PLC在无功补偿自动补偿控制中应用技术.docx

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PLC在无功补偿自动补偿控制中应用技术

PLC在无功补偿自动补偿控制中应用

摘要：

正对电子式无功功率自动补偿控制器可靠性差、线路复杂等问题、提出用可编程控制器（PLC）实现无功功率补偿，以提高系统可靠性，简化系统的结构，并方便实现对功率因数的实时调整。

关键字：

补偿；可编程控制器；投切；控制

引言

近年来,我国电力装机容量速度增加,大大缓解了供电紧张的局面。

随着供电量的增加,系统线损也将增大。

据统计,电力系统的无功功率损耗最多可达总发电容量的20%~30%,也就是说大约1/4的发电容量都将用来抵消输配电过程中的功率损耗。

所以功率因数越低,对电力系统运行越不利,主要原因有如下两方面:

1）发电机、变压器的额定视在功率为S=UI,它代表设备的额定容量,在数值上等于允许发出的最大功率。

因为发电机在额定工作状态下发出的有功功率为

P=UIcosφ

当负载的功率因数cosφ=1时,P=S,其容量得到了充分利用。

当负载的功率因数cosφ<1时,发电机的电压和电流又不容许超过额定值,显然,这时发电机所能发出的有功功率较小,而无功功率则较大。

无功功率越大,电路与电源之间能量交换的规模越大,发电机发出的能量得不到充分利用。

同时,与发电机配套的原动机及变压器等设备也不能充分利用。

2）在电压一定的情况下,对负载输送一定的有功功率时,功率因数愈低,输电线路的电流就愈大。

不仅增大线路上的压降,同时也加大了线路上的功率损耗。

由此可见,提高电网的功率因数即无功补偿,对国民经济的发展有着极为重要的意义。

第一章绪论

1.1无功补偿概述

1.1.1无功补偿的基本原理

由于配电网中大多数为感性用户。

所有电感负载均需要补偿适量的无功功率，提供这些无功功率主要有两条途径：

一是输电系统提供；二是补偿电容器提供。

如果由输电系统传输无功功率，将造成输电线路及变压器损耗的增加，降低系统的经济效益。

而配电网中装设补偿电容器提供无功功率，就可以避免由输电系统传输无功功率，从而降低电网无功损耗，提高系统的传输功率，达到提高系统电压和降损节能的目的。

如图所示：

P1=S1COSφ1因为φ1＝φ2＋φc且φ1＞φ2P2=S2COSφ2  因为φ1＝φ2＋φc且φ1＞φ2因此，为了保证有功功率P1=P2不变，必须装设补偿容量为φc的无功的电容补偿装置。

式中COSφ1-改善前的功率因子COSφ2 -改善后的功率因子S1-功率因子改善前视在功率S2-功率因子改善后视在功率

Q2Q3

S2S1

P

φ2

φ1Q1

图1无功功率补偿原理图

1.1.2无功补偿的作用

一、减少电力损失，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。

二、改善供电品质，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。

三、延长设备寿命。

改善功率因数后线路总电流减少，使接近或已经饱和的变压器、开关等机器设备和线路容量负荷降低，因此可以降低温升增加寿命（温度每降低10°C，寿命可延长1倍）

四、最终满足电力系统对无功补偿的监测要求，消除因为功率因数过低而产生的罚款。

1.1.3无功补偿的特点与发展前景

静止无功补偿装置（SVG）近年来获得了很大的发展，已广泛应用于负载无功补偿。

其典型代表是固定电容器＋晶闸管控制电路控制电抗器（FixedCapacitor＋ThyristorControlledReactor——FC＋TCR）。

晶闸管投切电容器（ThyristorSwitchedCapacitor——TSC）也获得了广泛的应用。

静止无功无功补偿装置的一个重要特性就是它能连续调节补偿装置的无功功率。

这种连续调节是依靠调节TCR中的晶闸管的触发延迟角得以实现的。

TSC只能分组投切，不能连续调节无功功率，它只能和TCR配合使用，才能整体调整无功功率的连续调节。

由于具有连续调节的性能且响应迅速，因此SVG可以对无功功率进行动态补偿，使补偿点电压接近维持不变.  

无功补偿是无功补偿电源的简称，指为满足电力网和负荷端电压水平及经济运行的要求，必须在电力网内和负荷端设置无功电源，如电容器、调相机等。

无功补偿的配置应采取基本上就地平衡、分级补偿和便于调整电压的原则。

在接近负荷端分散补偿，可减少无功功率的输送，从而降低损耗，减少压降，有较好的经济效果；集中安装在变电站内，则便于控制操作，有利调整电压。

变电站安装的无功补偿设备容量，一般是以在高峰负荷时，其主变压器的功率因数达到一定数值（如35～110kV变电站达到0.9～0.95）来考虑的，其值根据计算确定。

不同变电站，视需要和可能，可安装调相机、并联电抗器、自动分组投切的电容器组或静止无功补偿器等无功补偿设备。

有的送电线路也采用中间（串联）电容补偿。

电网中的电力负荷如电动机、变压器等，大部分属于感性电抗，在运行过程中需要向这些设备提供相应的无功功率。

在电网中安装并联电容器、同步调相机等容性设备以后，可以供给感性电抗消耗的部分无功功率小电网电源向感性负荷提供无功功率。

也即减少无功功率在电网中的流动，因此可以降低输电线路因输送无功功率造成的电能损耗，改善电网的运行条件。

这种做法称为无功补偿。

我国电容器无功补偿装置的发展70年代初期,参照前苏联引进的电容器无功补偿装置,我国第一代电容无功功率补偿装置由刀熔开关和电力电容器组成。

电容器的投切完全依靠手动,无法随需量变化而调节。

到80年代末,一种专为投切电容器所设计的交流接触器（如CJ16、CJ19、CJX-2C等）研制成功,该种接触器及配合电容器切除后的放电回路（放电后使电容器端电压不超过额定电压10%）保证电容器再次投入时,合闸涌流被限制到电容器额定电流的20倍以下。

电容器分组设置,各组电容器采用循环投切,以保证接触器投切机会均等,从而延长了装置的使用寿命,这种有触头补偿装置一直延用至今。

随着电子技术的发展,在90年代中期,一种新型的控制模式出现,那就是应用晶闸管取代交流接触器控制电容器的投切。

该类型装置的主电路结构为:

“保护开关+晶闸管+电力电容器。

”这一技术的应用,解决了接触器的机械寿命短的问题,大大提高了对无功需求变化的动态响应,使电容无功补偿装置对变化大,且变化速度快的负载得以较好的应用。

近几年,结合有触点装置和无触点装置各自的优势,混合型控制投切电容器的无功补偿装置被逐渐采用。

与晶闸管投切方式相同,该种方式的无功补偿装置也只能进行分级断续补偿。

从国际范围来讲，目前SVG与STATCOM都已得到普遍的应用。

国外（主要指西欧,美国和日本）的SVG技术已经比较成熟了。

SVG出现早，应用时间长，仅ABB公司，其目前在全世界投运的SVG就已超过370套，ABB与西门子两个公司已安装的SVG总容量约为9万Mvar（包括已退役装置）。

STATCOM装置在20世纪主要以示范工程为主，从上世纪90年代末到本世纪初，STATCOM在日本及欧美得到了广泛应用，尤其是在冶金、铁道等需要快速动态无功补偿的场合。

2001—2003年，美国在输电网接连投运了百Mvar级的大容量STATCOM，表明STATCOM在输电网中已完全进入实用阶段。

由于都是基于电压源换流器技术，这些STATCOM装置仅通过改变母线接线方式，就可以变成背靠背的直流输电，能对电网的潮流进行更有效的控制。

据ABB公司2001的统计，目前全世界SVG的投运容量超过32000Mvar，STATCOM的投运容量已超过1500Mvar。

随着电网的不断发展，对无功功率进行控制与补偿的重要性与日俱增：

①输电网络对运行效率的要求日益提高，为了有效利用输变电容量，应对无功进行就地补偿；②电源（尤其水电）远离负荷中心，远距离的输电需要灵活调控无功以支撑解决稳定性及电压控制问题；③配电网中存在大量的电感性负载，在运行中消耗大量无功，使得配电系统损耗大大增加；④直流输电系统要求在换流器的交流侧进行无功控制；⑤用户对于供电电能质量的要求日益提高。

因此，对电网的无功进行就地补偿，尤其是动态补偿，在输配电系统中十分必要。

1.2无功补偿的方法

提高功率因数的主要方法是采用低压无功补偿技术，我们通常采用的方法主要有三种：

随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。

    随机补偿：

随机补偿就是将低压电容器组与电动机并接，通过控制、保护装置与电机，同时投切。

随机补偿适用于补偿电动机的无功消耗，以补励磁无功为主，此种方式可较好地限制用电单位无功负荷。

随机补偿的优点是：

用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停运时，补偿设备也退出，而且不需频繁调整补偿容量。

具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活，维护简单、事故率低等。

     随器补偿：

随器补偿是指将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二次侧，以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。

配变在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载励磁无功，配变空载无功是用电单位无功负荷的主要部分，对于轻负载的配变而言，这部分损耗占供电量的比例很大，从而导致电费单价的增加。

随器补偿的优点：

接线简单、维护管理方便、能有效地补偿配变空载无功，限制农网无功基荷，使该部分无功就地平衡，从而提高配变利用率，降低无功网损，具有较高的经济性，是目前补偿无功最有效的手段之一。

    跟踪补偿：

跟踪补偿是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在大用户0.4kv母线上的补偿方式。

适用于100kVA以上的专用配变用户，可以替代随机、随器两种补偿方式，补偿效果好。

跟踪补偿的优点是运行方式灵活，运行维护工作量小，比前两种补偿方式寿命相对延长、运行更可靠。

但缺点是控制保护装置复杂、首期投资相对较大。

但当这三种补偿方式的经济性接近时，应优先选用跟踪补偿方式。

1.3无功补偿的原则

全面规划，合理布局，分级补偿，就地平衡，具体内容如下。

总体平衡与局部平衡相结合，既要满足全网的总无功平衡，又要满足分线、分站的无功平衡。

集中补偿与分散补偿相结合，以分散补偿为主，这就要求在负荷集中的地方进行补偿，既要在变电站进行大容量集中补偿，又要在配电线路、配电变压器和用电设备处进行分散补偿，目的是做到无功就地平衡，减少其长距离输送。

高压补偿与低压补偿相结合，以低压补偿为主，这和分散补偿相辅相成。

降损与调压相结合，以降损为主，兼顾调压。

这是针对线路长，分支多，负荷分散，功率因数低的线路，这种线路最显著的特点是：

负荷率低，线路损失大，若对此线路补偿，可明显提高线路的供电能力。

供电部门的无功补偿与用户补偿相结合，因为无功消耗大约60%在配电变压器中，其余的消耗在用户的用电设备中，若两者不能很好地配合，可能造成轻载或空载时过补偿，满负荷时欠补偿，使补偿失去了它的实际意义，得不到理想的效果。

第二章并联电容器进行无功补偿

2.1补偿原理

实际工程中大多数为感性负载,其功率因数都比较低,感性负载并联电容器是提高功率因数的主要方法之一。

感性负载的电流超前于电源电压,而容性负载的电流滞后于电源电压,所以超前电流与滞后电流的可以互补,从电容并联点之前的电源（或电网）吸收的无功功率减少了,也就是电容性负荷的无功功率补偿了电感性负荷的无功功率。

当电网容量一定时,使无功功率减少,从而可大大提高功率因数。

2.2补偿与控制方式

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。

这种方法灵活机动,便于调节,且可降低企业内供、配电线路的损耗。

补偿常用控制方式:

根据用电设备负载的情况,测算出补偿电容容量,选用合适的无功补偿装置,并利用交流接触器进行分级手动投切电容。

这种控制方式显然不能满足自动化工业控制的要求。

由分立元件组装的自动控制设备,这种产品元件繁多,设备

笨重庞大,线路复杂,可靠性差,出现故障时维修难度大。

有的使用单位由于设备无法修复,只好人工手动来进行控制,在科学技术迅速发展,集成电路、微电子技术已经普及的今天,这种状况已远远不能适应现代化生产的要求。

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。

2.3无功功率补偿容量的选择方法

无功补偿容量以提高功率因数为主要目的时，补偿容量的选择分两大类讨论，即单负荷就地补偿容量的选择（主要指电动机）和多负荷补偿容量的选择（指集中和局部分组补偿）。

 2.3.1单负荷就地补偿容量的选择的几种方法       美国资料推荐：

Qc=（1/3）Pe

       日本方法：

从电气计算日文杂志中查到：

1/4~1/2容量计算考虑负载率及极对数等因素，按此法选取的补偿容量，在任何负载情况下都不会出现过补偿，而且功率因数可以补偿到0.90以上。

此法在节能技术上广泛应用，对一般情况都可行，特别适用于Io/Ie比值较高的电动机和负载率较低的电动机。

但是对于Io/Ie较低的电动机额定负载运行状态下，其补偿效果较差。

  经验系数法：

由于电机极数不同，按极数大小确定经验系数选择容量比较接近实际需要的电容器，采用这种方法一般在70%负荷时，补后功率因数可在0.95~0.97之间

电机容量大时选下限，小时选上限；电压高时选下限，小时选上限4、Qc=P实际测试比较准确方法此法适用于任何一般感性负荷需要精确补偿的就地补偿容量的计算。

       如果测试比较麻烦，可以按下式：

Qc≤√3UeIo×10-3（kvar）

       Io-空载电流=2Ie（1-COSφe）瑞典电气公司推荐公式：

Qo

       电动机带额定负载运行，即负载率β=1，则：

Qo

       根据电机学知识可知，对于Io/Ie较低的电动机（少极、大功率电动机），在较高的负载率β时吸收的无功功率Qβ与激励容量Qo的比值较高，即两者相差较大，在考虑导线较长，无功经济当量较高的大功率电动机以较高的负载率运行方式下，此式来选取是合理的。

      电动机额定数据计算：

Q=k（1-cos2φe）3UeIe×10-3（kvar）

       K为与电动机极数有关的一个系数

       极数：

246810

       K值：

0.70.80.850.9　

       2.3.2多负荷补偿容量的选择

多负荷补偿容量的选择是根据补偿前后的功率因数来确定对已生产企业欲提高功率因数，其补偿容量Qc按下式选择：

Qe=KmKj（tgφ1-tgφ2）/Tm

式中：

Km为最大负荷月时有功功率消耗量，由有功电能表读得；Kj为补偿容量计算系数，可取0.8～0.9。

Tm为企业的月工作小时数；tgφ1、tgφ2意义同前，tgφ1由有功和无功电能表读数求得。

       对处于设计阶段的企业，无功补偿容量Qc按下式选择：

   Qc=KnPn（tgφ1-tgφ2）。

式中Kn为年平均有功负荷系数，一般取0.7～0.75。

Pn为企业有功功率之和；tgφ1、tgφ2意义同前。

tgφ1可根据企业负荷性质查手册近似取值，也可用加权平均功率因数求得cosφ1。

多负荷的集中补偿电容器安装简单，运行可靠、利用率较高。

但电气设备不连续运转或轻负荷运行时，会造成过补偿，使运行电压抬高，电压质量变坏。

因此这种方法选择的容量，对于低压来说最好采用电容器组自动控制补偿，即根据负荷大小自动投入无功补偿容量的多少，对高压来说应考虑采取防过补偿措施。

第三章电子式无功功率自动补偿控制器

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2所示。

主要具有以下方面的功能和问题。

图2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4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5所示。

相位检测和判别的接线图如图6所示：

图5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。

3.2用PLC实现的投切电路结构及工作原理

用PLC实现的投切电路结构原理如图6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。

Q0.0~0.7控制Q0.1手动Q1.1故障

投切接触器自动控制报警

手自手动各接实时

触器自动

动动投切状态投切

图6PLC实现的投切电路结构原理图

模拟量输入接口模块：

在工业控制中，经常会遇到连续变化的物理量——模拟信号，如电流、电压、温度、压力、位移、速度等等。

如果要对这些模拟量进行采集并送给CPU模块，必须对这些模拟量进行摸/数（A/D）转换。

才能使可编程器接收这些数据。

模拟量输入模块就是用来将模拟信号转换成PLC所能接收的数字信号6模拟量输入模块的功能就是进行模拟量到数字量的转换，一般都是将模拟量输入的采样值转换成二进制数，然后再把输入通道号及其它信号一起送到系统的内部总线上。

模拟量输入模块有各种不同的类型，例如：

0～10V、-10～+10V、4～20mA等各种范围的模块。

不管何种类型，除了输入四路略有不同外，其他内部电路结构完全一样。

有的系统用外加输入量程子模块来解决，可使得同一模拟量模块适应不同的输入范围。

模拟量输入接口模块的主要技术性能有：

（1）输入通道数：

4路、8路、和6路等；

（2）输入信号：

电压输入+0～+10V，电流信号4～20mA；

（3）A/D转换位数：

8位、10位、12位或14位（均为二进制）；

（4）转换精度：

0.01%～0.5%；

（5）线性度（满量程）：

+0.05%（环境温度+25℃）；

（6）转换时间：

小于50mA。

可以看出，位数越多，其分辨率越高对于有较高分辨率要求的模拟量。

模拟量输入端的接线方式：

可以连接电压信号也可以连接电流信号，具体接线方式如图12所示。

其中，1）—用带屏蔽的双绞线；2）—入端的输入阻抗；3）—输入端连接电流信号时，将v+端和I+端短接；4）—如果外部信号源有噪声或纹波干扰，则可以在输入端连接一个滤波电容，其容量为：

0.1~0.47MF/25V。

图7模拟量输入端接线图

当输入的模拟量是电压信号时，将电压信号分别连接到“V+”和“COM”端；当输入的模拟量是电流信号时，将电流信号分别连接到“I+”和“COM”端，并且用导线将该通道的“V+”和“I+”端连接起来。

信号源与输入端之间采用带屏蔽的双绞线连接，屏蔽线连接到该通道的“SLD”。

当输入的电压信号有噪声或纹波干扰，则可以在该通道的“V+”和“COM”端并联一个的0.1~0.47MF/25V电容。

如果电磁干扰严重，则可以将各通道的“SLD”端与模块上的“GND”、“FG”端相连接，然后再与PLC的机架接地端连接在一起。

PLC的CPU与模拟量输入模块之间的数据通信方式：

部分PLC的I/O映像区中有专门的模拟量I/O映像区，允许连接的模拟量输入通道最多32个，这些模拟量输入经转换后的数字量先存放在该模块的缓冲寄存器内。

在输入采用阶段，PLC的CPU就从模拟量输入模块的数据缓冲寄存器内将这些数字依次地读入到模拟量输入映像区中（即IR0001~IR0032）。

在用户程序编制时，直接使用IR0001~IR0032作为操作数，就实现了对模拟量的处理。

也有部分PLC的I/O映像区不设专门的模拟量I/O映像区。

例如日本三菱的PLC，它没有模拟量I/O映像区，尽管该公司的模拟量输入模块也占用一定数据的开关量输入/输出点数，但这些输入/输出点数不是用于存放经转换后的数字量，而只是用于存放一些控制信息的。

这些控制信息是该模块与PLC的CPU间进行通信所必需的。

当用户程序需对模拟量输入进行处理时，由于经过转换后的数字量此时还存放在该模块的数据缓冲区中，因此，首先必须使用“FROM”指令将数据缓冲区中的数字量读入到PLC的数据缓冲区中的数字量读入到PLC的数据寄存器中，然后才能在用户程序中使用该数据寄存器作为操作数，实现对模拟量输入的处理。

PLC的CPU与模拟量输入之间用“FROM”和“TO”指令传送数据或控制字等。

3.3自动投切程序设计

进行编程时根据不同的情况所需要的不同功能，把程序分为三个部分。

3.3.1实时自动投切流程

Y

N

N

图7实时自动投切程序流程图

3.3.2手动投切自动流程

Y

N

图8手动投切程序流程图

3.3.3自动切换程序流程

图9自动切换程序流程图

3.4投切方式的选择原则

电容器组投切可采用手动方式或自动方式，具体由补偿的负载对象来决定。

对于补偿低压基本无功及常年稳定和投切次数少的高压电容器组，宜采用手动投切；为避免过补偿或轻载时电压过高，易造成设备损坏的，宜采用自动投切。

高、低压补偿效果相同时，宜采用低压自动补偿装置。

第四章系统可靠性处理措施

4.1硬件方面

PLC本身虽具有较强的干扰