基于plc的10kv动态无功补偿控制系统svg_毕业设计论文(编辑修改稿)

基于plc的10kv动态无功补偿控制系统svg_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

感 L串联的电路，设 L22 XRRcos  式中 0L LX  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 22(a)所示，该电路电流方程为 了 .. 。 由图 22(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。 第二章 电网参数测量算法与无功补偿研究 8 图 22 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 22(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 22 QPS  cosSP 因此，功率因数还可以表示成下列形式 UI3PSPcos  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。 S R C L .U .I RL. (b)向量图 (欠补偿 ) (a)电路 .U RL. .I RL. 第二章 电网参数测量算法与无功补偿研究 9 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。 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 23，假设补偿前的参数是有功电流 p1i ，无功电流 q1i ，总电流 1i ，功率因数 cos1。 将 cos =，当控制器检测到当前的功率因数值小于 ，发出指令，投入一电容器组进行补偿。 补偿后的参数为 图 23 无功功率补偿原理 有功电流 p1p2p2 iii ， ，无功电流流 cq1q2 iii  ，功率因数 cos2。 又将切除门限设为 0iq2。 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 ，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 ，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 可以很清楚地说明重载时的情况。 图 24中，负载 p1i 大于负载 p2i ，无功 q1i 也大于 q2i ，.U 1i 2i ci 0 p1i p2i q2i q1i 2 1 第二章 电网参数测量算法与无功补偿研究 10 而这时的功率因数却是相同的。 虽然 q1i 与 q2i 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 24 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 25说明了轻载时发生投切振荡的情况。 图 p1i 是轻载时的有功电流， q1i 是与之对应的无功电流，并且 q1i 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 ci 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 25 功率因数补偿的轻载振荡 .U 1i 2i ci 0 p1i p2i q1i q2i .U 1i 2i 0 p1i p2i q2i q1i  第二章 电网参数测量算法与无功补偿研究 11 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 26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 ，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 26 无功功率补偿示意图 .U 0 1i p1i 2i p2i qi 第三章 系统硬件设计 12 第 三 章 系统硬件设计 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 31所示。 主要具有以下方面的功能和问题。 图 31 电子式无功功率自动补偿控制原理图 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 f 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=180176。 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 : 电源 定时脉冲 无功值运算 无功显示相位显示 cosφ 额定调节 相位检测 电流检测 电平比较 投切控制 供电系统 电容器组 过压保护 第三章 系统硬件设计 13 F1 F2 A B C 图 32 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 33所示。 相位检测和判别的接线图如图 34 所示： 图 34 相位检测和判别的接线图 D Q CP OUT S “1” U0 U1 图 33 相位判别电路 1 amp。 amp。 1 amp。 1 amp。 U I 触发器 信 号 电压超前时 相 位 差 电流超前时 相 位 差 第三章 系统硬件设计 14 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。 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。 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。 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。 PLC选型 及模拟量扩展模块的选择设计 本设计 选用 西门子 s7200CPU226 作为控制主机，其主要技术参数和性能如下所示 : 表 31 西门子 s7200CPU226技术参数 描述 CPU 226 DC/DC/DC CPU 226 AC/DC/继电器 物理特性 尺寸 (W X H X D) 重量 功耗 196 x 80 x 62 mm 550 g 11 W 196 x 80 x 62 mm 660 g 17 W 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 ) 16384 bytes 24576 bytes 10240 bytes 100 小时 /典型值 (40176。 C时最少 70小时 ) 200天 /典型值 16384 bytes 24576 bytes 10240 bytes 100小时 /典型值 (40176。 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 24 输入 16 输出 无 24 输入 16 输出 无 第三章 系统硬件设计 15 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 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 ) 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。