基于PLC的三相四線制樓宇不平衡補償裝置設計與實現

吳雨霖

摘要：本文主要針對三相四線制樓宇供電系統的不平衡化補償進行了分析研究。設計出了一種基于PLC控制的MCR-SVC補償裝置，并對補償裝置各部分的參數設計以及控制系統的硬件和軟件設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，現代樓宇在城市中越來越多。而現代樓宇系統的供電屬于低壓配電系統，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。由此產生的不平衡電流會對電網和用戶造成很多方面的危害，如引起配變損耗增加，危害用電設備的安全運行等。因此需要進行不平衡化補償，將負荷產生的不平衡電流平衡化，降低對電網和用戶的危害。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生的不平衡電流平衡化，有效減小對電網和用戶的危害。

一、設計背景

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，分別連接于系統進線處，對系統進行無功補償，達到補償不平衡的目的。

根據往年記錄數據，教學樓用電負荷在夏、冬兩季系統單相最大電流可達450A，按功率因數0.8計算，系統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。由于系統的平衡化設計，不平衡有功電流選取250A對補償裝置進行設計。三相四線制的系統最不平衡會出現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電路參數設計

由于補償裝置中電容器還與電抗串聯用作單調諧濾波器，濾除系統中MCR和負載產生的3次和5次諧波電流。

電容器參數限制后，仍滿足系統對補償容量要求。選取負序補償網絡出廠參數限制下的參數為：C1=900uF，負序補償網絡能夠提供最大無功容量為Q=Q1+Q2=66.61kVar，也能滿足系統設計的要求。

三、不平衡補償裝置的控制系統的硬件設計

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采用開環控制，開環控制沒有反饋回路，輸出取決于輸入，結構簡單，調試容易，抗干擾能力相對較差。閉環控制有反饋回路，輸出受制于輸入和輸出。本實驗設計處于初始試驗階段，為了設計調試方便，采用開環控制。

零序補償網絡和負序補償網絡的控制系統相似。對于不平衡補償網絡的控制系統補償效果，選用基于PLC的控制系統。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的軟件設計

由分析可知，控制系統的軟件設計需要實現以下功能：

1.能快速準確地計算各項參數，并進行顯示。

2.能實現對可控電抗器和電容器組投切的手動和自動控制的轉換。

3.實時的計算可控電抗器所需的導通角，對各相分別發出所需要的觸發脈沖信號。

4.能通過觸摸屏對可控電抗器和電容器組進行實時監測。

5.能和上位機PC進行數據信息及功能數據交換。

不平衡補償裝置的控制系統由三臺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，介紹軟件設計。

（一）系統初始化和手/自動的轉換

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

手動與自動的轉換主要是通過中間繼電器的M0.3進行轉換，當按下M0.3常開觸點即轉為手動，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換成相應數字量，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。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的控制程序設計中為了方便，MCR的初始狀態始終設為導通。

（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，把得到的數據繪制成曲線。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關系，PLC先判斷輸出容量位于哪一段，根據相應段的函數關系即可求出脈沖延遲角。

（六）高數計數器

MCR的輸出容量與脈沖延遲角之間是有一定的線性關系的，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。最后再把這些數據繪制成延遲角—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系，每一段都有一個對應的函數關系，PLC先判斷輸出容量位于哪一段，然后根據相應段的函數關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功能來作為計數脈沖，設定其脈沖周期為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，當高數計數器HC3或HC4計數到PWM脈沖數達到設定值后即產生中斷。而PTO是用來給兩個晶閘管發脈沖的，若設定其脈沖周期是1000us，脈沖個數是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型電能質量分析儀對本體的電流進行了監測和諧波分析。

（一）MCR控制實驗

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

（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。此時電抗器產生的諧波約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，FC投入時，流過的電流經過一個短暫的過渡后達到穩定，計算得到5次FC電流穩定值為62A、3次FC電流穩定值為121A，符合設計要求。

（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，系統處于不平衡狀態。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%。零序補償網絡補償零序電流效果明顯。實驗中未使用FC濾波電路，MCR產生的諧波，導致補償后B、C兩相和零線電流含有大量諧波。

測試結果表明補償裝置本體及其控制器滿足對樓宇不平衡補償的各項基本要求，符合預期的效果。

六、總結

本文主要針對三相四線制樓宇供電系統的不平衡化補償進行了分析研究。設計出了一種基于PLC控制的MCR-SVC補償裝置，并對補償裝置各部分的參數設計以及控制系統的硬件和軟件設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。

參考文獻：

[1]錢建華，陳柏超.基于磁閥式可控電抗器的無功補償系統[J].電力系統及其自動化學報，2003，15（2）：66-70.

[2]田翠華，陳柏超.低諧波雙級飽和磁控電抗器研究[J].電工技術學報，2006，21（1）：19-23.

[3]廖培，劉會金.三相四線制條件下的不平衡電流無功補償[J].電力電容器，2007，28（4）：10-12.

[4]廖培，劉會金，段家振.不平衡負荷電流無功補償的優化設計[J].現代電力，2007，24（6）：17-20.