線路串聯(lián)電容器實現(xiàn)電力系統(tǒng)電壓控制

1、本科生課程設計（論文）課程設計（論文）任務及評語課程設計（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注：成績：平時20% 論文質量60% 答辯20% 以百分制計算學 號學生姓名專業(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(3)課程設計（論文）任務電力系統(tǒng)圖如圖：1 勵磁可調節(jié)發(fā)電機：PN=280MW，cosN=0.9，UN=10KV，Xd=Xq=1.55； 2 變壓器 T1：SN=350MVA,Uk%=15,Pk=1.5MW,I0%=4,P0=0.8MW,變比K1=242101%/10KV.3 變壓器 T2：SN=350MVA,Uk%=15,Pk=1.5MW,

2、I0%=4,P0=0.8MW,變比K2=220101%/11KV.4 每回線路:L=200KM,X1=0.42/KM, R=0.07/KM, b1=2.810-6S/KM.5 末端最大負荷: S=230MVA.最小負荷: S=90MVA. 功率因數均為 0.85。任務要求：1 計算各元件的參數，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

3、容器的實時控制。4 對調壓結果進行分析總結。進度計劃1、布置任務，查閱資料，理解電壓調整的基本方法和原理。 （1 天）2、系統(tǒng)等值電路繪制及參數計算。 （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）指導教師評語及成績平時： 論文質量： 答辯： 總成績： 指導教師簽字： 年 月 日T1 T2本科生課程設計（論文）I摘 要為保證用電電器有良好的工作電壓，避免受到

4、配電網電壓波動影響而損壞用電設備，配電網需要進行電壓調整。電網的電壓調整方法有：中心調壓、調壓變壓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)電容器而產生的電壓升高來實現(xiàn)的。故線路負載越重，功率因數愈低，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)電容本科生課程設計（論文）II目 錄第 1 章 緒論 .11.1 電

5、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)參數計算 .32.2.1 變壓器參數 .32.2.2 輸電線路及末端負荷的參數值： .42.3 各點電壓值 .4第 3 章 采用電力電容器串聯(lián)補償的電壓調整計算 .63.1 采用電力電容器的電壓調整原理與特點 .63.1.1 電力電容器的補償原理 .63.1.2 電力電容器補償的特點 .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 .104.1.1 原理電路圖 .104.1.2 功能模塊說

6、明 .104.1.3 通信系統(tǒng)設計 .114.2 信號傳輸通道設計 .114.3 控制及數據采集設計 .124.3.1 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本科生課程設計（論文）III參考文獻 .17本科生課程設計（論文）1第 1 章 緒論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)模和技術水準已經成為一個國家經濟發(fā)展水平的

7、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。當網絡電壓偏離額定電壓時，將會對電氣設備產生影響。當電壓過低時，將加大網絡中的功率損耗，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

8、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

9、送功率分布；改變電力系統(tǒng)網絡中的參數等。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，是電壓損耗后的分量減小，從而提高輸電線路末端電壓。本文以一段 220kV 輸QXU本科生課程設計（論文）2電線路為例進行如下計算與分析：1 、計算各元件的參數，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。4 、實現(xiàn)對串聯(lián)電容器的實時控制。本科生課程設計（論文）3第 2 章 串

10、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。圖 2.1 系統(tǒng)等效電路圖2.2 系統(tǒng)參數計算2.2.1 變壓器參數變壓器 T1 的各參數值：79. 0103500002421500103223212111NNKTSUPR7 .18103500002425 .101021210011NNKTSUUXMVAMVAjSIjPSN）（8 .12j5 . 0)32010045 . 0(10000001變壓器 T2 的各參數值：59. 0103500002201500103223222222NNKTSUPR7 .2010350000220151022220022NNKTSU

11、UXMVAMVAjSIjPSN）（14j5 . 0)35010045 . 0(10000002ZZZjBL/2jBL/2SoS01jQB1jQB2S02XsT1LT21S1S12S2SLDSmaxSmix.S0S303本科生課程設計（論文）42.2.2 輸電線路及末端負荷的參數值：線路參數：)427()20042. 020007. 0(21jjjXRZLLLSSBL461016. 6220108 . 222121var81.29-var2201016. 62124221MMVBQQNLBB末端最大負荷：MVAMVAS）（150j200)sin250cos250(max末端最小負荷：MVAjMV

12、AS)7296(sin120cos120min）（2.3 各點電壓值作為初步估算，先用符合功率計算變壓器繞組損耗和線路損耗。44. 8)759. 085. 0(21TLTLTRRRR9 .81427 .202 .1921）（TLTLTRXXXMVAMVAjSLT)6 .105j9 .10()9 .8144. 8(220150200222maxMVAMVAjSLT)7 .23j4 . 2()9 .8144. 8(2207296222min所以，MVAQQjSSSSSBBLT）（4 .282j28.152j210201maxmaxmax1MVAjQQjSSSSSBBLT)5 .12278.39(j

13、210201minminmin1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，電壓值為：VVUXQRPUUk1 .141k)2429 .814 .28244. 828.152242(0max1max10max3VVUXQRPUUk1 .199k)2429 .815 .12244. 878.39242(0min1min10min3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，則有本科生課程設計（論文）5VUUUUNtk01.21911101 .1993min3min3規(guī)格化后，取 220分接頭，即 K=.0002011220本科生課程設計（論文）6第 3 章 采用電力電容

14、器串聯(lián)補償的電壓調整計算3.1 采用電力電容器的電壓調整原理與特點3.1.1 電力電容器的補償原理電容器在原理上相當于產生容性無功電流的發(fā)電機。其無功補償的原理是把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非常普遍。3.1.2 電力電容器補償的特點 （1）優(yōu)點：電力電容器無功補償裝置具有安

15、裝方便,安裝地點增減方便；有功損耗小(僅為額定容量的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 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電阻 R 和電抗 X 的大小。可見，改變線路

16、參數也同樣能起到調壓的作用。一般來說，電阻 R 是不容易減小的。在高壓電網中，由于 XR，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：本科生課程設計（論文）7圖 3.1 線路串聯(lián)電容等效圖未接入串聯(lián)電容器補償前有： (3-1)ABBPRQXUUU電路串聯(lián)電容補償后 (3-2)()CABCBCPRQ XXUUU假如補償前后輸電線路首端電壓維持不變，即 (3-3)AAUU則有 (3-4)()CBBCBBCPRQ XXPRQXUUUU經過整理可得到 (3-

17、5)()()BCCBCCBCBUPRQXPRQXXUUQUU式（3-5）方括號內第二項數值一般很小，可以略去，則有 (3-6)()BCCBCBUXUUQ如果近似認為接近線路的額定電壓，則有BCUNU (3-7)NCUXUQ公式中為經串聯(lián)電容補償后輸電線路末端電壓需要抬高的電壓增量數值。U有公式（3-7）得：127.67220*87.05150CX本科生課程設計（論文）8高壓網中 XR,用串聯(lián)電容器的方法改變線路電抗以減少電壓損耗（P、Q 一定時） 。PRQXUU低壓網中，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)時：CX （3-AAABAP RQ XUU8）串聯(lián)后：CX （3-9

18、()AACABAP RQXXUU）電壓損耗減小了，則電壓水平提高了。BU （3-10CAABABAX QUUU）則： （3-11()ACABABAUXUUQ）若已知，且末端要提高的電壓也已經給定，AU則： （3-12）22223.AACCCAPQQI XUX由公式（3-12）得：222152.28282.4*127.67273.99 var219.01CQk本科生課程設計（論文）93.3 串聯(lián)電容器的選擇TCSC是美國EPRI建議的串聯(lián)型FACTS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

19、電力輸送能力、平息地區(qū)性震蕩、提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。TCSC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BREAKER。圖3.2 TCSC主電路結構圖本科生課程設計（論文）10第 4 章 控制系統(tǒng)設計4.1 控制系統(tǒng)總體設計4.1.1 原理電路圖Thyristor Controlled Series Compensation 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)

20、補償實現(xiàn)方案。本套 TCSC 系統(tǒng)整體方案設計如圖 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。監(jiān)控計算機TCSC 一次主電路控制與保護模塊通信模塊信號接口模塊錄播模塊圖 4.1 TCSC 系統(tǒng)整體設計圖4.1.2 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)?？刂票Ｗo模塊同時

21、本科生課程設計（論文）11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據上傳。（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)機器參數和遠距離 TCSC 裝置下發(fā)指令。4.1.3 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

22、信系統(tǒng)示意圖如圖 4.2 所示。監(jiān)控計算機 ICP通信模塊控制機箱錄波機箱圖 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。A/D模信信號電壓形成硬件限幅電壓跟隨模擬低通濾波霍爾元件圖 4.3 模擬線號的處理開關量的輸入輸出都必須經過光隔離。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字觸發(fā)卡輸出到晶閘管的的觸本科生課程設計（論文）12發(fā)脈沖和對接觸器的開關炒作，如圖 4.5

23、所示。I/O 口或擴展的I/O 口光 電隔 離開關量圖 4.4 輸入開關量觸發(fā)脈沖光電隔離驅動脈沖變壓器晶閘管光電隔離驅動脈沖變壓器開關操作晶閘管圖 4.5 輸出開關量4.3 控制及數據采集設計4.3.1 控制采集卡硬件結構控制保護系統(tǒng)的數據采集是利用一種基于 ISA 總線及 DSP 處理器的數據采集卡實現(xiàn)的。控制采集卡硬件結構如圖 4.6 所示，主要包括 DSP 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前置濾波器A/DDSP光隔離ISA總線接口控制上位機ISA總線雙端口

24、RAMISA 總線中斷開關量模擬量啟動轉換轉換結束信號圖 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。本科生課程設計（論文）134.3.2 DSP 處理器控制采集卡選用的 DSP 處理器是 TMS320F206,該芯片屬于 TI 公司生產的TMS320F2XX 系列。其主要特點如下：具有 4.5K 片內 RAM 和 32K 片內 FLASH；32 位累加器和 32 位算術邏輯單位；16 位的地址總線和 16 位的數據總線；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/D 轉換，轉換后，將轉換結果存入雙端口

25、 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 產生一個中斷請求信號，由控制機通過 ISA 總線將個雙端口 RAM 中的分析結果讀到內存中。4.3.3 A/D 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 位數據總線接口，且并行接口數

26、據訪問和總線釋放的定時特性與絕大部分數字信號處理器（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。4.3.4 ISA 總線接口電路ISA 總線(Industry Standard Architecture）也稱為 AT 總線，最高工作頻率為 8MHz。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。

27、這 62 根線可分為 6 類：數據線、地址線、控制線、輔助線和電源線，根據本設計需要，對其重要線作簡要介紹。D0D7 共 8 位，雙線數據線 ;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。本科生課程設計（論文）14I/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量進行采集。設定美洲玻采樣 24 個點。因此，DSP 處理器的定時器沒 0.02/24 秒產生一次中斷，即在每個采樣點時刻中斷，然后在定時器終端服務子