基于plc低壓動態(tài)無功補償控制系統(tǒng)設計

1、<p>　　天津城市建設學院日立本科畢業(yè)設計說明書日立日立日立基于PLC的低壓動態(tài)無功補償控制系統(tǒng)(SVG) 東芝日立日立日立Control 東芝System 東芝of 東芝Low-voltage 東芝Dynamic 東芝Reactive 東芝Power 東芝Compensation 東芝Based 東芝on 東芝PLC日立日立日立</p><p>　　日立日立日立日立控制與

2、機械工程學院日立2012 東芝 東芝年 東芝6 東芝月 東芝8 東芝日獨創(chuàng)性聲明日立日立本人聲明所呈交的畢業(yè)設計是本人在指導教師指導下進行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特別加以引用標注之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，沒有偽造數(shù)據(jù)的行為。日立日立日立畢業(yè)論文作者簽名： 東芝 東芝 東芝 東芝 東芝 東芝 東芝 東芝 東芝 東芝 東芝 東芝 東芝簽字日期： 東芝 東芝 東芝 東芝 東芝 東芝 東芝 東

3、芝年 東芝 東芝 東芝 東芝月 東芝 東芝 東芝 東芝日日立日立日立日立日立畢業(yè)設計版權使用授權書日立日立日立本畢業(yè)設計作者完全了解學校有關保留、使用論文的規(guī)定。同意學校保留并向有關管理部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權天津城市建設學院可以將本論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本論文。日立（保密的畢業(yè)設計在解密后適用本授權說明）日立日

4、立日立日立畢業(yè)設計作者簽名： 東芝 東芝 東芝 東芝 東芝 東芝 東芝 東芝 東芝 </p><p>　　摘 東芝 東芝要日立近年來，隨著電力電子技術的發(fā)展，非線性負載的沖擊性和不平衡性使電網(wǎng)的無功損耗增加，而電網(wǎng)中無功功率的傳輸會造成網(wǎng)絡損耗以及受電端電壓下降，大量的無功功率在電網(wǎng)中的傳輸使電能利用率大大降低且嚴重影響供電質量。因此在電網(wǎng)中裝設無功補償裝置成為滿足電網(wǎng)無功需求的必要手段。日立本文采用目

5、前最先進的無功補償技術，靜止無功發(fā)生器（SVG）,對0.4KV低壓側電網(wǎng)進行動態(tài)無功補償。本文首先介紹了國內外當前的無功補償技術，對無功補償?shù)脑磉M行了深入的分析。在此基礎上，設計出了基于PLC的低壓動態(tài)無功補償控制系統(tǒng)(SVG) 東芝。在硬件方面，本文采用功率單元投切控制，與常見的直接交流電容控制方案相比較，投切的更準確，避免出現(xiàn)失誤。在軟件上，利用PLC編程控制，抗干擾能力更強，速度更快。遵循模塊化設計的原則，提高了系統(tǒng)的通用性并易

6、于以后的維護與升級。日立關鍵詞：無功補償；PLC；SVG；功率單元日立日立ABSTRACT日立日立In 東芝recent 東芝years， 東芝along 東芝with 東芝the 東芝power 東芝electronic 東芝technolog</p><p>　　目 東芝 東芝錄日立第1章 東芝 東芝概述1日立1.1課題研究的背景1日立1.2無功補償研究及發(fā)展趨勢1日立1.3本文的研究

7、目的與意義5日立1.4開發(fā)設計方案5日立1.5本文的主要工作6日立第2章 東芝 東芝無功補償?shù)脑?日立2.1無功補償?shù)母拍?日立2.2無功的分類8日立2.3功率因數(shù)9日立2.4無功補償10日立2.5無功補償?shù)淖饔?0日立2.6無功補償?shù)脑?1日立2.7電能的損耗12日立2.8無功補償?shù)姆绞?3日立2.9 東芝電網(wǎng)參數(shù)測量算法研究14日立第3章 東芝 東芝硬件設計17日立3.1硬

8、件概述17日立3.2 東芝PLC和其擴展模塊的選擇17日立3.2.1 東芝PLC軟件介紹17日立3.2.2 東芝模擬量擴展模塊EM235的技術數(shù)據(jù)19日立3.3檢測電路設計23日立3.3.1概述23日立3.3.2相位的檢測24日立3.3.3電壓模擬量的檢測28日立3.3.4電流模擬量的檢測29日立3.4 東芝PLC控制電路設計30日立3.4.1 東芝PLC的輸入輸出端口分配30</p>

9、;<p>　　日立第1章 東芝 東芝概述日立1.1課題研究的背景日立近年來，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，現(xiàn)代電力工業(yè)取得了的發(fā)展，與此同時，電力電網(wǎng)中的無功功率越來越成為了人們不可忽視的問題。這是由于隨著電力電子技術的飛速發(fā)展，電網(wǎng)中使用的感性負載也愈來愈多，如感應式電動機、變壓器等。這些消耗電能的設備在運行的時候不但要消耗有功功率，而且還需要電網(wǎng)給他們提供無功功率，從而造成電網(wǎng)的功率因數(shù)偏低，從而造成：日立1．增加發(fā)

10、電機損耗；日立2．影響電網(wǎng)系統(tǒng)電壓，使電網(wǎng)電壓下降；日立3．影響電網(wǎng)的無功潮流分布；日立4．無功功率增大導致電力增大，增加電力傳輸過程中的功率損耗；日立5．使配電、輸電和發(fā)電設施不能充分發(fā)揮作用，降低發(fā)電、輸電的能力，使電網(wǎng)的供電質量變壞，嚴重時可能會使系統(tǒng)電壓崩潰，造成大面積的停電。日立6．電網(wǎng)中的電流與電壓的相位不同相，產(chǎn)生較為嚴重的諧波分量，導致供電網(wǎng)絡電壓不穩(wěn)定和諧波干擾增大日立據(jù)有關報道，我國電網(wǎng)中平均每年由于無功

11、功率過大造成的線損高達14%，折算成線損電量約為1300億千瓦時。假設全國電力網(wǎng)總的負載功率因數(shù)是0.85，采用無功補償裝置將功率因數(shù)提高到0.96</p><p>　　日立4）可以在從感性到容性的整個范圍中進行連續(xù)無極的無功補償調節(jié)；日立5）SVG根本不需很大容量的電感、電容等元件來儲能，它的直流側所使用的電抗器和電容元件的容量遠比SVC中使用的小的很多，所以能夠很大空間的縮小設備的體積和成本；日立6）諧

12、波含量小。SVG在采用多電平技術、多重化技術或PWM技術等技術方法，能夠在很大程度上抑制補償電流中的諧波含量。日立7）性價比高。用輸出100到1000Mvar的動態(tài)無功為例子：SSVC：50Mvar固定電容器＋50MVA 東芝鏈式STATCOM：200/kvar左右;0－100Mvar 東芝SVC：200元/kvar。在功率半導體器件價格的下降的基礎上，SVG的價格有很大的下降空間。再考慮它和SVC同容量補償效果的區(qū)別還有運行、性能損

13、耗的不同，SVG性價比更高。日立3．統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)日立將SVG中與電網(wǎng)并聯(lián)的電壓器改為與電網(wǎng)串聯(lián)的變壓器，就成為靜止同步串聯(lián)補償器SSSC，它能實現(xiàn)對線路潮流的快速控制。把一臺SVG與一臺SSSC的直流側通過直流電容禍合，就構成了統(tǒng)一潮流控制器UPFC，SVG與SSSC既可配合使用也可解禍獨立運行</p><p>　　第2章 東芝 東芝無功補償?shù)脑砣樟?.1無功補償?shù)母拍钊樟o功功率：電網(wǎng)中

14、電力設備大多是根據(jù)電磁感應原理工作的，他們在能量轉換過程中建立交變的磁場，在一個周期內吸收的功率和釋放的功率相等。電源能量在通過純電感或純電容電路時并沒有能量消耗，僅在負荷與電源之間往復交換，在三相之間流動，由于這種交換功率不對外做功，因此稱為無功功率。日立從物理概念來解釋感性無功功率：由于電感線圈是貯藏磁場能量的元件，當線圈加上交流電壓后，電壓交變時，相應的磁場能量也隨著變化。當電壓增大，電流及磁場能量也就相應加強，此時線圈的磁場能

15、量就將外電源供給的能量以磁場能量形式貯藏起來；當電流減小和磁場能量減弱時，線圈把磁場能量釋放并輸回到外面電路中。交流電感電路不消耗功率，電路中僅是電源能量與磁場能量之間的往復轉換。日立從物理概念來解釋容性無功功率：由于電容器是貯藏電場能量的元件，當電容器加上交流電壓后，電壓交變時，相應的電場能量也隨著變化。當電壓增大，電流及電場能量也就相應加強，此時電容器的電場能量就將外電源供給的能量以電場能量形式貯藏起來；當電壓減小和電場能量減弱時

16、，電容器把電場能量釋放并輸回到外面電路中</p><p>　　第3章 東芝 東芝硬件設計日立3.1硬件概述日立基于PLC的動態(tài)無功補償系統(tǒng)（SVG）并聯(lián)于電網(wǎng)中，相當于一個可變的無功電流源，其無功電流可以快速地跟隨負荷無功電流的變化而變化，自動補償系統(tǒng)所需無功功率。日立SVG的基本原理是利用可關斷大功率電力電子器件（IGBT）組成自換相橋式電路，經(jīng)過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當?shù)卣{節(jié)橋式電路交流側輸出電壓的幅值

17、和相位，或者直接控制其交流側電流，就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康?。其系統(tǒng)組成如下：日立日立日立圖3-1 東芝 東芝系統(tǒng)原理框圖日立日立3.2 東芝PLC和其擴展模塊的選擇日立3.2.1 東芝PLC軟件介紹日立西門子S7-200PLC一種小型的可編程序控制器，S7-200系列可用于各種自動化，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運

18、行中，或相連成網(wǎng)絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能/價格比。日立PLC相比于單片機來說，有如下優(yōu)點：日立1. 東芝由專業(yè)大公司精心設計的硬件和軟件系統(tǒng)，功能強大、可靠性好。日立</p><p>　　日立圖3-3 東芝 東芝CPU 東芝226 東芝CN 東芝DC/DC/DC 東芝端子連線圖日立日立3.2.2 東芝模擬量擴展模塊EM235的技術數(shù)據(jù)日立EM235是最常用的模擬量擴

19、展模塊，它實現(xiàn)了4路模擬量輸入和1路模擬量輸出功能。日立對于電壓信號，按正、負極直接接入X＋和X－；對于電流信號，將RX和X＋短接后接入電流輸入信號的“＋”端；未連接傳感器的通道要將X＋和X－短接。日立對于某一模塊，只能將輸入端同時設置為一種量程和格式，即相同的輸入量程和分辨率。日立日立表3-2 東芝 東芝EM235的常用技術參數(shù)：</p><p>　　日立圖3-4 東芝 東芝EM235模塊外形日立日

20、立模擬量擴展模塊EM235內部電路及接線方法日立日立圖3-5 東芝 東芝模塊EM235內部電路及接線方法日立模擬量模塊都有一個DIP的配置開關可選擇模擬量輸入范圍日立只有正確的設置DIP開關才能正確輸入信號，本文需要選擇4-20mA的電流配置。 東芝日立日立日立圖3-6 東芝 東芝模塊EM235與變送器的連接方法日立日立需注意的幾處：日立1. 東芝模擬量輸入模塊可以通過撥碼開關設置為不同的測量方法。開關的設置應用于

21、整個模擬量輸入模塊，一個模塊只能設置為一種測量范圍（開關設置后只有在重新上電后才能生效）見表3-3。日立2. 東芝為避免共模電壓影響，須將M端與所有信號負端連接。日立3. 東芝若使用了一個自供電或隔離的傳感器電源，兩個電源沒有彼此連接，這將會產(chǎn)生一個很高的上下振動的共模電壓，影響模擬量輸入值。日立日立表3-3 東芝 東芝模擬量的參數(shù)</p><p>　　日立將開關1和開關6設置為開，其余設置為關。日立

22、將輸入的4~20mA信號經(jīng)過A/D電路后轉變?yōu)?~32000的整形數(shù)據(jù)，即完成了模數(shù)轉化（具體內部還有模數(shù)轉化集成電路）。標準電信號是4—20mA，A/D轉換后數(shù)值為6400—32000，所以得到的電流值是：A=(D－6400)×(20－4)/(32000－6400)+4。日立3.3檢測電路設計日立3.3.1概述日立將電壓互感器和電流互感器接到變壓器二次側的電路中。電壓互感器和電流互感器的二次側輸出接到過零比較器中，過零

23、比較器對波形進行處理，通過過零比較器將電路中的正弦波變成方波，然后輸出到PLC當中，用PLC函數(shù)進行計算，計算出電網(wǎng)中的功率因數(shù)cos和sin。與此同時，電壓變送器和電流變送器也接到變壓器二次側，把檢測到的信號輸入到PLC的A/D轉換模塊，轉換之后輸入到PLC當中，由此計算出電網(wǎng)中的電壓和電流。根據(jù)公式計算出需要補償?shù)臒o功功率。日立電路的檢測框圖如下圖所示。日立日立圖3-7 東芝 東芝檢測流程圖日立日立日立3.3.2相位的檢

24、測日立1.相位檢測的方案設計日立主要由相位檢測電路和電流檢測電路組成。用于</p><p>　　日立3.3.4電流模擬量的檢測日立電流變送器是選用PAS公司的HJID-C31-1000P1O1。交流電流變送器是一種利用霍爾效應、開環(huán)測量原理將被測電流轉換成與原邊電流成比例輸出的直流電流或電壓的測量模塊，原副邊之間高度絕緣。具有高精確度、高線性度、高集成度、體積小結構簡單、長期工作穩(wěn)定且適應各種工作環(huán)境的特

25、點。廣泛地應用在電力、石油、煤礦、化工、鐵路、通信、樓宇自控等行業(yè)的電氣設備的系統(tǒng)控制及檢測。日立基本參數(shù)：額定測量：AC 東芝1000A，額定輸出：DC 東芝4-20mA，供電電源：DC 東芝24V。具體參數(shù)見表3-5。日立日立表3-5 東芝 東芝電流變送器的參數(shù)</p><p>　　日立3.4 東芝PLC控制電路設計日立3.4.1 東芝PLC的輸入輸出端口分配日立日立表3-6 東芝 東芝PLC的

26、輸入輸出端口分配</p><p>　　日立3.4.2 東芝PLC的的接線電路設計日立CPU226主機共有I0.0-I2.7共24個輸入點和Q0.0-Q1.7共16個輸出點。CPU226的輸入電路采用了雙向光耦合器，24V 東芝DC的極性可任意選擇，系統(tǒng)設置1M為I0.0-I1.4輸入端子的公共端，2M為I1.5-I2.7字節(jié)輸入端子的公共端。在晶體管輸出電路中采用了MOSFET功率驅動器件，并將數(shù)字量輸出分為

27、兩組，每組有一個獨立公共端，共有1L，2L兩個公共端，可接入不同的負載電源。日立S7-200系列PLC的I/O接線端子排分為固定式和可拆卸式的兩種結構?？刹鹦抖俗优拍茉诓桓淖兺獠侩娐酚布泳€圖的前提下方便的拆裝，為PLC的維護提供便利。日立CPU 東芝226 東芝PLC有6個高速計數(shù)脈沖輸入端（I0.0-I0.5），最快的響應速度為30kHz，用于捕捉比CPU掃描周期更快的脈沖信號。日立CPU 東芝226 東芝PLC有兩個高速脈沖

28、輸出端（Q0.0-Q0.1），輸出的脈沖頻率可達20kHz，用于PTO（高速脈沖束）和PWM（寬度可變脈沖輸出）高速脈沖輸出。日立輸入口接五個，為別為：1路線電壓的輸入，3路線電流</p><p>　　第4章 東芝 東芝軟件設計日立4.1 東芝編程軟件的介紹日立本設計所采用的編程軟件是西門子的STEP 東芝7-Micro/WIN編程軟件。STEP 東芝7-Micro/WIN編程軟件為用戶開發(fā)，編輯，和監(jiān)控自

29、己的應用程序提供了良好的編輯環(huán)境。為了能高效快捷的開發(fā)應用程序，STEP 東芝7-Micro/WIN編程軟件提供了三種程序編輯器。日立STEP7-Micro/WIN32窗口的首行菜單包括有文件、編輯、檢視、PLC、調試、工具、視窗及幫助等，主菜單下方兩行為工具條快捷按鈕，其他為窗口信息顯示區(qū)。日立窗口信息顯示區(qū)分別為程序數(shù)據(jù)顯示區(qū)、瀏覽條。指令樹和輸出視窗顯示區(qū)。主菜單包括：文件、編輯、檢視、PLC、排錯、工具、視窗、幫助。程序編輯

30、窗口包括：交叉引用、數(shù)據(jù)塊、狀態(tài)圖、符號表/全局變量表、局部變量表。日立4.2 東芝程序設計日立4.2.1 東芝主程序日立日立日立圖4-1 東芝 東芝主程序圖日立日立4.2.2 東芝數(shù)據(jù)采集子程序日立數(shù)據(jù)采集子程序的主要任務就是采集電網(wǎng)中的電壓和電流，然后進行處理，輸送到PLC中。數(shù)據(jù)采集分為兩部分，一部分利用互感器將采集到的數(shù)據(jù)</p><p>　　第5章 東芝 東芝實驗與總結日立5.1實驗平

31、臺日立本設計在實驗室利用TVT-90E可編程序控制器訓練裝置進行試驗。圖5-1是實驗裝置的外觀圖。日立本設計通過主要是模擬控制部分的設計和功能。實驗設備是實驗室里的平時做實驗用的PLC試驗平臺。根據(jù)設計的內容，輸入裝置為試驗臺上的12V的交流電壓電源和電流源，還有4-20V的直流電流源。輸出裝置為PLC的顯示器和電壓電路表。日立5.2試驗過程日立1．將所用到的實驗設備連接好。日立2．將用到的程序從電腦里下載到S7-200PLC

32、里面，日立3.連接好顯示器。日立4．對于設計中需要用到的各種交流和直流信號，由實驗臺上的儀器產(chǎn)生發(fā)出，然后輸入到PLC里面，根據(jù)控制過程的計算，在顯示器里顯示經(jīng)過計算和測量得到的各種量。日立5.3總結與展望 東芝 東芝 東芝 東芝日立SVG以高可靠性、易操作、高性能為設計目標，滿足用戶對提高配電電網(wǎng)的功率因數(shù)的迫切需要。SVG采用新型IGBT功率器件，全數(shù)字化微機控制，具有以下特點：日立1. 東芝安裝、設定、調試簡便；日立2

33、. 東芝實時跟蹤負荷變化，動態(tài)補償無功功率，提高系統(tǒng)功率因數(shù)； 東芝日立</p><p>　　致 東芝 東芝 東芝 東芝謝日立值此論文完成之際，謹向我的指導老師-顧桂芬老師致以最誠摯的敬意和感謝。從論文選題、課題研究到論文撰寫，整個過程都得到了指導老師的悉心指導和幫助；實際上，在我學習階段的每一步都凝結著導師大量的心血和精力。導師務實的治學作風，誨人不倦的教學態(tài)度以及勤勞樸素的生活原則，都使學生終生難忘。謹在

34、此表示我衷心的感謝。在學習和研究上，指導老師給我們創(chuàng)造了一個和諧自由的環(huán)境，給我們充分的積極性和發(fā)揮的空間，所有這些都將使我受益終生。日立同時，在四年的學習和生活中，我還得到了系里其他老師、同學和朋友的幫助，讓我這四年生活的開心、愉悅！日立感謝班主任王首彬老師對我學習生活上的關心與愛護！日立另外，感謝我的家人，正是他們多年來默默的支持和關心，才使我得以最終順利完成學業(yè)，在此向他們表示最深情的謝意，謝謝他們對我的無私奉獻！日立最后

35、，謹向所有關心和幫助過我的人致以最最衷心的感謝！！日立日立日立日立日立日立日立日立日立日立日立日立日立日立日立日立日立日立日立日立日立日立日立日立日立</p><p>　　參考文獻日立[1] 東芝文浩. 東芝基于ARM的無功補償控制器設計[D]. 東芝武漢理工大學，2007，3.日立[2] 東芝馬玉珍. 東芝提高功率因數(shù)改善電網(wǎng)運行[J]. 東芝經(jīng)濟技術協(xié)作信

36、息, 東芝2009（34）: 東芝127－135日立[3] 東芝廖常初.PLC 東芝編程及應用[M]．北京:機械工業(yè)出版社，2005． 東芝日立[4] 東芝W．Herbst．高壓系統(tǒng)的可控靜止無功補償［C］．湖北:湖北電力技術，1982.日立[5] 東芝米勒．電力系統(tǒng)無功功率控制［J］．水利電力出版社，1990.日立[6] 東芝楊洋，彭輝云，朱采蓮.PLC在普通車床C650控制中的應用[N].江西電力職業(yè)技術.日立[7] 東芝