基于PLC的三相四線制樓宇不平衡補償裝置設(shè)計與實現(xiàn)

吳雨霖

摘要：本文主要針對三相四線制樓宇供電系統(tǒng)的不平衡化補償進行了分析研究。設(shè)計出了一種基于PLC控制的MCR-SVC補償裝置，并對補償裝置各部分的參數(shù)設(shè)計以及控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計進行了詳細的分析。最后對補償裝置的本體及其控制器的性能進行了測試，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：PLC控制；三相四線制；不平衡補償

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）17-0128-02

隨著城市化水平的提高，現(xiàn)代樓宇在城市中越來越多。而現(xiàn)代樓宇系統(tǒng)的供電屬于低壓配電系統(tǒng)，一般采用三相四線制，樓宇中負荷多為單相負荷，分布隨機性很大，因而存在嚴重的三相不平衡情況。由此產(chǎn)生的不平衡電流會對電網(wǎng)和用戶造成很多方面的危害，如引起配變損耗增加，危害用電設(shè)備的安全運行等。因此需要進行不平衡化補償，將負荷產(chǎn)生的不平衡電流平衡化，降低對電網(wǎng)和用戶的危害。本文主要研究了一種基于PLC的三相四線制樓宇不平衡補償裝置，它能有效地將負荷產(chǎn)生的不平衡電流平衡化，有效減小對電網(wǎng)和用戶的危害。

一、設(shè)計背景

三相四線制樓宇不平衡補償裝置本體分為Y型連接和△型連接，分別連接于系統(tǒng)進線處，對系統(tǒng)進行無功補償，達到補償不平衡的目的。

根據(jù)往年記錄數(shù)據(jù)，教學樓用電負荷在夏、冬兩季系統(tǒng)單相最大電流可達450A，按功率因數(shù)0.8計算，系統(tǒng)單相最大有功電流為360A，單相負載最大有功功率為79.2kW，最大無功功率為59.4kVar。由于系統(tǒng)的平衡化設(shè)計，不平衡有功電流選取250A對補償裝置進行設(shè)計。三相四線制的系統(tǒng)最不平衡會出現(xiàn)在單相不平衡的電流達到了250A的情況下。最終確定零序補償裝置本體中選用的最大輸出容量為55kVar，電容器組最大輸出容量為40kVar；負序補償裝置本體選用的最大輸出容量為66kVar，電容器組最大輸出容量為66kVar。

二、FC電路參數(shù)設(shè)計

由于補償裝置中電容器還與電抗串聯(lián)用作單調(diào)諧濾波器，濾除系統(tǒng)中MCR和負載產(chǎn)生的3次和5次諧波電流。

電容器參數(shù)限制后，仍滿足系統(tǒng)對補償容量要求。選取負序補償網(wǎng)絡(luò)出廠參數(shù)限制下的參數(shù)為：C1=900uF，負序補償網(wǎng)絡(luò)能夠提供最大無功容量為Q=Q1+Q2=66.61kVar，也能滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。

三、不平衡補償裝置的控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

因樓宇負荷的實時變化性，所以不平衡補償裝置的控制系統(tǒng)采用開環(huán)控制，開環(huán)控制沒有反饋回路，輸出取決于輸入，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試容易，抗干擾能力相對較差。閉環(huán)控制有反饋回路，輸出受制于輸入和輸出。本實驗設(shè)計處于初始試驗階段，為了設(shè)計調(diào)試方便，采用開環(huán)控制。

零序補償網(wǎng)絡(luò)和負序補償網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)相似。對于不平衡補償網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)補償效果，選用基于PLC的控制系統(tǒng)。其中三臺PLC作為核心控制單元，實行分相控制，分別控制A、B、C三相的MCR的容量和電容器組支路的投切。

四、不平衡補償裝置控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

由分析可知，控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計需要實現(xiàn)以下功能：

1.能快速準確地計算各項參數(shù)，并進行顯示。

2.能實現(xiàn)對可控電抗器和電容器組投切的手動和自動控制的轉(zhuǎn)換。

3.實時的計算可控電抗器所需的導通角，對各相分別發(fā)出所需要的觸發(fā)脈沖信號。

4.能通過觸摸屏對可控電抗器和電容器組進行實時監(jiān)測。

5.能和上位機PC進行數(shù)據(jù)信息及功能數(shù)據(jù)交換。

不平衡補償裝置的控制系統(tǒng)由三臺PLC組成，分別控制A、B、C三相的MCR投入容量和電容器組支路的投切。本文以A相的控制程序為例，介紹軟件設(shè)計。

（一）系統(tǒng)初始化和手/自動的轉(zhuǎn)換

系統(tǒng)初始化程序主要包括給定觸發(fā)導通角初始值、對PWM、PTO脈沖輸出指令、三個高速計數(shù)器等進行初始化并分配好變量的內(nèi)部空間。

手動與自動的轉(zhuǎn)換主要是通過中間繼電器的M0.3進行轉(zhuǎn)換，當按下M0.3常開觸點即轉(zhuǎn)為手動，否則則為自動。

（二）采集PQUI

電壓、電流的采集通過電壓傳感器和電流傳感器采集，有功和無功功率的采集通過功率變送器采集，輸出都為0-10V的模擬量。PQUI采集的基本思想是當PLC接收相應模擬量以后轉(zhuǎn)換成相應數(shù)字量，由于采集的實際值有最大值，這個最大值對應一個最大的數(shù)字量（32000）。

（三）補償量的計算

每一相的無功補償量與本相及另外兩相的有功無功都有關(guān)。另外兩相的有功無功量可通過與另外兩相的PLC通信得到。

（四）計算MCR的補償容量和判斷電容器的投切

在PLC的控制程序設(shè)計中為了方便，MCR的初始狀態(tài)始終設(shè)為導通。

（五）查表MCR延遲角

通過做MCR的實驗，可得給定脈沖相應的輸出容量，把得到的數(shù)據(jù)繪制成曲線。假定輸出容量與脈沖延遲角是分段線性的，每一段都有一個對應的函數(shù)關(guān)系，PLC先判斷輸出容量位于哪一段，根據(jù)相應段的函數(shù)關(guān)系即可求出脈沖延遲角。

（六）高數(shù)計數(shù)器

MCR的輸出容量與脈沖延遲角之間是有一定的線性關(guān)系的，通過做MCR的實驗，當給一定角度的脈沖延遲角，就可以得到相應的輸出容量。最后再把這些數(shù)據(jù)繪制成延遲角—輸出容量的曲線。在本文中我們假定輸出容量與脈沖延遲角是分段線性的關(guān)系，每一段都有一個對應的函數(shù)關(guān)系，PLC先判斷輸出容量位于哪一段，然后根據(jù)相應段的函數(shù)關(guān)系即可求出脈沖延遲角。其程序的梯形圖如下圖所示。

（七）高速脈沖輸出

本文用PMW功能來作為計數(shù)脈沖，設(shè)定其脈沖周期為10us，脈沖寬度為2us，則半個工頻周期即為1000個脈沖。PWM脈沖輸出端為Q0.1，當高數(shù)計數(shù)器HC3或HC4計數(shù)到PWM脈沖數(shù)達到設(shè)定值后即產(chǎn)生中斷。而PTO是用來給兩個晶閘管發(fā)脈沖的，若設(shè)定其脈沖周期是1000us，脈沖個數(shù)是1，PTO脈沖輸出端是Q0.0，PWM和PTO的程序梯形圖（圖表略去）。

五、不平衡補償裝置的實驗與分析

對不平衡補償裝置進行實驗，實驗內(nèi)容主要包括MCR的控制實驗、MCR輸出電流諧波分析實驗、電容器組投切實驗和不平衡補償實驗。在實驗過程中使用F435 II型電能質(zhì)量分析儀對本體的電流進行了監(jiān)測和諧波分析。

（一）MCR控制實驗

只投入MCR，使MCR的晶閘管觸發(fā)導通角為30°，并逐次增加一度，直至MCR輸出電流達到設(shè)計要求的250A附近。得到的導通角與MCR輸出電流的關(guān)系，MCR在要求的控制范圍內(nèi)輸出電流與導通角具有很好的線性關(guān)系。

（二）MCR輸出電流諧波分析

MCR空載運行時，MCR空載運行時的輸出電流含有大量諧波，主要是3次及5次諧波，但這時候MCR輸出電流的有效值只有6.9A。

MCR導通角為45°時，控電抗器輸出電流達到140.8A，諧波含量為24.6%，其中3次諧波占23.33%，5次諧波占6.96%，7次諧波占2.73%。

MCR導通角為55°時電抗器的輸出電流為230.3A，可控電抗器接近半極限飽和狀態(tài)。此時電抗器產(chǎn)生的諧波約7.5%，3次諧波占6.8%，5次諧波占0.29%。所以，MCR在不飽和運行時諧波較大，在半極限飽和處諧波很小。

（三）FC投切實驗

只投入電容器組進行投切實驗，記錄3次和5次電容器組投入時的電壓電流波形，F(xiàn)C投入時，流過的電流經(jīng)過一個短暫的過渡后達到穩(wěn)定，計算得到5次FC電流穩(wěn)定值為62A、3次FC電流穩(wěn)定值為121A，符合設(shè)計要求。

（四）不平衡補償實驗

本實驗對不平衡單相負載只進行了零序補償。圖18為補償前后的三相電流及零線電流波形。補償前A相電流為160A，零線電流高達175.7A，系統(tǒng)處于不平衡狀態(tài)。補償后A、B、C三相電流分別為160A、90.4A、89.8A，此時的零線電流降到了16A，減少了近90%。零序補償網(wǎng)絡(luò)補償零序電流效果明顯。實驗中未使用FC濾波電路，MCR產(chǎn)生的諧波，導致補償后B、C兩相和零線電流含有大量諧波。

測試結(jié)果表明補償裝置本體及其控制器滿足對樓宇不平衡補償?shù)母黜椈疽螅项A期的效果。

六、總結(jié)

本文主要針對三相四線制樓宇供電系統(tǒng)的不平衡化補償進行了分析研究。設(shè)計出了一種基于PLC控制的MCR-SVC補償裝置，并對補償裝置各部分的參數(shù)設(shè)計以及控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計進行了詳細的分析。最后對補償裝置的本體及其控制器的性能進行了測試，取得了良好的效果。

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