基于PLC的10KV动态无功补偿控制系统毕业设计.docx
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基于PLC的10KV动态无功补偿控制系统毕业设计
基于PLC的10KV动态无功补偿控制系统毕业设计
第一章绪论
1.1课题研究的背景
近年来，随着我国国民经济的不断增长，我国的电力工业也有了迅猛发展。
同时电力网中的无功问题也已慢慢受到人们的高度重视，这是由于随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛。
而大多数电力电子设备的功率因数很低，它们所消耗的无功功率在电力系统所输送的电量中占有很大的比例。
无功功率增加会导致电流的增大，设备及线路的损耗增加，导致大量有功电能损耗。
同时使电网功率因数降低、系统电压下降。
无功功率如果不能就地补偿，用户负荷所需要的无功功率全靠发、配电设备长距离提供，就会使配电、输电和发电设施不能充分发挥作用，降低发、输电的能力，使电网的供电质量恶化，严重时可能会使系统电压崩溃，造成大面积停电事故。
据报道，我国平均每年因为无功分量过大造成的线损高达15%左右，折算成线损电量约为1200亿千瓦时。
假设全国电力网负载总功率因数为0.85，采用无功补偿装置将功率因数从0.85提高到0.95时，则每年可以降低线损约240亿千瓦时
。
近年来，随着电网负荷的增加，对无功功率的要求也愈来愈严格。
由于无功功率同有功功率同等重要，是保证电能质量不可或缺的一部分。
所以在电力系统中进行无功功率补偿必不可少，这对电力系统安全、可靠运行有着很重要的意义。
电力系统网络元件的阻抗主要是阻感性的，因此，在输送有功功率时，就要求送电端和用电端的电压有一相位差，这很容易实现;而为了输送无功功率，则要求两端电压有一幅值差，这就不容易实现了。
不仅大多数网络元件消耗无功功率，大多数负载同样也需要消耗无功功率。
显然，这些无功功率如果都要由发电机提供并经过长距离传送是不合理的，通常也是不可能的。
合理的方法应是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，即就地无功补偿。
无功补偿的作用主要有以下几点:
（1）提高供用电设备及负载的功率因数，减少设备容量，降低功率损耗。
（2）稳定用电端及电网的电压，提高供电质量。
在长距离输电网中合适的地点就地安装动态补偿装置能够改善输电网络的稳定性，提高输电能力。
（3）在电气化铁道等一些三相负载不平衡的系统中，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功及无功负荷。
1.2无功补偿研究及发展趋势
无功补偿可以减少电力损耗，一般工厂动力配线依据不同的线路及负载情况，其电力损耗约2%--3%左右，使用电容提高功率因数后，总电流降低，可降低供电端与用电端的电力损失；改善供电品质，无功补偿可以提高功率因数，减少负载总电流及电压降。
于变压器二次侧加装电容可改善功率因数提高二次侧电压。
常用补偿的方法:
一种是集中补偿（补偿电容集中安装于变电所或配电室,便于集中管理）；一种是集中与分散补偿相结合补偿电容一部分安装于变电所；另一部分安装于感性负载较大的部门或车间，这种是设备补偿。
根据变压器10KV/6000V负载的特点系统采用适合采用集中补偿。
目前,性能可靠、应用较广泛的无功补偿技术主要有静止无功补偿器（SVC）、静止无功发生器（SVG）等。
SVG是利用可关断大功率电力电子器件（如IGBT）组成自换相桥式电路,通过调节电路交流侧输出电压的幅值和相位或者直接控制其交流侧电流,使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流,实现动态无功补偿的目的。
SVG是无功补偿的重要发展方向,从本质上讲,SVG可以等效为大小可以连续调节的电容或电抗器,是当前技术条件下最为理想的无功补偿形式。
据ABB公司2001的统计，目前全世界SVG的投运容量超过32000Mvar，投运容量已超过1500Mvar。
静止无功补偿器（SVC）
早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器（SaturatedReacotor-SC）型，1967年英国GEC公司制成了全世界上第一批饱和电抗器型SVC。
饱和电抗器与同步调相机相比，具有静止型的优点，响应速度快，但因其铁心需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声都很大，而且存在非线性电路的一些特殊问题，所以未能占据静止无功补偿装置的主流。
1977年美国GE公司首次在实际电力系统中运行了使用晶闸管的静补装置，1978年美国西屋公司制造的使用晶闸管的静补装置投入实际运行。
随后，世界各大电气公司都竞相推出了各具特色的系列产品。
由于使用晶闸管的SVC具有优良的性能，所以十多年来占据了静止无功补偿装置的主导地位。
因此，SVC一般专指使用晶闸管的静补装置。
SVC是利用晶闸管作为固态开关来控制接入系统的电抗器和电容器的容量，从而改变输电系统的导纳。
按控制对象和控制方式不同，分别称之为晶闸管控制电抗器（ThyristorControlReaetor一TCR），晶闸管投切电容器（ThyristorSwitchCapacitor一TSC）以及这两者的混合装置（TCR+TSC），TCR与固定电容器（FixedCpaacotir一FC）配合使用的静止无功补偿器（TCR+FC）和TCR与机械投切电容器（MechanicallySwitchCapacitor一MSC）配合使用的装置（TCR+MSC）。
静止无功发生器（SVG）
静止无功发生器（SVG）也称为静止调相机（StaticCondenser一STATCON），静止同步补偿器（StaticSynchronousCompensator一STATCOM）、新型静止无功发生器（AdvancedStaticVarGenerator一ASVG）。
其分为电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型。
电压型桥式电路，其直流侧采用电容作为储能元件，交流侧通过串联电抗器并入电网;电流型桥式电路，直流侧采用电感作为储能元件，交流侧并联上电容器后接入电网。
迄今投入实用的SVG大都采用电压型桥式电路，因此SVG往往专指采用自换相的电压型桥式电路作为动态无功补偿的装置。
与SVC相比，SVG具有以下5个优点:
①调节速度快。
SVC内部的电力电子开关元件多为晶闸管，晶闸管导通期间处于失控状态，使SVC每步补偿时间间隔至少约为工频的半个周期，而SVG采用GTO作为开关元件，GTO可在0.001s时间左右关断，因而其补偿速度更快;
②运行范围宽。
在欠压条件下，SVG可通过调节其变流器交流侧电压的幅值和相位，使其所能提供的最大无功电流维持不变，仅受其电力半导体器件的电流量限制。
而SVC系统，由于所能提供的最大电流受其并联电抗器的阻抗特性限制，因而随着电压的降低而减小;
③可以在从感性到容性的整个范围中进行连续的无功调节;
④SVG不需大容量的电容、电感等储能元件，其直流侧所使用的电抗器和电容元件的容量远比SVC中使用的小，可大大缩小装置的体积和成本;
⑤谐波含量小。
SVG在采取多重化技术、多电平技术或PWM技术等措施后，可大大减少补偿电流中的谐波含量。
以单片机为主控单元的电压无功控制系统得到很大发展,但单片机抗干扰能力较差,在中、高压无功补偿领域的可靠性不易保证。
另一方面电压等级越高的变电站其辐射范围也越大,故障的波及面也大,因此系统对它的控制能力、通信能力要求也更高。
本设计装置采用可编程逻辑控制器（PLC）进行控制及监测。
1.3本文主要研究内容
该设计整个系统利用PLC技术、IGBT技术、链式逆变器技术等来完成。
功率单元采用链式结构,多个两电平H桥电路串联起来,以达到电压叠加的目的。
在10KV系统应用时,每相连接多个两电平逆变器模块。
SVG由连接电抗器、逆变器组成,每相电路通过IGBT变流模块级联,经过连接电抗器直接接入10KV电网。
SVG首先通过充电电阻对直流侧电容充电至预定值,之后充电接触器闭合以短接充电电阻,充电过程结束,补偿装置并入电网开始工作；并网一段时后,将固定电容器投入,主控制器根据母线侧电压、电流信号计算得出需补偿的无功电流,并生成逆变器所需的IGBT驱动信号,控制逆变器产生与无功电流幅值相等、相位相反的补偿电流,从而实现补偿无功的目的。
1.4用PLC实现的投切电路结构及原理
用PLC实现的投切电路结构原理如图1所示，利用这样的线路结构，无功补偿补偿装置变得条理清晰，易于理解，并且在原自动投切、手动投切的基础上，利用PLC中CPU内部的日历时钟可以实现实时自动投切控制。
当检测电路或模拟单元出现故障时，可以按实时时间自动投切。
如果用户每天的工作大体一致，那么实测作出功率因数曲线后，可以不用模拟单元，只用图中虚线内的简单结构就可以实现自动投切。
同时可以通过检测各接触器的状态作出相应的保护和报警输出。
图1-1PLC实现的投切电路原理图
第二章电网参数测量算法与无功补偿研究
2.1概述
电网参数的测量是无功补偿设计的一个重要组成部分，准确、快速测量是高压
无功补偿控制器设计的基础，对于实现电网调度自动化、保证电网安全与经济运
行具有十分重要的意义。
本章在简要介绍分析各类电网参数测量方法后，采用技
术比较成熟的傅立叶变换来计算各电网参数，在准确测量电网参数的基础上，对
无功补偿的原理及方法进行了简述。
2.2电网参数测量算法研究
电力系统基本电网参数的测量主要包括:
电流有效值、电压有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率。
根据被采集信号的不同，数据采集可分为直流采样和交流采样两大类。
直流采样是把交流电压、电流信号转化为0-5V的直流电压，这种方法的主要优点是算法简单，便于滤波，但投资较大，维护复杂，无法实现实时信号采集，因而在电力系统中的应用受到限制。
交流采
样是把交流电压、电流信号转化为士5V（或0-5V）的交流电压进行采集，主要优点是实时性好，相位失真小，投资少、便于维护，其缺点是算法复杂，精度难以提高，对A/D转换速度要求较高。
随着微机技术的发展，交流采样以其优异的性能价格比，有逐步取代直流采样的趋势。
交流采样的应用范围非常广泛，根据应用场合不同，其算法也有很多种，按照其模型函数的不同，大致可分为正弦模
型算法、非正弦模型算法。
正弦模型算法主要有:
最大值算法、单点算法、半周期积分算法、两点算法、导数算法和快速三点算法。
其中，最大值算法测量电压、电流的有效值误差大小与AD的位数和采样周期有关，AD的位数越高、采样周期越小，则误差越小，测量精度越高;如果采集三相对称正弦信号，单点算法不失为理想算法，对采样时刻没有要求，既准确又快捷，并且可以同时测量得到电压、电流、有功功率和无功功率，但这种算法对采样信号要求较高，硬件较为复杂;半周期积分算法的数据窗长度虽然要半个周期，但它的运算量非常小，只涉及加减运算，可以用非常简单的硬件实现。
另外它有一定的滤除高频分量的能力，因为叠加在基波成分上的幅度不大的高频分量在半周期积分中其对称的正负半周期相互抵消，剩余未被抵消的部分所占的比重就减少了。
但是该算法不能抑制支流分量。
因此对于要求不高的电压电流保护功能可以采用此类算法。
非正弦模型算法主要有:
有效值算法、均方根算法、傅立叶及改进的傅立叶算法、最小二乘算法、卡尔曼滤波算法、小波变换算法等。
其中，有效值算法的计算精度与采样点数N和采样的同步度有关，在系统允许的前提下，可以增加采样点数来提高运算精度。
该算法实时性好、简单，能够计及信号中的高次谐波的影响，在不需要测量基波和各次谐波参数的情况下，可以选用此方法;均方根算法能计及高次谐波的影响，并且随着每周采样点的增多，可以提高采集精度，但采样点太多必然降低采集速度，增加了运算量，因而需要在精度和速度之间作出适当的选择;傅立叶及改进的傅立叶算法是目前应用最多的算法，可以一次算出信号中所用谐波，应用方便，己经在电力系统测量中得到了长久的应用;小波变换算法因其在时频域都具有较好的分辨率，在电力系统测量中有很好的研究价值。
2.3无功补偿原理
电力网中的电动机和变压器是根据电磁感应原理工作的。
磁场所具有的磁场能量是由电源提给的。
电动机和变压器在能量转换过程中建立交变磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等，这种功率称为感性无功功率。
接在交流电网中的电容器，在一个周期内上半周的充电功率与下半周的放电功率相等，这种充电功率叫做容性无功功率。
所以无功功率被使用于建立磁场和静电场，它存储于电感和电容中，通过电力网往返于电源和电感、电容之间。
无功功率在电力网元件中流动，将会在电力网元件中引起电压损耗和功率损耗，降低电网的电压质量，增加电网的线损率。
将电容器和电感并联在同一电路中，电感吸收能量时，电容器释放能量;而电感放出能量时，电容器吸收能量。
因此能量就只在它们之间交换，即感性负荷。
（电动机、变压器等）所吸收的无功功率，可从电容器所输出的无功功率中得到补偿。
因此把由电容器组成的装置称为无功补偿装置。
无功补偿的作用和原理如图2-1所示。
图2-1无功功率补偿示意图
设电感性负荷需要从电源吸取的无功功率为Q，装设无功补偿装置后，补偿无功功率为Qc，使电源输出的无功功率减少为Q’=Q一Qc，功率因数由cos
提高到cos
’材，视在功率S减少到S’，如图2.5所示。
视在功率的减少可相应减少供电线路的截面和变压器的容量，降低供用电设备的投资。
例如一台1000千伏安的变压器，当负荷的功率因数为0.7时，可供700千瓦的有功负荷;当负荷的功率因数提高到0.9时，可供900千瓦的有功功率。
同一台变压器，因为负荷的功率因数的提高而可多供200千瓦负荷，是相当可观的。
由电力网功率损耗的计算公式
可见，因采用无功补偿措施后，电源输送的无功功率减少，将使电力网和变压器中的功率损耗下降，从而提高了供电效率。
由电压损耗计算公式
可知，采用无功补偿措施后，因电力网无功功率的减少，降低了电力网中的电压
损耗，提高了用户处的电压质量。
在实际电力系统中，包括异步电动机在内的绝大部分电气设备的等效电路可看做电阻R与电感L串联的电路，设
式中
cos
必被定义为电力网的功率因数，其物理意义是供给线路的有功功率P占
线路视在功率S的百分数。
在电力网运行中，期望功率因数越大越好，如果能做
到这一点，则电路中的视在功率将大部分用来供给有功功率，可以减少无功功率
的消耗。
将R、L电路并联电容C后，电路如图2-2（a）所示，该电路电流方程为
了
。
由图2-2（b）的相量图可知，并联电容器后电压U和电流I的相位差
变小了，即供电回路的功率因数提高了，此时供电电流I的相位滞后于电压U，这种情况称为欠补偿。
图2-2并联电容器补偿无功功率的电路和向量图
若电容C的容量过大，使得供电电流I的相位超前于电压U，这种情况称为
过补偿，其相量图如图2-2（c）所示。
通常不希望出现过补偿的情况，因为这样
会引起变压器二次电压的升高，而且容性无功功率在电力线路上传输同样会增加
电能损耗，如果供电线路电压因此而升高，还会增大电容器本身的功率损耗，使
温升增大，影响电容器的寿命。
电力网除了要负担用电负荷的有功功率P，还要承担负荷的无功功率Q。
有
功功率P与无功功率Q还有视在功率S之间存在下述关系，即
因此，功率因数还可以表示成下列形式
式中：
U————线电压（KV）；
I————线电流（A）。
可见在电压、电流一定的情况下，提高cos
可增大输出的有功功率。
因此，改善功率因数是充分发挥设备潜力，提高设备利用率的有效方法。
由上述可知，无功补偿的目的就是提高电网的功率因数，即提高有用功在电网发出功率中的比例。
2.4无功补偿控制量的选择
在控制器的控制规律上又可以分为功率因数控制和无功功率（无功电流）控制。
下面介绍无功补偿由功率因数控制和无功功率（无功电流）控制两种控制方式的特点。
2.4.1功率因数控制
以功率因数作为投切判据是电网无功控制的传统方法之一，它以电网中电压与电流相位差形成的功率因数作为控制量来控制补偿电容器的投切状态。
用无功补偿装置进行补偿，使供电电网的功率因数满足要求。
参照图2-3，假设补偿前的参数是有功电流
，无功电流
，总电流
，功率因数cos
<0.9。
将cos
=0.9定为投入门限，当控制器检测到当前的功率因数值小于0.9时，发出指令，投入一电容器组进行补偿。
补偿后的参数为
图2-3无功功率补偿原理
有功电流
，无功电流流
，功率因数cos
>0.9。
又将切除门限设为
。
当控制器检测到当前的无功电流小于零时，即得到超前的功率因数时，发出指令，切除一电容器组。
当检测到当前的功率因数值介于0.9和1.0之间时，则保持不变。
以功率因数作为控制量的控制器通过对电网的电压、电流进行采样检测，分析计算出当前的功率因数值。
用当前的功率因数值与设定的投切门限值进行比较，以确定是投入、切除、还是保持不变。
当控制器检测到当前的功率因数值介于0.9和1.0之间时，则不论实际的无功功率值是多少，都保持当前的补偿状态不变。
功率因数值是一个比例值，所以在重负荷时，虽然功率因数满足了要求，但电网中的无功功率仍很大。
用图2.4可以很清楚地说明重载时的情况。
图2-4中，负载
大于负载
，无功
也大于
，而这时的功率因数却是相同的。
虽然
与
的差值大于一个或几个电容器组的补偿量，但却由于此时的功率因数满足要求而不会去投入。
图2-4相同功率因数下无功电流与负载的关系
功率因数控制的另一个问题是轻载下的投切振荡。
图2-5说明了轻载时发生投切振荡的情况。
图2.5中
是轻载时的有功电流，
是与之对应的无功电流，并且
较小，要小于一个电容器组的补偿量。
由于负载很轻，这时的功率因数较小。
按照补偿原理应投入一个电容器组，用该组电容器的超前电流
去进行补，补偿的结果是得到了超前的功率因数。
一旦功率因数超前，就要立即切除一电容器组，而切除一组功率因数又不够，因此形成投切振荡。
图2-5功率因数补偿的轻载振荡
2.4.2无功功率控制
针对功率因数控制的问题，出现了以系统中的无功功率为被控制对象，即将无功功率作为无功补偿的控制量。
以无功功率作为投切判据，由于检测量与控制目标一致，能够真正实现无功功率缺多少补多少，超多少切多少的目的，既可避免投切振荡，又可实现电容器组的一次投切到位，避免了反复试投切对电网和电容器的影响。
控制器对电网的电压、电流进行采样检测，计算出当前的无功功率（无功电流）值。
若当前值大于一个电容器组的补偿值，则投入一个电容器组。
若当前值超前，则切除一个电容器组。
本方法补偿的结果是使电网中的无功功率始终保持在一个较低的水平上。
图2-6所示是无功功率控制的补偿效果示意图。
由于本方法的控制对象是无功功率，而无功功率又始终保持在一个较低的水平上。
因此，不会出现功率因数控制方式所出现的重载时功率因数满足要求，但无功电流很大，而轻载时又容易产生投切振荡的问题。
以无功功率为控制量的无功补偿是建立在目标功率因数为1.0的基础上的，如果控制器的运行环境对功率因数的要求并不高的话，就需要重新设置投入门限与切除门限，将其设定为较大的值，这样不仅重新设定比较麻烦，而且将投入/切除门限增大后，投切精度与灵敏度就会降低。
因此该系统中增加一参数:
目标功率因数，将目标无功功率与实际无功功率之差作为无功补偿的控制量来进行投切。
这样在不同的应用环境下，就只需要改变目标功率因数即可，在必要的情况下需要重新设置投入门限与切除门限。
图2-6无功功率补偿示意图
第三章系统硬件设计
3.1电子式无功功率自动补偿控制器
电子式无功功率自动补偿控制器原理图如图3-1所示。
主要具有以下方面的功能和问题。
图3-1电子式无功功率自动补偿控制原理图
3.1.1检测功率因素值的检测单元
主要由相位检测电路和电流检测电路组成。
用于检测电网中所减少的无功损耗，从而使系统决定无功补偿量的大小。
相位判别检测电路：
相位差就是电压超前或滞后电流的差值，在本设计中我们不但要测量出相位差的大小还要判断出电压超前还是滞后了，首先对相位差进行测量。
输入两路同频率的正弦波信号，当两路信号的频率相同时，相角差θ=φ1—φ2是一个与时间无关的常数,将此两路正弦波信号经过放大整形成两路占空比为50%的正方波信号f1、f2，经过异或门输出一个脉冲序列A，与晶振产生的基准脉冲波B进行与操作得到调制后的波形C，在一定的时间范围内对B、C中脉冲的个数进行,计数得Nc、Nb，则其相位差计算公式为θ=180°·Nc/Nb，采用多个周期计数取平均值的方式以提高测相精度。
波形如下图所示:
F1
F2
A
B
C
图3-2相位检测波形图
相位极性判别电路:
将波形整形电路的两路输出方波送入D触发器中进行相位极性判别，当U0超前U1时，Q端输出高电平，反之输出低电平，极性判别的原理图如3-3所示。
相位检测和判别的接线图如图3-4所示：
图3-4相位检测和判别的接线图
3.1.2无功功率单元与电平比较单元
将检测到的无功功率量的大小转换为电压值或电流值，该值与设定的参考值比较发出投入或切除电容器的控制信号。
3.1.3投切控制部分
由电平比较单元产生的投切控制信号通过光电转换后进入单片机或其他控制器，启动相应的时序控制程序，控制器按照规定的程序步骤，发出晶闸管通断指令和接触器通断指令，该指令通过功率放大和光电隔离后，驱动晶闸管和交流接触器按预先设定的程序适时动作，确保安全可靠地对电容器进行投切操作。
3.1.4过压保护部分
当电网某相电压、欠压、欠流及谐波超限或电压不平稳超限时，快速切除补偿电容器、以免设备损坏。
3.1.5存在的主要问题
电子式无功功率自动补偿控制器在实际应用中存在不少问题，如容易受外界干扰及灰尘等因素影响出现故障；各部分控制功能因全由电子线路实现，器件多、过程复杂，难于快速准确找到故障点；当检测电路无功运算等电路出现故障时，缺少投切保护功能；当接触器或继电器粘连时，无法及时报警及保护等。
3.2PLC选型及模拟量扩展模块的选择设计
本设计选用西门子s7-200CPU226作为控制主机，其主要技术参数和性能如下所示:
表3-1西门子s7-200CPU226技术参数
描述
CPU226DC/DC/DC
CPU226AC/DC/继电器
物理特性
尺寸（WXHXD）
重量
功耗
196x80x62mm
550g
11W
196x80x62mm
660g
17W
存储器特性
程序存储器
在线程序编辑时
非在线程序编辑时
数据存储器
装备（超级电容）
（可选电池）
16384bytes
24576bytes
10240bytes
100小时/典型值（40°C时最少70小时）
200天/典型值
16384bytes
24576bytes
10240bytes
100小时/典型值（40°C时最少70小时）
200天/典型值
I/O特性
本机数字量输入
本机数字量输出
本机模拟量输入
本机模拟量输出
数字I/O映象区
模拟I/O映象区
允许最大的扩展I/O模块
允许最大的智能模块
脉冲捕捉输入
高速计数器
总数
单相计数器
两相计数器
脉冲输出
24输入
16输出
无
无
256（128输入/128输出）
64（32输入/32输出）
7个模块
7个模块
24
6个
6，每个30KHz
4，每个20KHz
2个20KHz（仅限于DC输出）
24输入
16输出
无
无
256（128输入/128输出）
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