線路串聯(lián)電容器實現(xiàn)電力系統(tǒng)電壓控制

1、課程設計（論文）任務及評語院（系）：電氣工程學院教研室：電氣工程及其自動化學生姓名專業(yè)班級課程設計題目線路串聯(lián)電容器實現(xiàn)電力系統(tǒng)電壓控制電力系統(tǒng)圖如圖：1. 勵磁可調節(jié)發(fā)電機：Pn=280MW , cos© n=0.9, Un=10KV , Xd=Xq=1.55 ;2. 變壓器 T1 : SN=350MVA,Uk%=15,Pk=1.5MW,l o%=4,Po=O.8MW,變比 Ki=242 ±課程設計（ 論 文 ） 任 務3.4.5.10X 1%/10KV .變壓器 T2： Sn=350MVA,U10X 1%/11KV.每回線路:L=200KM,Xi=0.4TQ/KM,R=

2、0.07 Q /KM, b i=2.8 X 1輕/如. 末端最大負荷：S=230MVA.最小負荷：S=90MVA.功率因數(shù)均為 0.85。 任務要求：=15,Pk=1.5MWo%=4,Po=8匕 K2=220±1計算各元件的參數(shù)，并畫出系統(tǒng)的等值電路。2對給定的系統(tǒng)（變壓器為主分接頭，發(fā)電機電壓額定），計算各點電壓。3采用線路中串聯(lián)電容器的調壓方法，確定串聯(lián)電容器的容量，使發(fā)電廠220KV母線電壓不超過 240KV，變電所10KV母線電壓在9.8KV到11KV之間。5利用單片機（或PLC等）實現(xiàn)對串聯(lián)電容器的實時控制。4對調壓結果進行分析總結。1、 布置任務，查閱資料，理解電壓調整的

3、基本方法和原理。（1天）2、 系統(tǒng)等值電路繪制及參數(shù)計算。（1天）3、 變壓器取主分接頭，發(fā)電機取電壓額定，計算各點電壓（1天）4、 采用線路中串聯(lián)電容器的調壓方法，計算電容值，完成電壓調整要求。（2天）5、 利用單片機（或 PLC等）實現(xiàn)對電容器的實時控制。（3天）6、對結果進行分析總結。（1天）7、撰寫、打印設計說明書（1 天）平時： 論文質量： 答辯： 總成績： 指導教師簽字： 年 月 日注：成績：平時20% 論文質量60% 答辯20%以百分制計算為保證用電電器有良好的工作電壓，避免受到配電網(wǎng)電壓波動影響而損 壞用電設備，配電網(wǎng)需要進行電壓調整。電網(wǎng)的電壓調整方法有：中心調壓、 調壓變壓

4、器調壓和無功補償調壓。串聯(lián)電容補償調壓方法可用于配電網(wǎng)中局 部調壓。串聯(lián)電容用來補償輸電線路的感抗，起到縮短電氣距離、提高穩(wěn)定 性水平和線路輸電容量的作用，從而實現(xiàn)調節(jié)線路電壓功能。在距離較長的 重載線路，因其調壓作用是通過線路滯相電流流過串聯(lián)電容器而產(chǎn)生的電壓 升高來實現(xiàn)的。故線路負載越重，功率因數(shù)愈低，串聯(lián)電容補償調壓的作用 越顯著。這種調壓作用隨線路負載的變化而變化，具有自行調節(jié)功能。關鍵詞：電力系統(tǒng)；功率補償；電壓調節(jié)；串聯(lián)電容目錄第1章緒論 11.1電力系統(tǒng)電壓調整概況 11.2本文主要內容 1第2章串聯(lián)電容補償前系統(tǒng)電壓計算 32.1系統(tǒng)等值電路 32.2系統(tǒng)參數(shù)計算 3變壓器參數(shù)

5、 3輸電線路及末端負荷的參數(shù)值： 42.3各點電壓值 4第3章 采用電力電容器串聯(lián)補償?shù)碾妷赫{整計算 63.1采用電力電容器的電壓調整原理與特點 6電力電容器的補償原理 6電力電容器補償?shù)奶攸c 63.2串聯(lián)補償容量的計算 63.3串聯(lián)電容器的選擇 8第4章控制系統(tǒng)設計 104.1控制系統(tǒng)總體設計 10原理電路圖 10功能模塊說明 10通信系統(tǒng)設計 114.2信號傳輸通道設計 114.3控制及數(shù)據(jù)采集設計 12控制采集卡硬件結構 124.3.2 DSP 處理器 134.3.3 A/D 轉換器 134.3.4 ISA總線接口電路 134.4控制設計 14第5章課程設計總結 16參考文獻17第1章緒

6、論1.1電力系統(tǒng)電壓調整概況電能以其高效，無污染，使用方便，易于調控等優(yōu)點普遍應用于社會各領域 中。電力系統(tǒng)的出現(xiàn)推動了電能的應用的發(fā)展，使其進入了新的時代。電力系統(tǒng) 的規(guī)模和技術水準已經(jīng)成為一個國家經(jīng)濟發(fā)展水平的標志之一。電力系統(tǒng)的負荷 包括電動機、照明設備、電熱器具、家用電器、沖擊性負荷（電弧爐、軋鋼機等） 所有的用電設備都是以額定電壓為條件制造的，最理想的工作電壓是額定電壓。 當網(wǎng)絡電壓偏離額定電壓時，將會對電氣設備產(chǎn)生影響。當電壓過低時，將加大網(wǎng)絡中的功率損耗，造成不必要的電力資源的浪 費，還可能危及電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性；而電壓過高，則可能損害各種電氣 設備的絕緣，為了增加并維持高絕緣

7、水平，勢必引起龐大的資金投入。為使 電力系統(tǒng)電壓保持在一合理水平，保證電力系統(tǒng)供電穩(wěn)定，應對電力系統(tǒng)進 行電壓調節(jié)。輸電系統(tǒng)使用串聯(lián)電容補償裝置能夠有效地降低輸電系統(tǒng)間的電抗 值，提高輸電能力和系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性， 降低輸電系統(tǒng)工程造價。自1950年第一 套220kV串聯(lián)補償裝置在瑞典投入運行以來，高壓串聯(lián)補償裝置在全世界得到了 廣泛的應用。1.2本文主要內容當前世界各國的電力工業(yè)正在大力推進市場化改革，我國也不例外。在電力 市場條件下，參與電能交易的每一方都會追求本身的最大利益。在降低成本的條 件下，減少不必要的浪費，有效合理的分配與利用電能是最可行的方案之一。在電力系統(tǒng)無功功率平衡中，為保證

8、系統(tǒng)要較高的電壓水須采用平，必須要 有充足的無功功率電源。但是要是所有用戶的電壓質量都符合要求，還必各種調 壓控制手段。要控制和調節(jié)負荷點處的電壓有許多方法，如控制和調節(jié)發(fā)電機勵 磁電流，以改變發(fā)電機端電壓；控制電壓器變比調壓；改變輸送功率分布；改變 電力系統(tǒng)網(wǎng)絡中的參數(shù)等。在輸電線路上接入電容器，利用電容器上的容抗補償輸電線路中的感抗，是 電壓損耗后的QX分量減小，從而提高輸電線路末端電壓。本文以一段220kV輸U電線路為例進行如下計算與分析:1、計算各元件的參數(shù)，并畫出系統(tǒng)的等值電路。2、 對給定的系統(tǒng)（變壓器為主分接頭，發(fā)電機電壓額定），計算各點電壓。3、采用線路中串聯(lián)電容器的調壓方法，

9、確定串聯(lián)電容器的容量，使發(fā)電廠220KV母線電壓不超過240KV變電所10KV母線電壓在9.8KV到11KV之間4、實現(xiàn)對串聯(lián)電容器的實時控制。第2章 串聯(lián)電容補償前系統(tǒng)電壓計算2.1系統(tǒng)等值電路系統(tǒng)等效電路圖如圖2.1所示1 S1S1Zl= jBL/2J0QB1j-QB2空S02圖2.1系統(tǒng)等效電路圖S0'0So XsS32 S2 ZT2 廟 3SmixSmax2.2系統(tǒng)參數(shù)計算變壓器參數(shù)變壓器T1的各參數(shù)值:RT 1XT1PK1U2N12N1U K12N1SN1103101500 242235000010.5 24223500001030.7918.7I 0/4S01P0 j 0S

10、N (0.5 j 320)MVA (0.5 J12.8) MVA100100變壓器T2的各參數(shù)值:RT 2PK2U103150022021030.59XT2Uk20°UN210N235000015 220235000020.7P。0j J_£S j 4 SN100222 輸電線路及末端負荷的參數(shù)值：線路參數(shù)：ZlRl jX L12(0.07200j0.42200)(7j42)1bl1 22.810 6220 S6.16410 S22QB1QB21BlVn26.1610 42202Mvar-29.81M var2末端最大負荷：Smax (250 cos250 sin )MVA

11、 (200 j150) MVA末端最小負荷：Smin (120 cos120 sin)MVA (96 j72)MVA電壓值2.3各點電壓值U 3 maxU0RmaxR Q1maxX(242152.28 8.44 282.4 81.9)kV242141.1kVU 3minU。p min R Q1 min XU°(24239.78 8.44 122.5 乳9)®242199.1kVRltRt1Rl Rt2(0.850.597)8.44XltXT1Xl Rt2(19.220.742)81.9SLT rmax200215022202-(8.44j81.9)MVA(10.9j105.

12、6)MVASltmin9627222202(8.44j81.9)MVA(2.4 j23.7)MVA所以,S1 maxSmaxSLT maxS01S02j QB1j QB2(152.28j 282.4)MVAS1 minSminSLT minS01S02jQB1j QB2(39.78j122.5)MVA作為初步估算，先用符合功率計算變壓器繞組損耗和線路損耗利用首端功率求出最大負荷是降壓變壓器歸算到高壓側的低壓母線電壓,為:按最小負荷時電容器全部退出運行來選擇降壓變壓器變比，則有UtU 3minU3NU 3min199.11021901kV20.規(guī)格化后，取220 Ooo分接頭，即K=22011第

13、3章 采用電力電容器串聯(lián)補償?shù)碾妷赫{整計算3.1采用電力電容器的電壓調整原理與特點電力電容器的補償原理電容器在原理上相當于產(chǎn)生容性無功電流的發(fā)電機。其無功補償?shù)脑硎前?具有容性功率負荷的裝置和感性功率負荷并聯(lián)在同一電容器上，能量在兩種負荷間相互轉換。這樣，電網(wǎng)中的變壓器和輸電線路的負荷降低，從而輸出有功能力增 加。在輸出一定有功功率的情況下，供電系統(tǒng)的損耗降低。比較起來電容器是減輕 變壓器、供電系統(tǒng)和工業(yè)配電負荷的最簡便、最經(jīng)濟的方法。因此，電容器作為電力系統(tǒng)的無功補償勢在必行。當前，采用串聯(lián)電容器作為無功補償裝置已經(jīng)非常普電力電容器補償?shù)奶攸c（1）優(yōu)點：電力電容器無功補償裝置具有安裝方便，

14、安裝地點增減方便；有功損耗?。▋H為額定容量的0.4 %左右）；建設周期短；投資小；無旋轉部件，運行 維護簡便；個別電容器組損壞，不影響整個電容器組運行等優(yōu)點。（2）缺點：電力電容器無功補償裝置的缺點有：只能進行有級調節(jié)，不能進行平 滑調節(jié)；通風不良，一旦電容器運行溫度高于70 C時,易發(fā)生膨脹爆炸；電壓特性 不好,對短路穩(wěn)定性差，切除后有殘余電荷；無功補償精度低，易影響補償效果；補 償電容器的運行管理困難及電容器安全運行的問題未受到重視等。3.2串聯(lián)補償容量的計算分析電壓損耗的計算公式，可以發(fā)現(xiàn)在傳輸功率一定的條件下，電壓損 耗的大小取決于線路參數(shù)電阻R和電抗X的大小?？梢?，改變線路參數(shù)也同樣

15、能起到調壓的作用。一般來說，電阻 R是不容易減小的。在高壓電網(wǎng)中，由于X>>R , PR/U在電壓損耗中所占的比例一般較QX/U要小，因此，通常都采用減小電抗來降低電壓損耗。減小電抗的方法有：采用分裂導線；在電力線路中串聯(lián)入靜 電電容器等。其等效電路圖如圖3.1所示：AAAAA一 jXP+jQ3.1線路串聯(lián)電容等效圖未接入串聯(lián)電容器補償前有:UaUbPR QXut(3-1)電路串聯(lián)電容補償后Ua UbcPR Q(X Xc)U BC(3-2)假如補償前后輸電線路首端電壓維持不變,(3-3)Ua Ua則有UbPR QXutBCPR Q(X Xc)U BC(3-4)經(jīng)過整理可得到UbcX

16、c 盲(UbcUc)(TU BCPR QXUb(3-5)式（3-5）方括號內第二項數(shù)值一般很小，可以略去,則有X U BCXcQ(U BCUb)(3-6)如果近似認為Ubc接近線路的額定電壓Un ,則有XcUnQ(3-7)公式中u為經(jīng)串聯(lián)電容補償后輸電線路末端電壓需要抬高的電壓增量數(shù)值。有公式（3-7）得:Xc 220 *87.05127.67Q150高壓網(wǎng)中X>>R,用串聯(lián)電容器的方法改變線路電抗以減少電壓損耗PR QXU（P、Q 一定時）低壓網(wǎng)中，R較大，通過增大導線截面來改變電阻以減少電壓損耗未串聯(lián)XC時:U ABPaR QaXUa(3-8)串聯(lián)Xc后:ABPaR Qa(X

17、Xc)Ua(3-9)電壓損耗減小了，則 Ub電壓水平提高了U ABU ABXcQAUa(3-10)則:Xc 當（Uab U'ab）（ 3-11）Qa若U A已知，且末端要提高的電壓也已經(jīng)給定，則：Q 312XC2 2PaQ aXc(3-12)由公式（3-12）得:Qc152.282282.42219.012*127.67273.99 k var3.3串聯(lián)電容器的選擇TCS是美國EPR建議的串聯(lián)型FACT的第一代裝置。與常規(guī)機械控制的串聯(lián)電 容補償相比，它利用晶閘管控制串聯(lián)接在輸電線路中的電容器組，可大范圍調節(jié) 線路阻抗，并且可快速進行連續(xù)平滑調節(jié)，提高電力輸送能力、平息地區(qū)性震蕩、 提

18、高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。TCS（有著非常簡單的結構，可以直接串聯(lián)于輸電線路中無需變壓設備。TCSC主電路結構圖如題3.2所示，它主要有以下幾部分主成：串聯(lián)電容器組 C、反并連 晶閘管模塊T、晶閘管控制電抗器L、氧化鋅壓敏電阻（MOV和保護用旁路斷路器BREAKERBREAKERnrrxMOV8圖3.2 TCSC主電路結構圖第4章控制系統(tǒng)設計4.1控制系統(tǒng)總體設計原理電路圖Thyristor Con trolled Series Compe nsation晶閘管控制串聯(lián)電容器補償技術，是可控串聯(lián)補償技術的實現(xiàn)方案之一，也是最為成熟和使用最廣的可控 串聯(lián)補償實現(xiàn)方案。本套TCSC系統(tǒng)整體方案設計如圖

19、4.1所示，其主要包括信號接口模塊、 控制與保護模塊、錄播通信及監(jiān)控等功能模塊?？刂婆c保護模塊錄播模塊信號接口模塊1TCSC 一次主電路圖4.1 TCSC系統(tǒng)整體設計圖功能模塊說明（1）信號接口模塊：主要完成信號的調理劑格力驅動等功能其中包括以下倆個部分：模擬量調理將傳感器的輸出調理成采集卡A/D輸入通道相匹配的電壓信號；同步信號的處理；開關量及觸發(fā)脈沖的隔離驅動。（2）控制保護模塊：控制保護模塊是整個系統(tǒng)的核心?？刂票Ｗo模塊 主要實現(xiàn)各種控制算法和保護算法以及對晶閘管的脈沖觸發(fā)。控制保護模塊同時還向監(jiān)控系統(tǒng)提供TCSC的運行信息。（3） 錄播模塊：主要功能是記錄TCSC裝置本身及線路的運行狀

20、態(tài)。 錄播模塊和控制保護模塊采用各自獨立的采集通道。（4）通信模塊：通信模塊將整個系統(tǒng)有機連接在一起，通信模塊負責向監(jiān) 控模塊上傳TCSC運行狀態(tài)及控制保護系統(tǒng)的相關信息和下傳監(jiān)控模塊的控制命 令。同時，通信模塊還負責錄播模塊的數(shù)據(jù)上傳。（5） 監(jiān)控模塊：監(jiān)控模塊提供領號的人機接口。可通過監(jiān)控模塊獲取TCSC 裝置運行狀態(tài)機器參數(shù)和遠距離 TCSC裝置下發(fā)指令。通信系統(tǒng)設計本設計系統(tǒng)采用ICP通信模塊實現(xiàn)控制保護工控機錄波機和監(jiān)控計算機的連 接。通信系統(tǒng)示意圖如圖4.2所示。ICP通信模塊二控制機箱監(jiān)控計算機=>錄波機箱圖4.2通信系統(tǒng)示意圖4.2信號傳輸通道設計信號接口模塊主要完成電路

21、的信號轉換預處理及隔離驅動等功能。對模擬信 號的處理如圖4.3所示，模擬線號包括：三相電容器電壓及電流，線路電流及電 壓，電抗器支路電流和 MOV支路電流。圖4.3模擬線號的處理開關量的輸入輸出都必須經(jīng)過光隔離。輸入的開關量包括接觸器的開和狀態(tài)和脈沖觸發(fā)，如圖4.4所示。輸出的開關量包括數(shù)字觸發(fā)卡輸出到晶閘管的的觸發(fā)脈沖和對接觸器的開關炒作，如圖4.5所示開關量I/O 口或擴展的I/O 口圖4.4輸入開關量圖4.5輸出開關量4.3控制及數(shù)據(jù)采集設計控制采集卡硬件結構控制保護系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集是利用一種基于ISA總線及DSP處理器的數(shù)據(jù)采集 卡實現(xiàn)的。控制采集卡硬件結構如圖4.6所示，主要包括DSP

22、處理器，高速A/D轉換器，ISA總線接口三個部分。它對三相電容器的電壓，電容器電流，電抗器 支路電流，線路電流線路電壓等模擬量進行采集，同時并對個電流電壓進行傅里轉換結束信號圖4.6控制采集卡硬件結構圖葉分析，求出基波分量和諧波分量，為控制算法和保護算法提供輸入。432 DSP處理器控制采集卡選用的 DSP處理器是TMS320F206該芯片屬于 TI公司生產(chǎn)的 TMS320F2X系列。其主要特點如下：具有4.5K片內RAM和32K片內FLASH32位累加器和32位算術邏輯單位；16位的地址總線和16位的數(shù)據(jù)總線；運算速度可達40MIPS;價格低廉。DSP是整個控制采集的核心。DSP定時啟動A/

23、D轉換，轉換后，將轉換結果存 入雙端口 RAM并對采樣結果進行分析，將分析結果也存入雙端口RAM然后DSP產(chǎn)生一個中斷請求信號，由控制機通過 ISA總線將個雙端口 RAh中的分析結果讀 到內存中。轉換器A/D轉換器選用的是 MAX125其轉換精度高，轉換速度快 MAX125是MAXTM 公司生產(chǎn)的高速2*4通道，同不采樣14位分辨率，逐次比較型 A/D轉換器芯片， 單通道最大轉換時間位3us。具有的4個采樣/保持放大器可對4個通道的模擬信 號同時采樣，每個采樣/保持器前端有雙路選擇，因此時即可接入 8路模擬信號。 其最大采樣速率為250kHz,14位數(shù)據(jù)總線接口，且并行接口數(shù)據(jù)訪問和總線釋放

24、的定時特性與絕大部分數(shù)字信號處理器（DSP及16位/32位微處理器的特性兼 容。因此，其轉換結果可由這些處理器直接讀取而不需要等待狀態(tài)。本設計的每 塊采集卡包括兩片MAX125因此可以對16路模擬信號進行采集?？偩€接口電路ISA總線（Industry Standard Architecture ）也稱為 AT總線，最高工作頻 率為8MHz 0 ISA總線同時具有 8位和16位擴展槽結構，有兩部分組成：一 部分有63腳，這部分與PC/XT總線基本相同；另一部分有36腳，是AT機新增部分。本設計使用的是8位的62腳擴展槽。這62根線可分為6類：數(shù)據(jù)線、地址線、控制線、輔助線和電源線，根據(jù)本設計需要

25、，對其重要線作 簡要介紹。D0D7共8位，雙線數(shù)據(jù)線；A0A19共20位，地址線，只為輸出信號；IRQ3IRQ9中斷請求信號，用來從系統(tǒng)總線產(chǎn)生對 CPU的中斷，這些信 號直接引導處理板的 8259A中斷控制器。一個上升信號沿將對 CPU產(chǎn)生一個 中斷請求。硬中斷請求信號和對應的中斷向量號與外接設備如表4.1所示。I/OR,I/OW IO 讀寫信號；AEN地址使能信號表4.1中斷請求信號對應的外接設備中斷請求信號中斷向量信號使用的設備IRQ08系統(tǒng)定時器IRQ19鍵盤IRQ210對XT機保留AT總線擴充為IRQ8-15IRQ311RS-232C(COM1)IRQ412RS-232C(COM2)IRQ513硬盤中斷IRQ614軟盤中斷IRQ715打印機中斷IRQ870時鐘中斷IRQ971軟中斷IRQ1072保留IRQ1173保留IRQ1274保留IRQ1375協(xié)處理器中斷IRQ1476硬盤控制器IRQ1577保留4.4控制設計控制程序流程圖如圖4.7與圖4.8所示?？刂撇杉ㄖ粚δM量進行