基于PLC的10KV动态无功补偿控制系统(SVG)

天津城市建设学院 本科毕业论文

基于PLC的10KV动态无功补偿控制系统(SVG)

Based on PLC 10 KV dynamic reactive compensation

control system(SVG)

学生姓名： 学生学号： 08750411

专业名称： 电气工程及其自动化 指导教师：

控制与机械工程学院 20 年 月 日

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签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日

摘 要

近年来，随着电力电子技术的快速发展，非线性负载的冲击性和不平衡性使电网的无功损耗增加，而电网中无功功率的传输会造成无功损耗以及用电端电压下降，大量的无功功率在电网中的传输使电能利用率大大降低且严重影响供电质量。因此在电网中装设无功补偿装置成为满足电网无功需求的必要手段。

本文介绍的无功补偿装置整个系统利用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。

关键词：无功补偿；PLC；SVG；电容；

ABSTRACT

In recent years, along with the power electronic technology development, the nonlinear load balance and the impact that the reactive power loss increases, and the power of reactive power transmission will lead to network loss and step-down voltage, large Numbers of reactive power in the transmission grid to greatly reduce the energy utilization rate and the serious influence the quality of power supply. So in the power of reactive power compensation devices become meet the demand of the reactive power necessary means.

This paper introduces the whole system of reactive power compensation equipment use PLC technology, IGBT inverter technology, chain technology to complete. Power units used by the chain structure, multiple two level H bridge circuit series up, in order to achieve the purpose of voltage stack. In the 10 KV system application, each phase two level inverter connect to several modules. SVG by connection reactor, inverter components, each phase by IGBT module circuit converter cascade, after connection reactor connected directly 10 KV power grid. SVG first by charging resistance on dc side capacitance charges to a preset value after charging contactor closed with the short by charging resistance, charging process over, compensation device connection with power grid began to work; When a grid, will be fixed capacitors investment, according to the main controller busbar voltage, current signal to the compensation calculated.

Key words：reactive compensation；PLC；SVG；capacitance

目 录

第 一 章 绪论 ............................................................ 1

1.1 课题研究的背景 ................................................... 1 1.2 无功补偿研究及发展趋势 ........................................... 1 1.3 本文主要研究内容 ................................................. 3 1.4 用PLC实现的投切电路结构及原理 ................................... 4 第 二 章 电网参数测量算法与无功补偿研究 .................................. 5

2.1 概述 ............................................................. 5 2.2 电网参数测量算法研究 ............................................. 5 2.3 无功补偿原理 ..................................................... 6 2.4 无功补偿控制量的选择 ............................................. 9 第 三 章 系统硬件设计 ................................................... 12

3.1 电子式无功功率自动补偿控制器 .................................... 12

3.1.1 检测功率因素值的检测单元 ................................... 12 3.1.2 无功功率单元与电平比较单元 ................................. 14 3.1.3 投切控制部分 ............................................... 14 3.1.4 过压保护部分 ............................................... 14 3.1.5 存在的主要问题 ............................................. 14 3.2 PLC选型及模拟量扩展模块的选择设计 ................................ 14 3.3自动投切程序设计 .................................................. 19

3.3.1 实时自动投切流程 ........................................... 19 3.3.2 手动投切自动流程 ........................................... 19 3.3.3 自动切换程序流程 ........................................... 20 3.4 投切方式的选择原则 ............................................... 21 第 四 章 系统软件设计 ................................................... 22

4.1 系统软件综述 .................................................... 22 4.2 信号采集模块 .................................................... 24 4.3 显示处理模块 .................................................... 24 4.4 保护模块 ........................................................ 26 第 五 章 实验与总结 ..................................................... 27

5.1 实验原理 ........................................................ 27 5.2 主要功能 ........................................................ 27 5.3 应用领域 ........................................................ 28 5.4 SVG技术优势 ..................................................... 30

5.6 总结与展望 ...................................................... 31 致 谢 ................................................................. 33 参考文献 ................................................................. 34

第一章 绪论

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【15】。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

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第一章 绪论

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(Saturated Reacotor-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(Thyristor Control Reaetor一TCR)，晶闸管投切电容器(Thyristor Switch Capacitor一TSC)以及这两者的混合装置(TCR+TSC)，TCR与固定电容器(Fixed Cpaacotir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(Mechanically Switch Capacitor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(Static Condenser一STATCON)，静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator一STATCOM)、新型静止无功发生器

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第一章 绪论

(Advanced Static Var Generator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。

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第一章 绪论

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。

负载es电压电流检测电路?15V控制?5V电?3.3V源功率单元ADC模块PLC S7-200仿真接口PC机JATGPWM产生器图1-1 PLC实现的投切电路原理图

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