動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的設(shè)計

1、學(xué)校代碼： 10128學(xué) 號： 201111202029 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（題 目：動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的設(shè)計學(xué)生姓名：宋 清 鵬學(xué) 院：電力學(xué)院系 別：電力系專 業(yè)：電氣工程及其自動化班 級：電氣11-1指導(dǎo)教師：彭 偉 講師二 一 五 年 六 月摘 要無功補(bǔ)償對提高系統(tǒng)功率因素，提高電能質(zhì)量和降低有功網(wǎng)損意義重大，具有積極的經(jīng)濟(jì)及社會效益。在對低壓網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)償時，合理的裝置的應(yīng)用，正確的補(bǔ)償方式的選擇，對系統(tǒng)無功的平衡和無功的優(yōu)化至關(guān)重要。無功補(bǔ)償設(shè)備經(jīng)歷了多個階段的發(fā)展，其中靜止無功補(bǔ)償器（SVC）在世界范圍內(nèi)的應(yīng)用都非常廣泛。本文設(shè)計采用的無功補(bǔ)償技術(shù)為晶閘管投切電容器（TSC），作為S

2、VC的典型代表之一，使用晶閘管作為投切元件，做到了無觸點(diǎn)投切。使用西門子PLC對晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷進(jìn)行控制，根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)時動態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)對電容器的快速、準(zhǔn)確投切。應(yīng)用PLC進(jìn)行程序編輯，利用傅里葉快速算法完成無功功率的計算。進(jìn)而根據(jù)計算結(jié)果，由PLC進(jìn)行選擇和判斷，發(fā)出晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷命令，實(shí)現(xiàn)對電容器的投切的控制，完成最優(yōu)的補(bǔ)償方案。設(shè)計中還完成了觸發(fā)電路、電容器接線方式等的設(shè)計，電壓互感器、電流互感器、隔離模塊等器件的選擇。關(guān)鍵詞：無功補(bǔ)償；零電壓觸發(fā)；TSC；電容器分組AbstractReactive power compensation is important to improve

3、 system power factor, improve power quality and reduce active power loss, with a positive economic and social benefits. When compensate for low voltage network, choose the right device and the correct way of compensation, it is essential to the reactive power balance and reactive power optimization

4、of system. Reactive power compensation device has experienced several stages of development, Static var compensator (SVC) is widely used in worldwide.This design use of thyristor switched capacitor (TSC), as one of the typical representative of the SVC, Use thyristor as a switching element, so that

5、the non-contact switching. Use the Siemens PLC to control thyristors on and off , According to real-time dynamic grid, ultimately switching capacitor for fast and accurate. Application of the PLC program editing, Use the Fast Fourier algorithm complete reactive power calculations. According to the r

6、esults, Selection and judgment by the PLC, Issue thyristor on and off command, Realization of switching capacitor control, Complete the optimal compensation scheme. Design also completed the design such as trigger circuit,a capacitor wiring, The select of voltage transformers, current transformers,

7、isolation modules and other devices.引 言不論從經(jīng)濟(jì)性還是安全運(yùn)行的角度考慮，無功補(bǔ)償都是十分必要的，而隨著電力系統(tǒng)中負(fù)荷的逐步增長以及無功內(nèi)涵的不斷變化，系統(tǒng)中的無功受到的影響變的更加復(fù)雜。因此，就要求無功的補(bǔ)償更加快速、準(zhǔn)確、實(shí)時。本文為滿足在變化低壓網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)囊?，進(jìn)行了無功補(bǔ)償裝置的設(shè)計，應(yīng)用的是比較成熟的晶閘管投切電容器（TSC）技術(shù)。通過PLC的使用，對晶閘管開斷的進(jìn)行自動控制，并聯(lián)電容器組便可以按照需要投入或者切除，負(fù)荷的無功總能實(shí)時、快速的得到補(bǔ)償。本文介紹的內(nèi)容主要包括：（一）對低壓無功補(bǔ)償?shù)幕驹淼倪M(jìn)行了說明，簡單闡述了其

8、作用、意義，常用方法，簡單介紹了本文采用的補(bǔ)償方式和補(bǔ)償裝置。（二）低壓無功補(bǔ)償中最大補(bǔ)償容量以及補(bǔ)償電容器容量的計算和選擇，無功缺額的算法的選擇等。（三）動態(tài)無功補(bǔ)償控制總體方案的設(shè)計，其中包括數(shù)據(jù)采樣、處理部分和控制電路的接線方式、觸發(fā)電路、零電壓檢測電路的設(shè)計；對信號隔離模塊、電壓互感器等主要器件進(jìn)行了選擇和說明；對本文設(shè)計的控制裝置的工作原理進(jìn)行了說明。（四）PLC軟件與硬件部分的介紹，實(shí)現(xiàn)無功動態(tài)補(bǔ)償?shù)能浖糠值脑O(shè)計。第一章 無功補(bǔ)償原理目前我國正大力發(fā)展實(shí)體經(jīng)濟(jì)，因此，保證企業(yè)的用電質(zhì)量，確保企業(yè)的用電供應(yīng)變的至關(guān)重要。本章主要介紹了無功的作用及意義，同時對常用補(bǔ)償方式的一些基本概

9、念、本文設(shè)計中使用的補(bǔ)償裝置的進(jìn)行了簡單的闡述。1.1 無功補(bǔ)償目的及意義隨著電力電子技術(shù)飛速發(fā)展，對提高電能質(zhì)量和無功技術(shù)、裝置與管理的優(yōu)化，提出了越來越高的要求。電網(wǎng)中的電氣設(shè)備以感性負(fù)荷為主，這些設(shè)備運(yùn)行時消耗無功功率。如果能夠在網(wǎng)絡(luò)中分散安裝補(bǔ)償設(shè)備，在對設(shè)備消耗的無功進(jìn)行補(bǔ)償，電源的無功輸出就可以相應(yīng)的減少。所以線路上無功的流動也會大幅度降低，這樣就有效的降低了輸電環(huán)節(jié)的能量損耗。如果無功補(bǔ)償裝置的位置選擇合理，對網(wǎng)絡(luò)電壓的平衡、抑制諧波、減少電壓的波動、降低損耗、提高電能質(zhì)量等方面都有重大的意義。合理的無功補(bǔ)償，其意義可總結(jié)為下面幾點(diǎn)：降低投資，采用無功補(bǔ)償，設(shè)計的發(fā)、供電設(shè)備在就

10、可以降低容量，從而提高了電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益；降低線損，由公式%=（1-/）×100% （1.1）可知，由于得到補(bǔ)償后功率因數(shù)提高，即（、分別為補(bǔ)償前后的功率因數(shù)），進(jìn)行合理無功補(bǔ)償可以降低線損；此外，有功的輸送也會因此增加。綜上所述，合理的、有計劃的無功補(bǔ)償?shù)谋匾晕阌怪靡伞?.2 無功功率介紹電網(wǎng)輸出的功率有兩部分。通過有功功率，電能可以被轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿绕渌问降哪?，這些能量可以被生活和生產(chǎn)利用，這樣就實(shí)現(xiàn)了能量的運(yùn)輸和轉(zhuǎn)換；無功功率不消耗電能，只是被用于建立交變磁場和感應(yīng)磁通，以維持設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能量的傳遞和轉(zhuǎn)換，其幅值用于表示能量交換的多少。電力網(wǎng)負(fù)荷同時消耗有功功率P和無功功率

11、Q，公式：S = (1.2)表示的是兩種功率與視在功率這三者的關(guān)系。如果電網(wǎng)中無功功率不足，設(shè)備可能會由于端電壓的下降無法正常運(yùn)行；然而，若是電網(wǎng)中無功過量，會引起有功的損耗，發(fā)、供、配電都會有不良影響。所以，無功功率補(bǔ)償要做到合理。1.3 無功補(bǔ)償?shù)姆绞綗o功補(bǔ)償就是在在同一網(wǎng)絡(luò)中的一個電路上將容性設(shè)備與呈感性的負(fù)荷并聯(lián)，讓能量在兩者間相互交換，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功率、電壓的平衡。下面簡單介紹三種常用的補(bǔ)償方法。隨機(jī)補(bǔ)償：將低壓電容器組保護(hù)裝置與待補(bǔ)償設(shè)備并聯(lián)，再控制負(fù)荷與補(bǔ)償設(shè)備同步投切；隨器補(bǔ)償：為補(bǔ)償變壓器空載無功，電容器被有保護(hù)的接到配電變壓器的低壓側(cè)；跟蹤補(bǔ)償：通過器件的控制作用，進(jìn)行無功補(bǔ)償

12、設(shè)備的投切，實(shí)現(xiàn)無功的補(bǔ)償和對無功設(shè)備的保護(hù)，跟蹤補(bǔ)償方法的低壓電容器組與母線連接，直接對大用戶的母線進(jìn)行補(bǔ)償，大用戶的母線電壓應(yīng)為0.4kv。本文設(shè)計的內(nèi)容是針對企業(yè)進(jìn)行動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的設(shè)計，隨機(jī)、隨器與跟蹤補(bǔ)償方式理論上都可以滿足補(bǔ)償要求，都可以實(shí)現(xiàn)無功的就地補(bǔ)償。1.4 補(bǔ)償方法介紹靜止無功補(bǔ)償器（SVC）技術(shù)由于受到高度重視，經(jīng)過多年的研發(fā)，技術(shù)已比較成熟，產(chǎn)品應(yīng)用也已十分廣泛。晶閘管投切電容器（TSC）技術(shù)，是SVC最為典型的代表。由于并聯(lián)電容器能夠產(chǎn)生容性無功電流，晶閘管控制并聯(lián)電容器投入運(yùn)行后，容性電流會抵消負(fù)載的產(chǎn)生的感性電流。得到補(bǔ)償后的系統(tǒng)中將基本不存在無功電流或者無功電

13、流極小，負(fù)荷的功率因數(shù)得以提高，從而達(dá)到了無功補(bǔ)償?shù)哪康?。本文設(shè)計題目為低壓動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的設(shè)計，本文的設(shè)計是基于PLC控制晶閘管的開通與斷開，實(shí)現(xiàn)對電容器投入與退出運(yùn)行的控制，最終達(dá)到無功動態(tài)補(bǔ)償?shù)哪康?。電容器在?yōu)化負(fù)荷功率因數(shù)減少電壓損耗的同時，兼有調(diào)節(jié)電壓的作用，補(bǔ)償電容器的功能可以總結(jié)為：提高功率因數(shù)；降低損耗；提高用電設(shè)備的出力；改善電壓質(zhì)量。第二章 無功計算及控制策略2.1 無功的計算2.1.1 系統(tǒng)無功分析系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)是降低線損，使得輸配電的成本更低，從而提高經(jīng)濟(jì)效益，而功率因數(shù)是衡量無功補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)指標(biāo)。理論上功率因素越高，補(bǔ)償?shù)男Ч胶?，然而在?shí)際應(yīng)用中，功率因素要

14、服從于經(jīng)濟(jì)效益，且功率因素與效益并不是完全的正比關(guān)系。本文設(shè)計中給出的技術(shù)條件、參數(shù)如下：=380V，=90A運(yùn)行參數(shù)：=65A，=0.15根據(jù)最小負(fù)荷時電容器全部退出、最大負(fù)荷時全部投入的原則，由上述參數(shù)計算可得系統(tǒng)運(yùn)行的有功及最大無功總量分別為：P=6.417kvarQ=42kvar其中Q為電容器無功補(bǔ)償?shù)目側(cè)萘?，本文設(shè)計中，補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)功率因素為0.90，由于系統(tǒng)中的有功基本不變化，可以計算得到補(bǔ)償后的無功功率應(yīng)為：=P=3.144kvar無功功率Q可通過實(shí)時采集的電壓、電流計算得到，則無功功率缺額由下式可得：=Q- （2-1）2.1.2 無功算法的選擇電網(wǎng)信號的測量與計算越精確，無功補(bǔ)償

15、就越準(zhǔn)確，因此，要力求測量和計算的電網(wǎng)的信號的準(zhǔn)確性。然而，實(shí)際情況是電網(wǎng)中的信號是處于快速變化中的，而無功補(bǔ)償設(shè)備的投切動作追求的是快速、準(zhǔn)確，這就對測量設(shè)備及計算方法在實(shí)時性方面提出了很高的要求。電網(wǎng)中整流器的使用使得諧波普遍存在，因此，系統(tǒng)中電壓、電流信號要通過計算各次諧波的疊加值來得到。在這里，可以借鑒數(shù)字信號處理的理論傅立葉變換來處理電網(wǎng)信號，并進(jìn)行諧波分析。其計算步驟為，先采用離散傅立葉變換，將采樣所得的離散信號轉(zhuǎn)換為頻域的信號，便可得到信號的基波和諧波分量，再經(jīng)過計算的到有效值。然而，當(dāng)采樣點(diǎn)（N）過多時，DFT會產(chǎn)生很大的計算量，CPU的計算負(fù)荷會非常的大，導(dǎo)致計算速度下降，從

16、而直接影響結(jié)果的實(shí)時性。因此，選擇采用快速傅立葉算法，使得運(yùn)算更加的高效，通常將該算法分為頻率抽取FFT和本文使用并介紹的時間抽取FFT兩大類。具體的實(shí)時無功計算方法如下：同時對系統(tǒng)中三相電壓、三相電流進(jìn)行采集的到實(shí)時的網(wǎng)絡(luò)信號，信號經(jīng)過信號隔離模塊等的處理后，再進(jìn)行N點(diǎn)等時間間隔采樣，便可分別得到電壓及電流的序列u()和i(n)，于是可得關(guān)于時間的復(fù)數(shù)離散序列： x(n)=u(n)+ji(n) (0nN-1) （3-1）對其進(jìn)行離散傅立葉變化（DFT）： （3-2）由式（3.1）得： （3-3）對式（3.3）DFT變化，又根據(jù)其共軛的性質(zhì)則有： （3-4）式中，（NK）是由（n）DFT變換所

17、得。設(shè)與分別為與的第k次諧波的向量表示形式，則可得電壓、電流向量與諧波間的關(guān)系： （3-5）當(dāng)不考慮直流分量時，便可導(dǎo)出該相次諧波電壓以及電流的有效值，即： （3-6） （3-7） （3-8）式中下角標(biāo)為R表示對應(yīng)復(fù)數(shù)實(shí)部，下角標(biāo)為I對應(yīng)復(fù)數(shù)的虛部。計算可得該相電壓及電流兩個信號的值： (3-9) (3-10)有功功率為： (3-11)則計算可得下面三個物理量的值： (3-12) (3-13) (3-14)2.2 電容器分組及控制策略本文設(shè)計采用的是并聯(lián)電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償，因此無法做到完全的精確補(bǔ)償，為了能夠在總補(bǔ)償量一定且使用最少電容數(shù)量的情況下，提供更多的無功補(bǔ)償組合方式，需要對并聯(lián)電容器

18、進(jìn)行分組，實(shí)現(xiàn)分級投切。電容器分組方式的不同對每組電容器的投切次數(shù)及其使用壽命有直接的影響，并直接影響電容器組的運(yùn)行時間和補(bǔ)償?shù)木扰c效率。因此，為了使電容器組的使用壽命更長，均衡每組電容器的投切次數(shù)，降低投切的頻率，選擇合理的電容器分組方式是至關(guān)重要的。分組方式是首先確定總的補(bǔ)償容量，選擇電容器中最小容量的值后，再確定電容器組的個數(shù)，其它電容器組的容量按照選擇的編碼比例，以最小電容器容量作基值逐個進(jìn)行確定，完成電容器組的分級。通常電容器分組方式根據(jù)電容相等與否分為等容、不等容兩種分組方式，等容分組方式的各組電容器容量均相等，其缺點(diǎn)正是補(bǔ)償?shù)募壊畲?，因此，若想滿足上述的要求，則需增加相應(yīng)的電容

19、器組。然而設(shè)備的增加必然會導(dǎo)致投資增大，其對空間的要求也就要求更高。而不等容分組方式顧名思義，各組電容器容量均不相同。這種分組方式以較少的分組就能達(dá)到多級補(bǔ)償?shù)哪康模已a(bǔ)償?shù)募壊羁梢宰龅胶苄?。由前文所述的計算可得，本文的設(shè)計中總的補(bǔ)償容量為42kvar，則按照不同的分組方式及對應(yīng)的補(bǔ)償級數(shù)可得下表：表2.1 分組方式及補(bǔ)償?shù)燃壏纸M方式補(bǔ)償?shù)燃?：1：11，2，31：2：41，2，3，4，5，6，71：2：21，2，3，4，51：2：31，2，3，4，5，6通過比較很容易發(fā)現(xiàn)，按照1:2:4的比例方式進(jìn)行分配，設(shè)置三組作為補(bǔ)償裝置的電容器組，每個電容器組的補(bǔ)償容量分別為6var，12var，24

20、var，按照這種方式進(jìn)行分組，無功補(bǔ)償?shù)募壊钭钚。铱蓪?shí)現(xiàn)最多的七級投切。通過比較可得這種分組方式是最優(yōu)的選擇，本文設(shè)計采用的真是這種分組方式。2.3 控制目標(biāo)的選擇與控制方式無功補(bǔ)償?shù)耐肚信袚?jù)并不是固定的，可根據(jù)實(shí)際情況，選擇最合理的判定方式，也可以根據(jù)需要選擇無功補(bǔ)償裝置的控制方式。功率因數(shù)是查看無功補(bǔ)償效果的技術(shù)指標(biāo)，因此，大體上無功補(bǔ)償總的原則應(yīng)該是不會過補(bǔ)償、沒有投切震蕩、反應(yīng)迅速的前提下，盡可能的讓功率因數(shù)更高，同時也要兼顧經(jīng)濟(jì)效益。下面是幾種常用的控制方式：（1）時間控制方式：通過檢測得到補(bǔ)償點(diǎn)上一天24小時中各時段負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)，再通過不同時間段的運(yùn)行狀態(tài)便可得到每個時間段的無

21、功功率變化情況。再根據(jù)無功的變化情況按照需要使用時間繼電器在特定的時間投切電容器，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)無功的控制以。這種相對簡單的控制方式，是常用控制方式之一。（2）功率因數(shù)控制方式：這種方式早期應(yīng)用比較多。在運(yùn)行中的電網(wǎng)得到的實(shí)時功率因數(shù)作為判據(jù)，由執(zhí)行元件完成電容器組的投切，高于上限切電容器組，低于下限投電容器組，穩(wěn)定負(fù)荷的功率因數(shù)，執(zhí)行投切的功率因數(shù)上下限可按需要設(shè)定。由于這種方式比較經(jīng)濟(jì)，在國內(nèi)外使用最為廣泛。功率因數(shù)控制方式存在電網(wǎng)輕載時可能產(chǎn)生“投切震蕩”，同時重載時由于測得的功率因數(shù)較小，甚至低于整定值的缺點(diǎn)。（3）無功功率控制：以無功功率為控制的物理量，根據(jù)實(shí)時的電壓、電流，計算出無功功

22、率，確定需要補(bǔ)償?shù)臒o功，在現(xiàn)有的電容組器投切組合中做最優(yōu)的選擇，做到既要達(dá)到補(bǔ)償?shù)男枰?，還要避免過補(bǔ)償，使補(bǔ)償做到一步到位。無功功率控制可以在解決投切振蕩問題的同時達(dá)到快速、準(zhǔn)確的補(bǔ)償效果。（4）綜合控制：雖然無功功率控制方式的效果已經(jīng)很好，但是，如果只是使用上述其中一種方式進(jìn)行控制，都必然有其缺點(diǎn)。于是便有了以無功功率和功率因數(shù)控制為基礎(chǔ)，電壓等多種因素作為輔助的綜合控制方式。本文設(shè)計中采用的是無功功率控制方式，根據(jù)電容器分組方式以及無功功率的計算可得具體的控制策略如下表所示：表2.2 無功缺額及相應(yīng)投切選擇無功缺額（kvar）投切選擇6<126kvar電容器組投入12<1812

23、kvar電容器組投入18<246kvar、12kvar電容器組投入24<3024kvar電容器組投入30<366kvar、24kvar電容器組投入36<4212kvar、24kvar電容器組投入42<三組電容器全部投入-66kvar電容器組切除-24<-12或Q-3612kvar電容器組切除-3024kvar電容器組切除其它情況無動作2.4 電容器組接線方式電容器組要根據(jù)實(shí)際需求選擇接線方式，對于三相TSC，補(bǔ)償電容器的聯(lián)結(jié)方式有：星形有中線、星形無中線和三角形角外接、三角形角內(nèi)接四種，下面分別對四種接線方式及其所對應(yīng)的的補(bǔ)償方式進(jìn)行介紹和比較。 圖2.1

24、星形有中線 圖2.2 星形無中線 星形接線（1）星形有中線電容器組接線方式。由于這種接線方式是對系統(tǒng)的三相分別進(jìn)行補(bǔ)償，因此需要對三相分別采樣并進(jìn)行計算，再按照計算所得的每相的需求分別進(jìn)行補(bǔ)償。星形接線的每一相分別使用各自的控制器，控制器相互間沒有影響。這種接線方式的優(yōu)點(diǎn)在于每一相的無功都能得到合適的補(bǔ)償，但其價格也更高。其優(yōu)點(diǎn)是晶閘管的電壓定額低，中線的存在導(dǎo)致不能抑制三倍諧波。該接線方式適用于系統(tǒng)電壓畸變概率小的負(fù)荷三相不平衡的電網(wǎng)中，該接線方式通常需要在中線上加裝限流電抗器以限制涌流和抑制諧波。（2）星形無中線。相當(dāng)于上述接法中的中線，因此也能抑制三倍諧波，不會污染系統(tǒng)。但去掉中線導(dǎo)致其

25、不能完成分相投切，至少要有兩相電容運(yùn)行才能進(jìn)行補(bǔ)償。因此，該接線方式適用于三相平衡的電網(wǎng)。2.4.2 三角形接線由于其低廉的價格，相對簡單的結(jié)構(gòu)，以往的無功補(bǔ)償通常選擇這種三角形接線方式。三角形接線通過對線電壓及某一相電流的采樣并計算，得到實(shí)時的運(yùn)行情況，根據(jù)計算結(jié)果確定無功的補(bǔ)償量，即電容器的投入量。圖2.3 角外接 圖2.4 角內(nèi)接（1）角外接。三角形角外接接法的電容器按三角形接法，晶閘管閥安裝在三角形的外部，如圖2.3所示。通過星形三角形變換的原理可得，如果該組的補(bǔ)償容量確定，這種接法與星形無中線接法表現(xiàn)出來相同的外電路特性。角外接單發(fā)比角內(nèi)接方法占用空間更小，缺點(diǎn)是更難控制，投切的過程

26、中，有過長的時間處于暫態(tài)，其不適用于三相不平衡負(fù)載網(wǎng)絡(luò)。（2）角內(nèi)接。角內(nèi)接接法如圖2.4所示，其不同之處在于晶閘管閥的安裝位置，電容器與晶閘管的串聯(lián)組成的三角形形成電容器組。該接法與另外三種接法相比，晶閘管的不能承受過大電流，但是額定電壓較大，且對系統(tǒng)沒有污染。工程中，三角形角外接接法的應(yīng)用更為廣泛，本文設(shè)計采用三角形角外接的接線方式，對三相進(jìn)行共同補(bǔ)償，由上述可知，該接法同樣能夠抑制三倍諧波。 由于負(fù)荷的復(fù)雜性，三角形接線輔以星形帶接線的接線方式得到了發(fā)展和應(yīng)用。第三章 控制系統(tǒng)設(shè)計及器件選擇本文進(jìn)行的是控制晶閘管投切電容器為企業(yè)進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)难b置的設(shè)計，本章主要介紹的是主控部分的設(shè)計、控

27、制部分的電路的設(shè)計以及主要器件的選擇。3.1 主控電路的設(shè)計主控電路主要由電壓互感器、電流互感器、低通濾波器、信號隔離模塊、PLC中央中央處理單元、觸發(fā)電路等組成，其一次電氣接線方式如圖4.1所示：圖3-1 主控電路通過接線圖不難理解主控電路的工作過程，控制電路先將電壓互感器、電流互感器采集的信號經(jīng)過處理后，再由PLC按照相同的時間間隔進(jìn)行多次采樣，通過程序設(shè)計的已經(jīng)設(shè)定好的算法計算出線路上實(shí)時的無功功率缺額。接下來根據(jù)既定的投切策略，在判斷出需要被投切的電容器組的情況下發(fā)出投入和切除的命令，投切的信號再與電壓過零觸發(fā)電路的配合下控制晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)對電容器的投切控制。3.2 觸發(fā)

28、電路設(shè)計晶閘管投切電容器控制系統(tǒng)通過檢測、控制和觸發(fā)三個環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)最終投切的準(zhǔn)確控制，作用分別為采集并計算變量，本文設(shè)計中變量主要指無功功率；再按照軟件設(shè)定好的控制策略發(fā)出控制晶閘管導(dǎo)通與斷開的指令，進(jìn)而控制電容器的投切，實(shí)現(xiàn)無功的實(shí)時準(zhǔn)確補(bǔ)償。3.2.1 晶閘管電壓過零觸發(fā)電路晶閘管電壓過零觸發(fā)電路的作用是在適當(dāng)?shù)臅r間輸出門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管適時地導(dǎo)通，如圖4.2為晶閘管電壓過零觸發(fā)電路示意圖：圖3-2 晶閘管電壓過零觸發(fā)電路其基本的工作原理是，先將晶閘管無觸點(diǎn)開關(guān)兩端的電壓通過電阻的降壓作用出送給光電耦合器，如果此時刻系統(tǒng)電壓的值剛好與電容器的殘壓相等，相當(dāng)于晶閘管兩端的沒有壓差，光電耦

29、合器就會選擇在此時刻發(fā)出一個負(fù)脈沖。若此時PLC也發(fā)出了電容器投切的指令，則負(fù)脈沖反相后與投切命令經(jīng)過一個與門觸發(fā)電路，發(fā)出觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通的脈沖。此脈沖會經(jīng)過脈沖放大等環(huán)節(jié)的處理后產(chǎn)生連續(xù)的脈沖，晶閘管會由脈沖觸發(fā)并保持平穩(wěn)的導(dǎo)通狀態(tài)。而晶閘管的斷開是在電流過零時，控制電路的投入指令收回時發(fā)生的，直到收到再次有投入指令一直保持關(guān)斷狀態(tài)。3.2.2 光電耦合器光電耦合器內(nèi)部電路和基本接線圖如圖3.3所示，其良好的性能，縮短了開關(guān)時間、減小了對開關(guān)的損耗，同時對提高了裝置的可靠性及安全性。驅(qū)動電路的基本工作任務(wù)是按照被控制目標(biāo)的要求，將電子電路傳入的信號轉(zhuǎn)換為控制其開通和斷開的信號，同時還起到將控

30、制電路與主電路進(jìn)行電氣隔離的作用。圖3.3 光電耦合器 過零檢測電路TSC投入電容器組時，要求電源電壓與電容器殘壓的幅值與相角相等，避免出現(xiàn)涌流，沖擊晶閘管，導(dǎo)致其損耗。然而實(shí)際操作中電容器的殘壓時很難測量的，所以需要采用過零檢測電路解決電容器殘壓不易測量的問題，如圖3.4所示。過零檢測電路通過對兩側(cè)電壓的檢測比較，能夠保證晶閘管開通前其兩端的電壓沒有差值，從而可以在很大程度上避免或者減少了開關(guān)開通時可能產(chǎn)生的噪聲和出現(xiàn)的損耗。圖3.4 過零檢測電路3.2.4 脈沖隔離放大環(huán)節(jié)脈沖隔離放大環(huán)節(jié)即晶閘管觸發(fā)電路，其作用是根據(jù)接收的到信號發(fā)出連續(xù)的脈沖，在有投切命令的時刻，確保晶閘管能夠準(zhǔn)確開通。

31、常見的晶閘管觸發(fā)電路有脈沖放大環(huán)節(jié)、脈沖變壓器以及由附屬電路構(gòu)成的脈沖輸出環(huán)節(jié)構(gòu)成。其工作原理是：當(dāng)其收到導(dǎo)通的信號，將通過脈沖變壓器將信號轉(zhuǎn)換為符合需要的連續(xù)脈沖，再將該脈沖輸出到晶閘管的門極和陰極之間，觸發(fā)晶閘管開通。圖3.5 脈沖隔離放大環(huán)節(jié)3.3 器件的選擇3.3.1 電壓和電流互感器選擇電壓互感器及電流互感器的作用是將電網(wǎng)系統(tǒng)中的一次側(cè)電壓、電流信號實(shí)時的進(jìn)行采集，并將采集數(shù)據(jù)傳送到信號處理環(huán)節(jié)進(jìn)行處理、計算，最終得到實(shí)時的無功數(shù)據(jù)。本文設(shè)計中，系統(tǒng)的額定電壓為380V，信號采集電路能夠處理的電壓范圍是05V；系統(tǒng)中額定電流為90A，信號采集電路及PLC單元能夠處理的020mA的電流

32、。根據(jù)要求的條件選擇的電壓互感器及電流互感器型號分別為JSGW-0.5型和LM-0.5型。3.3.2 信號隔離模塊的選擇信號隔離模塊四連接工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備和控制室設(shè)備并起到信號隔離、信號轉(zhuǎn)換、信號分配等作用的電子接口模塊。本文的設(shè)計中，電壓互感器、電流互感器采集的信號并不是穩(wěn)定的，為消除信號在傳輸中可能遇到的各種干擾，確保信號的穩(wěn)定性，選擇并使用了KLM系列的兩種隔離模塊。該系列模塊采用最新隔離技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)低功耗下高精度、高穩(wěn)定性、高隔離度的信號隔離。模塊從結(jié)構(gòu)設(shè)計更加科學(xué)、實(shí)際重量更加輕便。其型號及相關(guān)的技術(shù)參數(shù)如下表所示：表3.1 信號隔離模塊型號及參數(shù)型 號 輸入信號輸出信號KLM-352

33、205V 05V KLM-3511420mA420mA3.3.3 投切執(zhí)行單元的設(shè)計理論上，PLC控制電容器投切，接觸器與晶閘管都可以被選擇為執(zhí)行元件。接觸器在投切的過程中，要求電容器上沒有電壓，然而事實(shí)是在接觸器閉合的時刻，更多的情況下電網(wǎng)的電壓不但不是零、有時還可能剛好處于某個峰值，因而產(chǎn)生非常大的電流，即合閘涌流。合閘涌流危害非常大，其最大值可以達(dá)到電容器額定電流的幾十倍。沖擊電網(wǎng)的同時對電容器和接觸器的使用壽命以及其它設(shè)備的正常工作都將產(chǎn)生直接的影響。即便是加入限流電阻來控制合閘涌流，雖然涌流可以通過使用電容投切專用接觸器的使用以控制其不超過額定電流的20倍，但是從設(shè)備需要的是長期安全

34、運(yùn)行的角度出發(fā)，其出現(xiàn)故障的概率依然很大，而且還需要相對很高的正常維護(hù)費(fèi)用。電子開關(guān)的反應(yīng)速度相對更快，以晶閘管作為投切的執(zhí)行元件，采用過零觸發(fā)電路，在檢測到施加在投切單元元件兩端的電壓為零（電容器的電壓與電網(wǎng)電壓相等）時執(zhí)行投切，就避免了合閘時可能出現(xiàn)的涌流，機(jī)械開關(guān)合閘涌流的問題就得到了有效的解決。因此，選擇晶閘管作為投切執(zhí)行元件與機(jī)械開關(guān)（接觸器）相比性能更加優(yōu)越。在使用晶閘管作為投切元件時，可以選擇晶閘管與晶閘管反并聯(lián)或者晶閘管和二極管反并聯(lián)的方式作為TSC投切單元,其基本單元簡圖如下：圖3.6 投切單元簡圖由于二極管的特性，后者在電容器被切除時，會一直保持與電源電壓最大值相等的狀態(tài)，

35、這種方式由于減少了晶閘管的個數(shù)，成本稍低。但由于二極管元件的特性（不可控），這種電路會導(dǎo)致投切速度的降低，投切完成的時間最多可能會滯后投切命令一個周波。選擇可控硅主要考慮額定電流（A）和額定電壓（V）兩項(xiàng)參數(shù)。本文設(shè)計的要求，晶閘管兩項(xiàng)數(shù)據(jù)分別應(yīng)該大于400、90，因此，本文選擇的晶閘管型號為1800V/160A。3.3.6 電容器和電抗器選擇（1）電容器。在低壓網(wǎng)絡(luò)中，在充分考慮經(jīng)濟(jì)與投切方便，最大程度的提高電容器利用率的前提下，更要確保電容器的安全，提高壽命，電容器的額定電壓應(yīng)不低于系統(tǒng)的額定電壓的1.05倍。本文設(shè)計中設(shè)定的正常運(yùn)行時電壓為0.38kV，但是實(shí)際應(yīng)用中必須考慮電容器接入電

36、網(wǎng)處實(shí)際的運(yùn)行電壓，還要考慮串聯(lián)電抗器所產(chǎn)生的影響，對電容器進(jìn)行選擇時，額定容量應(yīng)考慮至少為0.43kv。電容器組的總?cè)萘繛椋篊=m （3-1）式中：C電容器組總?cè)萘浚?每臺電容器容量； n每組電容器個數(shù)；電容器對負(fù)荷發(fā)出的無功可通過計算得到：= （3-2）式中：電容器發(fā)出的無功功率，kvar； U母線電壓； 電力電容器的容抗；本文設(shè)計可以選用金立電氣公司生產(chǎn)的BSMJ、BCMJ、BZMJ、ASMJ0.45X3系列自愈式低電壓并聯(lián)電容器（其它公司的類似產(chǎn)品符合要求均可，擇優(yōu)使用）。其中X為電容器容量，本文使用的電容器容量，根據(jù)前文的計算，應(yīng)分別為6 kvar、12 kvar、24kvar。（2

37、）電抗器。為了避免并聯(lián)電容器線路中電流過大，需要使用串聯(lián)電抗器。電容器串聯(lián)電抗器后，電抗器阻抗與電容器容抗全協(xié)調(diào)，對某次諧波的交流濾波器濾除高次諧波，形成低通濾波。從而降低了對應(yīng)諧波的電壓，消除了線路上高次諧波電流，同時降低電容器涌流倍數(shù)和涌流頻率。設(shè)置串聯(lián)電抗器，如果發(fā)生短路故障的情況下，可減少并聯(lián)電容器與系統(tǒng)間的短路電流；如果出現(xiàn)某組電容器發(fā)生故障的情況，電抗器的存在可減少正常電容器組向故障電容器組的放電電流，從而達(dá)到了保護(hù)電容器的目的；并聯(lián)電容器組在執(zhí)行投切時可能會出現(xiàn)過電壓，電抗器的存在還可有效減小過電壓的幅值，起到電網(wǎng)過電壓保護(hù)的作用。通常情況下電抗器的的電感很小，簡化圖中并會將其不

38、畫出。其感抗值可通過計算得到：=K （3-3）式中：電容器工頻電抗； n最低諧波次數(shù)；K可靠系數(shù)，1.21.5；第四章 PLC硬件選擇和軟件編程4.1 PLC硬件選擇本文設(shè)計中的中央處理單元使用的是西門子S7-200系列的PLC系統(tǒng)，該系統(tǒng)以CPU單元作為核心，由個人計算機(jī)主機(jī)、編程器、和通訊電纜等組成；其核心單元中包括中央處理器、數(shù)字量輸入和輸出端子（I/O端子）等。4.1.1 中央處理器（CPU）CPU雖然有多種類型，但其計算能力是相同的。本設(shè)計中選擇S7-200CPU，其基本的規(guī)格參數(shù)如下表所示：表4.1 CPU224性能規(guī)格型號CPU224電源直流24V交流110V/230V本機(jī)I/O

39、數(shù)字量14入10出I/O映像區(qū)數(shù)字量2入1出模擬量128入128出數(shù)據(jù)存儲區(qū)8192最大擴(kuò)展模塊數(shù)量74.1.2 輸入輸出模塊由于本設(shè)計需要采集電壓電流信號，通過對輸入元器件與系統(tǒng)信號的耦合、信號傳輸?shù)姆直媛?、傳輸時間和精確度等參數(shù)的考慮，選擇使用EM235模擬量擴(kuò)展模塊，其主要參數(shù)性能指標(biāo)如下表所示：表4.2 EM235主要參數(shù)性能指標(biāo)電源要求+5V DC30mA+24V DC30mA分辨率12位AD(DA)轉(zhuǎn)換器（電壓）輸入電流范圍020mA最大輸入電壓30V DC模擬量輸入響應(yīng)1.5ms90%電壓信號輸出±10V電流信號輸出020mA4.2 PLC程序設(shè)計 程序梯形圖及流程圖本

40、文設(shè)計梯形圖中包含了兩個子程序，主程序見附表，進(jìn)行信號的采集，投切條件的判斷。兩個子程序分別為初始化子程序見附表，進(jìn)行程序的初始化 ；無功功率缺額計算子程序，進(jìn)行無功的計算，最后將計算得到的無功功率缺額返回到主程序中。主流程圖直觀的顯示了程序的判定原則，投切方式，通過主流程圖對程序的解讀更加方便。主流程圖見附圖 控制電氣原理圖圖4.3 控制電氣原理圖 控制接線圖圖4.2 控制接線圖表4.3 端子分配表輸入信號輸出信號名稱元件號地址號名稱元件號地址號手自切換開關(guān)SA1I0.0第一組投切Q0.0電壓采集AIW0第一組指示燈Q0.1電流采集AIW2第二組投切Q0.2第二組指示燈Q0.3第三組投切Q0

41、.4第三組指示燈Q0.5結(jié) 論對企業(yè)的無功補(bǔ)償承擔(dān)著提高其功率因數(shù)，改善供電環(huán)境等任務(wù)。其在負(fù)荷系統(tǒng)的正常中運(yùn)行中扮演的角色至關(guān)重要，因此補(bǔ)償?shù)姆绞降倪x擇，補(bǔ)償裝置的應(yīng)用需要更加科學(xué)，考慮更加的全面。本文進(jìn)行的是低壓動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的設(shè)計，利用PLC自動控制系統(tǒng)，控制晶閘管投切電容器，達(dá)到對企業(yè)進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)哪康?。通過對PLC的使用，實(shí)現(xiàn)對負(fù)載無功的動態(tài)補(bǔ)償，提高了投切速度，補(bǔ)償更加準(zhǔn)確；同時晶閘管可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)無觸點(diǎn)控制，不會出現(xiàn)頻繁的機(jī)械開斷的情況，所以，這種開關(guān)的使用壽命非常長；通過零檢測電路的使用，保證晶閘管總能在過零時刻導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)了對最難把握的通段時刻的控制；在PLC的自動控制下電容器

42、的投切更加快速，并且做到了無沖擊投切，由于投切過程中無沖擊電流從而解決了投切操作時的困難。理論和實(shí)踐表明，靜止無功補(bǔ)償器性能優(yōu)越，盡管系統(tǒng)負(fù)荷的組成復(fù)雜，系統(tǒng)環(huán)境處于不斷變化中，該裝置依然能夠比較穩(wěn)定的保持負(fù)荷的功率因數(shù)，同時基于其快速的響應(yīng)速度，同時起到保持端電壓恒定的作用。參考文獻(xiàn)1 高正中S7-200CNPLC編程技術(shù)及工程應(yīng)用M北京電子工業(yè)出版社2010：1，284 2 王兆安，劉進(jìn)軍電力電子技術(shù)M北京機(jī)械工業(yè)出版社2013：187,196-1983 姜寧，趙劍鋒，王春寧，徐春社電壓無功控制及優(yōu)化技術(shù)M北京中國電力出版社2011：1-39,90-97,165-1724 鄭帆低壓動態(tài)無功

43、補(bǔ)償裝置研究與設(shè)計D（山東科技大學(xué)）學(xué)位論文20125 高連強(qiáng)低壓動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的研究D（河北工業(yè)大學(xué)）學(xué)位論文20076 呂曉杰智能低壓動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的研究D（西安科技大學(xué)）學(xué)位論文20087 湯鈺鵬基于PLC的TSC型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的研究D（北京交通大學(xué)）學(xué)位論文20128 李文路低壓動態(tài)無功補(bǔ)償方案設(shè)計及應(yīng)用J電氣時代2012，10：60,61,669 F.R. Quintela,J.M.G.Arévalo, R.C. Redondo, N.R. MelchorFour-wire three-phase load balancing with Static VAr CompensatorsJInternational Journal of Electrical Power and Energy Systems,2011, Vol.33 (3), pp.562-56810 F.R