]
。
目前，在许多大型电力电子装置的电力系统中比例如我国的隔河岩电厂，因各种各
样的非线性元件和负载存在，导致电网中存在着大量的谐波信号，最终使得系统功率因
数难以测量、无法测量到准确的无功功率因数就无法对电力系统进行准确的无功功率补
偿。现如今市面上常用的无功功率检测装置都只能够检测在谐波状态下的无功功率，没
有考虑到系统中谐波无功分量对测量无功功率的影响，电力系统中含有大量的谐波信号，
导致传统无功功率检测装置检测的无功功率存在大的误差。因此设计一种能在谐波信号
干扰情况下依旧能够准确的、实时的测量出无功功率的自动检测系统非常有研究意义。
1.2 无功功率检测技术的国内外研究现状
目前，国内外关于无功功率检测方面的研究成果主要分为理论研究和应用研究。下
面对现有的研究成果进行总结与分析。
·理论研究成果方面
5
现有的理论研究成果主要涉及到傅里叶变换、小波变换等电力参数测量和谐波分析
技术等。其中较为成熟的理论包括替代法测量
[05]
、傅里叶分析测量法
[06]
、移相测量法
[07]
。
其中，基于替代法的无功功率检测技术，其主要应用于三相平衡、三相对称的线路
系统中，而常见的三相不平衡、不对称的线路，由于受到谐波干扰较大，其并不适用。
基于傅里叶变换的无功功率检测技术，其主要通过傅里叶变换来检测，因此计算量
较大，但检测精度较高。由于傅里叶变换的在实际硬件中的处理延迟较大，因此并不适
用于实时性较高的电路中。
基于移相法测量的无功功率检测技术，其实现方式主要包括电子相量转换计算法和
数字相量转换计算法两种方式
[09]
。其中，电子相量转换计算法是将无功功率的计算验证
转换为有功功率的测量，由于理论与实际应用的误差较大，在实际上该方法并不流行。
数字移相测量的原理是将控制电流移相 90°，将所测得的电压信号与电流信号在同一周
期内积分，其输出结果即为无功功率。该方法存在的不足之处主要是对谐波的频率适应
性比较差，所以采用此方法时要注意对谐波信号进行消除。
·产品应用研究成果方面
产品应用方面有着较多的成品成果，有早期的产品主要包括美国的 Fluke 公司推出
的 F43B 手持式电能测量仪，日本 HIOKI 公司开发的 3193 系列电能质量分析仪瑞典
UNIPOWER 公司的 UP 系列电能质量测量仪等。这些产品，其功能虽然较为强大，精
度较高，但都依赖进口，且价格较为昂贵，无法在国内进行普及。
·基于霍尔传感器功率检测方面
霍尔功率传感器近年来国内外常用的一种新型的传感器，用霍尔功率传感器可以测
量出发电机的无功功率。由于近几年来电网的快速发展，大量的负载都改变成用电源变
换器供电，这样导致一些原本的传统的功率检测器测量此类功率不适用，于是新一类霍
尔功率检测器诞生。随着霍尔传感器应用的不断普及，设计一种低成本，简单实用的无
功功率测试方法成为可能
[10]
。目前关于霍尔传感器的功率检测方面的应用主要包括：文
献 11 中，许崇福等人设计了一种基于霍尔传感器的有功功率传输检测装置，提高了直
流电源的功率检测的可靠性
[11]
。文献 12 中，黄颖辉等人一种基于霍尔器件的交流电源
功率检测系统，并正确计算了霍尔元件参数
[12]
。从这些研究成果可知，采用霍尔传感器
的功率检测技术，其满足了低成本，实时性等要求。但是单纯的使用霍尔传感器，其检
