1、天津城市建设学院 日立 本科毕业设计说明书 日立 日立 日立 基于 PLC的低压动态无功补偿控制系统 (SVG) 东芝 日立 日立 日立 Control 东芝 System 东芝 of 东芝 Low-voltage 东芝 Dynamic 东芝 Reactive 东芝Power 东芝 Compensation 东芝 Based 东芝 on 东芝 PLC日立 日立 日立 学生姓名： 苗延生 学生学号： 10761114 专业名称： 电气工程及其自动化 指导教师： 顾 贵 芬（ 讲师 ） 日立 日立 日立 日立 控制与机械工程学院 日立 2012 东芝 东芝年 东芝 6 东芝月 东芝 8 东芝日独创
2、性声明 日立 日立 本人声明所呈交的毕业 设计 是本人在指导教师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以引用标注之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，没有伪造数据的行为。 日立 日立 日立 毕业论文作者签名： 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 签字日期： 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 年 东芝 东芝 东芝 东芝 月 东芝 东芝 东芝 东芝 日 日立 日立 日立 日立 日立 毕业 设计版权使用授权书 日立 日立 日立 本毕业设计作者完全了解学校有关保留、使用论文的规定。同意学校保留并向有关管理部门或机构送
3、交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权天津城市建设学院可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本论文。 日立 （保密的毕业设计在解密后适用本授权说明） 日立 日立 日立 日立 毕业 设计 作者签名： 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 指导教师签名： 日立 东芝 东芝 东芝 日立 签字日期： 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 年 东芝 东芝 东芝 东芝 月 东芝 东芝 东芝 东芝 日 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 东
4、芝 东芝 东芝 东芝 签字日期： 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 东芝 年 东芝 东芝 东芝 东芝 日 日立 日立 日立 日立 日立 摘 东芝 东芝要 日立 近年来，随着电力电子技术的发展，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网络损耗以及受电端电压下降，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。 日立 本文采用 目前 最先进的无功补偿技术， 静止无功发生器（ SVG） ,对 0.4KV 低压侧电网进行 动态 无功补偿。 本文 首先 介绍 了国内外当前的无功补偿技术，对
5、无功补偿的原理进行了深入的分析。在此基础上，设计出了 基于 PLC 的低压动态无功补偿控制系统 (SVG) 东芝 。在硬件方面，本文采用 功率单元 投切控制，与常见的 直接交流电容 控制方案相比较，投切的更准确，避免出现失误。 在软件上，利用 PLC编程控制， 抗干扰能力更强，速度更快 。遵循 模块化设计的原则，提高了系统的通用性并易于以后的维护与升级。 日立 关键词： 无功补偿； PLC； SVG； 功率单元 日立 日立 ABSTRACT 日立 日立 In 东芝 recent 东芝 years， 东芝 along 东芝 with 东芝 the 东芝 power 东芝 electronic 东
6、芝 technology 东芝 development， 东芝 the 东芝 nonlinear 东芝 load 东芝 balance 东芝 and 东芝 the 东芝 impact 东芝 that 东芝 the 东芝 reactive 东芝 power 东芝 loss 东芝 increases， 东芝and 东芝 the 东芝 power 东芝 of 东芝 reactive 东芝 power 东芝 transmission 东芝 will 东芝 lead 东芝 to 东芝 network 东芝 loss 东芝 and 东芝step-down 东芝 voltage， 东芝 large 东芝 N
7、umbers 东芝 of 东芝 reactive 东芝 power 东芝 in 东芝 the 东芝 transmission 东芝 grid 东芝to 东芝 greatly 东芝 reduce 东芝 the 东芝 energy 东芝 utilization 东芝 rate 东芝 and 东芝 the 东芝 serious 东芝 influence 东芝 the 东芝quality 东芝 of 东芝 power 东芝 supply. 东芝 So 东芝 in 东芝 the 东芝 power 东芝 of 东芝 reactive 东芝 power 东芝 compensation 东芝devices 东
8、芝 become 东芝 meet 东芝 the 东芝 demand 东芝 of 东芝 the 东芝 reactive 东芝 power 东芝 necessary 东芝 means.日立 Static 东芝 var 东芝 Generator, 东芝 the 东芝 most 东芝 advanced 东芝 dynamic 东芝 reactive 东芝 power 东芝 compensation 东芝haven 东芝 been 东芝 used 东芝 for 东芝 the 东芝 compensation 东芝 on 东芝 the 东芝 0.4KV 东芝 low 东芝 pressure 东芝 side 东
9、芝 of 东芝 the 东芝grid. 东芝 in 东芝 this 东芝 paper. 东芝 This 东芝 article 东芝 first 东芝 introduces 东芝 the 东芝 current 东芝 reactive 东芝 power 东芝compensation 东芝 of 东芝 domestic 东芝 and 东芝 international, 东芝 and 东芝 does 东芝 a 东芝 in-depth 东芝 analysis 东芝 of 东芝 the 东芝 reactive 东芝 power 东芝 compensation 东芝 principle. 东芝 On 东芝
10、this 东芝 basis, 东芝 a 东芝 method 东芝 have 东芝 been 东芝designed 东芝 used 东 芝 to 东芝 control 东芝 the 东芝 reactive 东芝 power 东芝 compensation. 东芝 In 东芝 terms 东芝 of 东芝hardware, 东芝 reactive 东芝 power 东芝 switching 东芝 control 东芝 been 东芝 adopted 东芝 in 东芝 this 东芝 paper. 东芝Compared 东芝 to 东芝 power 东芝 factor 东芝 control 东芝 s
11、cheme, 东芝 switching 东芝 control 东芝 will 东芝 be 东芝 more 东芝accurately, 东芝 and 东芝 can 东芝 to 东芝 avoid 东芝 mistakes. 东芝 The 东芝 software 东芝 design 东芝 adopts 东芝 the 东芝 PLC 东芝software 东芝 programming 东芝 to 东芝 control. 东芝 It 东芝 is 东芝 more 东芝 accurate 东芝 and 东芝 higher 东芝 accuracy 东芝 than 东芝 the 东芝 normal 东芝 singl
12、e-chip 东芝 control. 东芝 We 东芝 use 东芝 the 东芝 method 东芝 of 东芝 modularization 东芝 which 东芝can 东芝 improve 东芝 the 东芝 universal 东芝 trait 东芝 of 东芝 the 东芝 program 东芝 and 东芝 simplify 东芝 the 东芝 devices 东芝maintenance.日立 Key 东芝 words： reactive 东芝 compensation； PLC； SVG； capacitance 日立 日立 日立 日立 日立 日立 日立 日立 日立 日立 日立
13、 1 目 东芝 东芝 录 日立 第 1 章 东芝 东芝 概述 1 日立 1.1 课题研究的背景 1 日立 1.2 无功补偿研究及发展趋势 1 日立 1.3 本文的研究目的与意义 5 日立 1.4 开发设计方案 5 日立 1.5 本文的主要工作 6 日立 第 2 章 东芝 东芝 无功补偿的原理 8 日立 2.1 无功补偿的概念 8 日立 2.2 无功的分类 8 日立 2.3 功率因数 9 日立 2.4 无功补偿 10 日立 2.5 无功补偿的作用 10 日立 2.6 无功补偿的原理 11 日立 2.7 电能的损耗 12 日立 2.8 无功补偿的方式 13 日立 2.9 东芝电网参数测量算法研究
14、14 日立 第 3 章 东芝 东芝 硬件设计 17 日立 3.1 硬件概述 17 日立 3.2 东芝 PLC 和其扩展模块的选择 17 日立 3.2.1 东芝 PLC 软件介绍 17 日立 3.2.2 东芝 模拟量扩展模块 EM235 的技术数据 19 日立 3.3 检测电路设计 23 日立 3.3.1 概述 23 日立 3.3.2 相位的检测 24 日立 3.3.3 电压模拟量的检测 28 日立 3.3.4 电流模拟量的检测 29 日立 3.4 东芝 PLC 控制电路设计 30 日立 3.4.1 东芝 PLC 的输入输出端口分配 30 日立 3.4.2 东芝 PLC 的的接线电路设计 31
15、日立 3.4.3 东芝 主电路设计 33 日立 第 4 章 东芝 东芝 软件设计 35 日立 4.1 东芝编程软件的介绍 35 日立 4.2 东芝程序设计 35 日立 4.2.1 东芝 主程序 35 日立 4.2.2 东芝 数据采集子程序 35 日立 4.2.3 东芝 程序显示 36 日立 4.2.4 东芝 系统软件处理总的框图 37 日立 4.2.5 东芝 程序 37 日立 第 5 章 东芝 东芝 实验与总结 39 日立 5.1 实验平台 39 日立 5.2 试验过程 39 日立 5.3 总结与展望 39 日立 2 致 东芝 东芝 东芝 东芝 谢 41 日立 参考文献 43 日立 日立 日立
16、 日立 日立 第 1 章 概述 1 日立 第 1章 东芝 东芝概述 日立 1.1课题研究的背景 日立 近年来，随着社会经济的快速发展，现代电力工业取得了的发展，与此同时，电力电网中的无功功率越来越成为了人们不可忽视的问题。这是由于随着电力电子技术的飞速发展，电网中使用的感性负载也愈来愈多，如感应式电动机、变压器等。这 些 消耗电能的设备在 运行的时候 不但要消耗有功功率， 而且还 需要电网 给他们 提供无功功率， 从而 造成电网的功率因数偏低，从而造成： 日立 1 增加发电机损 耗； 日立 2 影响电网系统电压，使电网电压下降； 日立 3 影响电网的无功潮流分布； 日立 4 无功功率增大导致电
17、力增大，增加电力传输过程中的功率损耗； 日立 5 使配电、输电和发电设施不能充分发挥作用，降低发电、输电的能力，使电网的供电质量 变坏 ，严重时可能会使系统电压崩溃，造成大面积的停电。 日立 6 电网中的电流与电压的相位不同相，产生较为严重的谐波分量，导致供电网络电压不稳定和谐波干扰增大 日立 据有关报道，我国电网中平均每年由于无功功率过大造成的线损高达 14%，折算成线损电量约为 1300 亿千瓦时 。 假设全国电力 网总的负载功率因数是 0.85，采用无功补偿装置将功率因数提高到 0.96，那么每年可以减少电量损失为 240 亿千瓦时。所以在电网中对电力系统进行无功补偿，这对节约资源和电力
18、系统的安全可靠的运行有着非常重大的意义。 日立 在此情况下，开发一种低压无功功率自动补偿控制器提供必要的无功功率，以提高系统的功率 因数 ，降低 能量损 耗， 提高 电网 中 电压 运行 质量， 投切电网中 无功补偿 装置 ， 对提高供电质量，改善 电网电压，保证电网安全运行都有着十分重要的 意义 。 日立 无功补偿的作用主要有以下几点 :日立 1 提高供用电系统的功率因数，降低 电网 中的 设备容量，减少 无功 功率损耗。 日立 2 稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的地点设置动态补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。 日立 3 在电气化铁道中等三相负载不
19、平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功及无功负载。 日立 1.2无功补偿研究及发展趋势 日立 早期的无功补偿装置为 并联电容器 和 同步调相机 。同步调相机 是 专门用来产生无功功率的同步电 动 机， 能够依据电网 需要 调节 同步电机的励磁， 让他运转在 过励磁或欠励磁的状态下，从而发出大小不同的容性或感性无功功率， 故而 同步调相机 能够 对系统进行动第 1 章 概述 2 态补 无功 偿。但是它属于旋转设备， 在运转过程中 的 噪声 和 损耗 都 非常 大，运行维护 困难 ， 响应速度不快 ，且 成本高 ， 不能 满足快速动态 无功 补偿的要求。并联电容器 虽然 简单经济，方便，
20、 可是它的 阻抗固定， 难以 跟踪负荷无功需求的变化 ，也就 不能实现对无功功率的动态补偿。 日立 随着电力电子技术的 飞速 发展， 这些年产生 了多种电力系统无功补偿新技术。电力电子器件向 速度快 、 体积小 、功率 大进展 ，使 得 采用电力电子器件的无功补偿 技术 改变了电网 中以前大部分 只依靠机械型、慢速、间断及不精确的控制的 局势 ， 所以能够 为交流输电网提供 连续 、 高 速 和 非常准确 的控制能力。 伴 随着电力电子器件的 不断的 发展，无功补偿控制器在其 硬件 和功能上也出现不同的发展 时期 。无功补偿控制器 东芝 已经由 基于SCR 的无功补偿器、晶闸管控制串联电容补偿
21、器、发展到基于 GTO 的静止无功发生器、静止同步串联补偿器、统一潮流控制器、可转换静止补偿器等。 日立 1 静止无功补偿器 (SVC)日立 目前 被多数电网公司应用 的动态无功补偿装置是 SVC 静止无功补偿器。据不完全统计，全世界正在 运作 的 这种设备 已达到 几千台 ， 他们的 总容量高达以上 200Gvar 以上。 日立 比较早 的静止无功补偿装置是饱和电抗器 型， 它是由 英国 GEC 公司在 1967 年制成了全世界上第一个饱和电抗器型 SVC。饱和电抗器与同步调相机相比，具有很多的有点，例如静止型， 它的 响应速度 十分 快，但因 它的 铁心需磁化达到饱和状态 才能够运行 ，
22、从而造成 损耗和噪声都 十分 大。所以 没有 能在 其他的国家 占 有 静止无功补偿装置的主流。 多年之后年美国 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了实际运行，取得了成功。 在这之 后，世界 许多 电气公司都 各自 推出了各具特色的静止补偿装置的产品。由于使用晶闸管的 SVC具有 优良的 功能 ，所以 在这以后很多年晶闸管的 SVC 一直占据了静止无功补偿装置的重要 地位。因此， SVC 一般专指使用晶闸管的静补 动态无功 装置。 日立 SVC 有以下几种形式：饱和电抗器型 东芝（ SR 型 SVC）晶闸管投切电容
23、器型（ TSC 型 SVC）、固定电 -容晶闸管控制电抗器型（ FC-TCR 型 SVC）、机械投切电容器 -晶闸管控制电抗器型 东芝 （ MCS-TCR 型 SVC） 东芝 以及晶闸管投切电容器 -晶闸管控制电抗器型（ TSC-TCR 型SVC）。 日立 2 静止无功发生器 (SVG)日立 东芝 东芝 东芝 东芝 SVG 又称 STATCOM，即静止无功发生器 或高级静止无功补偿器（ ASVC），它是基于瞬时无功功率的概念和补偿原理采用 GTO 构成的换相交流器分电压型和电流型桥式电路两种 。 由于电压型控制方便，损耗小，因此在实际应用中被广泛采用 ,通过调节桥式电路交流侧输出电压的相位幅值
24、或者直接调节其交流侧的电流进行无功功率的交换。与SVC 相比，其调节速度更快，调节范围更宽，欠压条件下的无功调节能力更强，因此具有良好的补偿特性。 日立 与 SVC 相比， SVG 具有以下 7 个优点 :日立 1） 占地面积小。 SVG 占地面积是 SVC1/5-1/3； 日立 第 1 章 概述 3 2） 调节速度快。 SVC： 2 到 3 周期 ，速度过快 容易 产生谐振。 STATCOM： 1 2 周波，不大于 4 毫秒。 SVC 里面 的电力电子开关元件 都是 晶闸管，晶闸管 在 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
25、关元件， GTO 可在 0.0015s 的 时间 内被 关断， 所以它的 补偿速度要快很多 ;日立 3） SVC 与 SVG 损耗的比较。 100M 东芝 SVC 如果需要保持 足够的 动态无功输出量，正常时1000M 东芝 的可控电抗器（ TCR）需运行在满载状态， 按 2 的 损耗计算，每天 大约 需 2.4万度 的 电 能 ，按 0.5 元 /度 计算，每年 浪费 约 500 万元，是 相 同容量 SVG 的 2-3 倍。如果 TCR 平时运行在空载 或者 轻载 的时候 ， 那么 系统电压跌落时无法提供足够的动态无功支撑， 它的 作用只相当于一台小容量 SVG。 SVC 和 SVG 的损
26、耗比较见下表 1-1。 日立 日立 表 1-1 东芝 东芝 SVC 和 SVG 的 损耗 比较 补偿容量 SVG 补偿组成 SVC 补偿组成 SVG 的损耗 (万度 /年 ) SVC 的损耗 (万度 /年 ) SVG FC TCR FC 最小0.02% 平均 最大0.33% 最小 日立0.06% 平均 最大1.0% 2M 2M 0 -2M +2M 0.32 2.77 5.28 1.0 8.5 16.0 5M 5M 0 -5M +5M 0.8 6.93 13.2 2.5 21.3 40.0 8M 4M +4M -8M +8M 1.28 11.08 21.12 4.0 34.0 64.0 10M
27、5M +5M -10M +10M 1.60 13.85 26.4 5.0 42.5 80.0 16M 8M +8M -16M +16M 2.56 22.16 42.24 8.0 58.0 108.0 20M 10M +10M -20M +20M 3.20 27.70 52.8 10.0 85.0 160.0 24M 12M +12M -24M +24M 3.84 33.24 63.36 12.0 102.0 192.0 30M 15M +15M -30M +30M 4.80 41.55 39.60 15.0 127.5 240.0 40M 20M +20M -40M +40M 6.40 55.
28、40 105.6 20.0 170.0 320.0 50M 25M +25M -50M +50M 8.00 69.30 131.2 25.0 212.5 400.0 日立 4） 可以在从 感性到容性的 整个范围中进行连续 无极 的无功 补偿 调节 ； 日立 5） SVG 根本 不需 很 大容量的 电感 、 电容 等 元件来 储能， 它的 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 的很多 ， 所以能够很大空间的 缩小 设备 的体积和成本 ； 日立 6） 谐波含量小。 SVG 在 采用多电平技术 、 多重化技术 或 PWM 技术等 技术方法 ， 能够在很大程度上抑制 补偿电流中
29、的谐波含量。 日立 7） 性价比高。 用 输出 100 到 1000Mvar 的 动态无功为例 子 ： SSVC： 50Mvar 固定电容器 50MVA 东芝 链式 STATCOM： 200/kvar 左右 ;0 100Mvar 东芝 SVC： 200 元 /kvar。 在 功率半导第 1 章 概述 4 体器件价格的下降 的基础上 ， SVG 的 价格 有很大的 下降空间。 再 考虑 它和 SVC 同容量补偿效果的 区别还有运行 、 性能 损耗的 不同 ， SVG 性价比更高。 日立 3 统一潮流控制器 (UPFC)日立 将 SVG 中与电网并联的电压器改为与电网串联的变压器，就成为静止同步串
30、联补偿器SSSC，它能实现对线路潮流的快速控制。把一台 SVG 与一台 SSSC 的直流侧通过直流电容祸合，就构成了统一潮流控制器 UPFC， SVG 与 SSSC 既可配合使用也可解祸 独立运行。 日立 由于 SVC， STAI， COM 只能控制无功功率以调节系统电压，如果系统某一局部同时有多种要求，就需要在该处设置几种装置。这增大了安装、调试的工作量，同时设备的投资也相当可观。 UPFC 的基本思想正是用一种统一的电力电子控制装置，仅通过控制规律的变化，就能对线路电压、阻抗、相位等电力系统基本参数同时进行控制，从而能分别或同时实现并联补偿、串联补偿、移相等几种不同的功能，与其它无功补偿装
31、置相比，UPFC 控制范围较大，控制方式更为灵活。 日立 统一潮流控制器的 基本的 概念是由美国西屋科技中心的 Guygyi 东芝 L在 1992 年 的时候 提出的， 这 被 公 认为是无功补偿装置中最具代表性的 设备 。世界上许 还 多国家 也 在开展这方面的研究。美国、法国都在加紧实际装置的 研发 ，美国 Inez 变电站已 在 1998 年 的 138kV系统上安装了 UPFC。我国 同时 也开展了 UPFC 的研究 工作 ，但 大部分 仅限于理论 的 研究 方面 和数字仿真研究。 日立 由于无功补偿技术及其控制器发展迅猛，一些新的装置不断被开发出来，使得无功补偿控制器中的新旧装置出现
32、并存发展的局面，无功补偿控制器中的无功补偿装置 SvC，SVG， UPFC 及 CSC 目前一也处于这样一种发展情况。 日立 作为较早出现的无功补偿装置 SVC，由于采用的是传统的半控型器件 SCR，成本低，且技术成熟，因此是目前广泛使用的无功补偿装置。目前对 SvC 的研究主要集中在控制策略上。模糊控制、人工神经网络和专家系统等智能控制手段被引入 SVC 控制系统，使 SVC 系统的性能更加提。 日立 而 SVG， UPFC 及 CSC 目前的应用仅局限于个别工程，尚无法大规模应用，一方面是由于这些无功补偿装置需大量借助于全控器件，而全控器件目前价格非常昂贵，使得目前该类无功补偿装置的工程造
33、价比 SVC 高 ;另一方面，此类无功补偿装置的技术还不完善，有许多技 术问题尚待解决。但大功率电力电子器件技术本身发展迅速，未来的功率器件开关容量会逐步增大，价格则相应下降，此类以 GTO 等新型全控器件为核心的无功补偿装置的造价会逐步降低。国际大电网会议曾展开有关 SVC 与 SVG 的性价比的讨论，不少专家认为，由于 SVG 不需采用大量的电容器就可以实现无功的快速调节，而电容器的价格多年来比较稳定，不可能大幅度下降 ;相反，电力电子器件的价格会不断下降，故预计 SVG 会比 svc 更有竞争力，由此可见，随着造价的降低和技术的完善，在不远的将来 SVG， UPFC 及 CSC 将成为无功补偿技术的发展方向 。 日立
