基于PLC的三相四线制楼宇不平衡补偿装置设计与实现

吴雨霖

摘要：本文主要针对三相四线制楼宇供电系统的不平衡化补偿进行了分析研究。设计出了一种基于PLC控制的MCR-SVC补偿装置，并对补偿装置各部分的参数设计以及控制系统的硬件和软件设计进行了详细的分析。最后对补偿装置的本体及其控制器的性能进行了测试，取得了良好的效果。

关键词：PLC控制；三相四线制；不平衡补偿

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）17-0128-02

随着城市化水平的提高，现代楼宇在城市中越来越多。而现代楼宇系统的供电属于低压配电系统，一般采用三相四线制，楼宇中负荷多为单相负荷，分布随机性很大，因而存在严重的三相不平衡情况。由此产生的不平衡电流会对电网和用户造成很多方面的危害，如引起配变损耗增加，危害用电设备的安全运行等。因此需要进行不平衡化补偿，将负荷产生的不平衡电流平衡化，降低对电网和用户的危害。本文主要研究了一种基于PLC的三相四线制楼宇不平衡补偿装置，它能有效地将负荷产生的不平衡电流平衡化，有效减小对电网和用户的危害。

一、设计背景

三相四线制楼宇不平衡补偿装置本体分为Y型连接和△型连接，分别连接于系统进线处，对系统进行无功补偿，达到补偿不平衡的目的。

根据往年记录数据，教学楼用电负荷在夏、冬两季系统单相最大电流可达450A，按功率因数0.8计算，系统单相最大有功电流为360A，单相负载最大有功功率为79.2kW，最大无功功率为59.4kVar。由于系统的平衡化設计，不平衡有功电流选取250A对补偿装置进行设计。三相四线制的系统最不平衡会出现在单相不平衡的电流达到了250A的情况下。最终确定零序补偿装置本体中选用的最大输出容量为55kVar，电容器组最大输出容量为40kVar；负序补偿装置本体选用的最大输出容量为66kVar，电容器组最大输出容量为66kVar。

二、FC电路参数设计

由于补偿装置中电容器还与电抗串联用作单调谐滤波器，滤除系统中MCR和负载产生的3次和5次谐波电流。

电容器参数限制后，仍满足系统对补偿容量要求。选取负序补偿网络出厂参数限制下的参数为：C1=900uF，负序补偿网络能够提供最大无功容量为Q=Q1+Q2=66.61kVar，也能满足系统设计的要求。

三、不平衡补偿装置的控制系统的硬件设计

因楼宇负荷的实时变化性，所以不平衡补偿装置的控制系统采用开环控制，开环控制没有反馈回路，输出取决于输入，结构简单，调试容易，抗干扰能力相对较差。闭环控制有反馈回路，输出受制于输入和输出。本实验设计处于初始试验阶段，为了设计调试方便，采用开环控制。

零序补偿网络和负序补偿网络的控制系统相似。对于不平衡补偿网络的控制系统补偿效果，选用基于PLC的控制系统。其中三台PLC作为核心控制单元，实行分相控制，分别控制A、B、C三相的MCR的容量和电容器组支路的投切。

四、不平衡补偿装置控制系统的软件设计

由分析可知，控制系统的软件设计需要实现以下功能：

1.能快速准确地计算各项参数，并进行显示。

2.能实现对可控电抗器和电容器组投切的手动和自动控制的转换。

3.实时的计算可控电抗器所需的导通角，对各相分别发出所需要的触发脉冲信号。

4.能通过触摸屏对可控电抗器和电容器组进行实时监测。

5.能和上位机PC进行数据信息及功能数据交换。

不平衡补偿装置的控制系统由三台PLC组成，分别控制A、B、C三相的MCR投入容量和电容器组支路的投切。本文以A相的控制程序为例，介绍软件设计。

（一）系统初始化和手/自动的转换

系统初始化程序主要包括给定触发导通角初始值、对PWM、PTO脉冲输出指令、三个高速计数器等进行初始化并分配好变量的内部空间。

手动与自动的转换主要是通过中间继电器的M0.3进行转换，当按下M0.3常开触点即转为手动，否则则为自动。

（二）采集PQUI

电压、电流的采集通过电压传感器和电流传感器采集，有功和无功功率的采集通过功率变送器采集，输出都为0-10V的模拟量。PQUI采集的基本思想是当PLC接收相应模拟量以后转换成相应数字量，由于采集的实际值有最大值，这个最大值对应一个最大的数字量（32000）。

（三）补偿量的计算

每一相的无功补偿量与本相及另外两相的有功无功都有关。另外两相的有功无功量可通过与另外两相的PLC通信得到。

（四）计算MCR的补偿容量和判断电容器的投切

在PLC的控制程序设计中为了方便，MCR的初始状态始终设为导通。

（五）查表MCR延迟角

通过做MCR的实验，可得给定脉冲相应的输出容量，把得到的数据绘制成曲线。假定输出容量与脉冲延迟角是分段线性的，每一段都有一个对应的函数关系，PLC先判断输出容量位于哪一段，根据相应段的函数关系即可求出脉冲延迟角。

（六）高数计数器

MCR的输出容量与脉冲延迟角之间是有一定的线性关系的，通过做MCR的实验，当给一定角度的脉冲延迟角，就可以得到相应的输出容量。最后再把这些数据绘制成延迟角—输出容量的曲线。在本文中我们假定输出容量与脉冲延迟角是分段线性的关系，每一段都有一个对应的函数关系，PLC先判断输出容量位于哪一段，然后根据相应段的函数关系即可求出脉冲延迟角。其程序的梯形图如下图所示。

（七）高速脉冲输出

本文用PMW功能来作为计数脉冲，设定其脉冲周期为10us，脉冲宽度为2us，则半个工频周期即为1000个脉冲。PWM脉冲输出端为Q0.1，当高数计数器HC3或HC4计数到PWM脉冲数达到设定值后即产生中断。而PTO是用来给两个晶闸管发脉冲的，若设定其脉冲周期是1000us，脉冲个数是1，PTO脉冲输出端是Q0.0，PWM和PTO的程序梯形图（图表略去）。

五、不平衡补偿装置的实验与分析

对不平衡补偿装置进行实验，实验内容主要包括MCR的控制实验、MCR输出电流谐波分析实验、电容器组投切实验和不平衡补偿实验。在实验过程中使用F435 II型电能质量分析仪对本体的电流进行了监测和谐波分析。

（一）MCR控制实验

只投入MCR，使MCR的晶闸管触发导通角为30°，并逐次增加一度，直至MCR输出电流达到设计要求的250A附近。得到的导通角与MCR输出电流的关系，MCR在要求的控制范围内输出电流与导通角具有很好的线性关系。

（二）MCR输出电流谐波分析

MCR空载运行时，MCR空载运行时的输出电流含有大量谐波，主要是3次及5次谐波，但这时候MCR输出电流的有效值只有6.9A。

MCR导通角为45°时，控电抗器输出电流达到140.8A，谐波含量为24.6%，其中3次谐波占23.33%，5次谐波占6.96%，7次谐波占2.73%。

MCR导通角为55°时电抗器的输出电流为230.3A，可控电抗器接近半极限饱和状态。此时电抗器产生的谐波约7.5%，3次谐波占6.8%，5次谐波占0.29%。所以，MCR在不饱和运行时谐波较大，在半极限饱和处谐波很小。

（三）FC投切实验

只投入电容器组进行投切实验，记录3次和5次电容器组投入时的电压电流波形，FC投入时，流过的电流经过一个短暂的过渡后达到稳定，计算得到5次FC电流稳定值为62A、3次FC电流稳定值为121A，符合设计要求。

（四）不平衡补偿实验

本实验对不平衡单相负载只进行了零序补偿。图18为补偿前后的三相电流及零线电流波形。补偿前A相电流为160A，零线电流高达175.7A，系统处于不平衡状态。补偿后A、B、C三相电流分别为160A、90.4A、89.8A，此时的零线电流降到了16A，减少了近90%。零序补偿网络补偿零序電流效果明显。实验中未使用FC滤波电路，MCR产生的谐波，导致补偿后B、C两相和零线电流含有大量谐波。

测试结果表明补偿装置本体及其控制器满足对楼宇不平衡补偿的各项基本要求，符合预期的效果。

六、总结

本文主要针对三相四线制楼宇供电系统的不平衡化补偿进行了分析研究。设计出了一种基于PLC控制的MCR-SVC补偿装置，并对补偿装置各部分的参数设计以及控制系统的硬件和软件设计进行了详细的分析。最后对补偿装置的本体及其控制器的性能进行了测试，取得了良好的效果。

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