利用调相机实现电力系统电压调整.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 电力系统自动化电力系统自动化 课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目： 利用调相机实现电力系统电压调整利用调相机实现电力系统电压调整(1) 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 电气电气0808？ 学学 号：号： 080303xxx080303xxx 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间：2011.12.262011.12.262012.01.062012.01.06 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 课程设计（论文）报告的内容及其文本格式课程设计（论文）报告的内容及其文本格式 1、课程设计（论文）报告要求用 A4 纸排版，单面打印，并装订成册，内容包括： 封面（包括题目、院系、专业班级、学生学号、学生姓名、指导教师姓名、起止时间等） 设计(论文)任务及评语 中文摘要 （黑体小二，居中，不少于 200 字） 目录 正文（设计计算说明书、研究报告、研究论文等） 参考文献 2、课程设计（论文）正文参考字数：2000 字周数。 3、封面格式 4、设计（论文）任务及评语格式 5、目录格式 标题“目录”（小二号、黑体、居中） 6、正文格式 页边距：上 2.5cm，下 2.5cm，左 3cm，右 2.5cm，页眉 1.5cm，页脚 1.75cm，左侧装订； 字体：一级标题，小二号字、黑体、居中；二级，黑体小三、居左；三级标题，黑体四号；正文文 字，小四号字、宋体； 行距：20 磅行距； 页码：底部居中，五号、黑体； 7、参考文献格式 标题：“参考文献”，小二，黑体，居中。 示例：（五号宋体） 期刊类：序号作者 1,作者 2,作者 n.文章名.期刊名（版本）.出版年,卷次（期次）:页次. 图书类：序号作者 1,作者 2,作者 n.书名.版本.出版地:出版社，出版年:页次. 本科生课程设计（论文） 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室： 电气工程及其自动化 学 号学生姓名专业班级 课程设计 题目 利用调相机实现电力系统电压调整（1） 课程设计（论文）任务 电力系统图如图： 1 励磁可调节发电机：PN=300MW，cosN=0.80，UN=10.5KV，Xd=Xq=1.7； 2 变压器 T1：SN=300MVA,Uk%=12,Pk=1.5MW,I0%=3,P0=0.8MW,变比 K1=24281.25%/10.5KV. 3 变压器 T2：SN=300MVA,Uk%=15,Pk=1.5MW,I0%=3,P0=0.8MW,变比 K2=22081.25%/11KV. 4 每回线路:L=250KM,X1=0.42/KM, R=0.07/KM, b1=2.810-6S/KM. 5 末端最大负荷: S=250MVA.最小负荷: S=120MVA. 功率因数均为 0.8。 任务要求： 1 计算各元件的参数，并画出系统的等值电路。 2 对给定的系统（变压器为主分接头，发电机电压额定） ，计算各点电压。 3 采用在负荷端安装调相机的方法，确定调相机的容量和型号，使发电厂 220KV 母线电压不超过 240KV，变电所 10KV 母线电压在 9.4KV 到 10.8KV 之间。 5 利用单片机（或 PLC 等）实现对调相机励磁的实时控制。 4 对调压结果进行分析总结。 进度计划 1、布置任务，查阅资料，理解电压调整的基本方法和原理。 （1 天） 2、系统等值电路绘制及参数计算。 （1 天） 3、变压器取主分接头，发电机取电压额定，计算各点电压（1 天） 4、采用负荷端安装调相机的调压方法，选择调相机，完成电压调整要求。 （2 天） 5、利用单片机（或 PLC 等）实现对调相机的实时控制。 （3 天） 6、对结果进行分析总结。 （1 天） 7、撰写、打印设计说明书（1天） 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 T1 T2 本科生课程设计（论文） 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 本科生课程设计（论文） 摘 要 随着我国电力系统的逐步发展，规模的日益扩大和网络的复杂性对我国的电 力系统建设和控制提出了更为严格的要求，电源建设的发展是其中一个方面，更 为重要的是，用户对电力质量要求的提高等因素也要求对现有的电力系统进行改 进和完善。 针对电力系统自动化电压的调整，采用调相机的调整电压的方法，进行了调 压原理的学习，系统等值电路的计算，同时对于系统各个节点的电压进行计算， 还进行 CPU 控制的研究，然后确定调相机型号，能够实时的进行控制，然后进结 果分析，确定调相机能够满足电力系统要求。 利用调相机进行电压的调整可以进行实时的控制，因此可以根据具体负荷的 大小进行适当的补偿，其在投入电力系统后，有时可以在极端情况下对电力网进 行无功功率的补偿。可以为电力系统的功率的最优传输进行适当的调整。而且利 用单片机控制，可以根据实际的情况可以很方便的进行控制的修改。次调相机在 系统进行补偿后可以很好满足了负荷端对电压的要求。 关键词：调相机；电压；无功功率；调整；CPU 本科生课程设计（论文） I 目 录 第 1 章 绪论 .1 1.1 电力系统电压调整概况 .1 1.2 本文主要内容 .1 第 2 章 安装调相机补偿前系统电压计算 .2 2.1 等值电路 .2 2.2 参数计算 .2 2.3 电压计算 .2 第 3 章 安装调相机补偿后的电压计算 .3 3.1 安装调相机的电压调整原理与方法 .3 3.2 补偿容量的计算 .3 3.3 调相机的选择 .3 第 4 章 控制系统设计 .4 4.1 输入通道设计 .4 4.2 输出通道设计 .4 4.3 最小系统设计 .4 4.4 软件设计 .4 第 5 章 课程设计总结 .5 参考文献 .6 本科生课程设计（论文） 1 第 1 章 绪论 1.1 电力系统电压调整概况 无功功率是电力系统中的一个重要的概念，其在电力系统运行中的冗余或者 缺乏都对电力系统有极大的影响，甚至造成电力系统电压的崩溃，所以，无功功 率平衡是系统电压质量的根本保证。电力系统的无功功率的调节是电压调整的一 个非常重要的方面。其中无功功率电源有同步发电机，同步调相机及同步电动机， 并联电容器，静止无功功率补偿器等。随着电力电子器件的发展人们能够用于调 节电压的方法越来越多，从而的系统能够运行的更稳定和经济。 1.2 本文主要内容 本文主要对于调相机的研究，其需要进行电力系统等值电路的计算，同时对 于电力系统各个元件的参数进行计算，采用负荷端装设调相机，根据系统负荷的 参数确定调相机的型号，容量。同时进行 CPU 的控制从而实现对于励磁的实时控 制，最后进行系统分析，从而确定自己的所选设备是否满足要求。 本科生课程设计（论文） 2 第 2 章 安装调相机补偿前系统电压计算 2.1 等值电路 根据题目所给的电力系统图，可以得到等值电路图（图 2.1） 。 图 2.1 电力系统等值电路图 2.2 参数计算 对于发电机： 其他元件的参数，对于变压器归算到高压侧： 对于变压器： 1 T 对于变压器： 2 T Un XT2XGXL 1K XT1 GT2BlBT1 RT1RLRT2 GT1-jBT2 Bl SLD12345 S V SI B S V P G S VV X S VP R N N T N T N NX T N NK T 4 22 0 1 5 22 0 1 2 2 1 2 2 2 2 1 1031 . 2 242100 4503 100 % 1037 . 1 242 8 . 0 62.15 450100 24212 100 % 43 . 0 450 2425 . 1 5 . 0 400 5 . 10 8 . 1 5 . 10 2 G N X KVU 本科生课程设计（论文） 3 对于输电线路： 2.3 电压计算 为求得电力系统的个点的电压根据题目所给的条件，根据所学的知识采用最 好的方法是潮流法，从末端的功率推算到起始端的的功率，在利用起始端的已知 电压再潮流到各个节点的电压。 由于我们只知道末端负荷的最大最小功率因此我们采用其的平均功率为此次 潮流计算的末端功率输送。负荷的功率因数为 0.85，所以 两台变压器运行时，它们的励磁功率为： 由于线路电压未知，可以用线路的额定电压计算线路产生的充电功率，并将 其分成两个部分，即为 S V SI B S V P G S VV X S VP R N N T N T N NX T N NK T 4 22 0 2 5 22 0 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1079. 2 220100 4503 100 % 1065 . 1 220 8 . 0 13.16 450100 22012 100 % 36 . 0 450 2205 . 1 SLbB RLR LXX l l l 36 1 1 1068 . 1 300108 . 222 5 . 1007 . 0 300 2 1 2 1 6342 . 0 300 2 1 2 1 MVAjQjPS MVAjQjPS TTT TTT ) 5 . 138 . 0( ) 5 . 138 . 0( 22 11 66.402201068. 1 2 1 2 1 232 jjVjBQ NlB 60.13925.225 2 maxmin j SS SAV 37.1845 .29785. 0135085 . 0 350 82.9415385 . 0 118085 . 0 180 2 max 2 min jjS jjS 本科生课程设计（论文） 4 末端的功率传送到节点 4 的变压器损耗 变压器的励磁功率也作为节点 4 的一种负荷，于是节点 4 的总负荷 线路的损耗 故可以得到节点 3 的功率 节点 3 到节点 2 的变压器损耗 同样变压器 1 的励磁功率也看做节点 2 的负荷功率，节点 2 的功率 由于发电机的电压额定，发电机出口的电压为 10.5KV，所以节点 2 的电压 从节点 2 到节点 3 的传输功率 根据电压降落的公式 可得 变压器的功率损耗 AMVAMVjST j23.40)+ 0.52()13.1636 . 0 ( 220 6 . 13925.225 2 22 2 84.13557.226 66.40 6 . 13925.225 5 . 138 . 0 4 . 2352. 0 4 24 jS jjjjQSSSS BAVTT j90.84+ 15.14)63 5 . 10( 220 84.13557.226 2 22 jSl 02.18671.24184.9014.1584.13557.22666.40 43 jjjjSSQS lB AMVAMVjST j30.02)+0.83()62.1543. 0( 220 02.18671.241 2 22 1 54.22934.243 5 . 138 . 002.18671.24102.3083. 0 312 jjjjSSSS TT KV K U U N 242 242 5 . 10 5 . 10 1 2 04.21654.242 5 . 138 . 054.22934.243 223 jjjSSS T 2 1 2 112 1 11 1 1 11 1 )()(VVVV V RQXP V V XQRP V KVUUUU KVU KVU 14.228)()( 27.15 242 43 . 0 04.21662.1554.242 38.14 242 62.1504.21643 . 0 54.242 2 23 2 2323 23 23 本科生课程设计（论文） 5 节点 3 线路充电功率 节点 3 到节点 4 的传输功率 可节点 4 的电压 线路的功率损耗 节点 4 的线路等效的充电功率 则由节点 4 流到节点 5 的功率 此时变压器的损耗 损耗后的电压 则末端电压 72.4314.2281068 . 1 2 1 23 1 jjQB 14.2877 . 0 )62.1543. 0( 242 04.21654.242 2 22 23 jjS 64.23177.24172.4314.2877 . 0 04.21654.242 1232334 jjjjQSSS B KVUUUU KVU KVU 163)()( 1 . 56 14.228 5 . 1088.2306377.241 09.75 14.228 6388.2305 .1077.241 2 23 2 2324 34 34 7 .13562.22)63 5 . 10( 14.228 64.23177.241 2 22 34 jjS 32.221631068 . 1 2 1 23 2 jjQB 75.10435.218 32.22 5 . 138 . 07 .13562.2264.23177.241 45 2343445 jS jjjjQSSSS BT 61.3579 . 0 )13.1636 . 0 ( 163 75.10435.218 2 22 45 jjS KVVVVU KVU KVU 65.153)()( 38.21 163 36 . 0 75.10413.1635.218 85.10 163 13.1675.10436. 035.218 2 1 2 115 45 45 KVKV K U UMD68 . 7 11/220 65.153 2 5 本科生课程设计（论文） 6 第 3 章 安装调相机补偿后的电压计算 3.1 安装调相机的电压调整原理与方法 调相机是特殊运行状态下的同步电动机，可视为不带有功负荷的同步发电机 或者是不带机械负荷的同步电动机。当过激运行时，它向电力系统提供感性无功 功率；欠激运行时，从电力系统中吸收感性无功功率。因此，改变同步调相机的 励磁，可以平滑地改变它的无功功率的大小及方向，从而平滑地调节所在地区的 电压。但是在欠激状态下运行时，其输出功率为过激运行时输出功率的 50%60%。同步调相机在运行时要产生用功功率损耗，一般在满负荷运行时，有 功功率损耗为额定容量的 1.5%5%，容量越小，有功损耗所占的比重越大。在轻 负荷运行时，有功功率损耗也要增大，同步调相机的电压调节效应一般为正值， 即它所输出的无功功率随其端电压的下降而增加，这是其优点。 3.2 补偿容量的计算 调相机的补偿容量是根据具体的负荷功率来进行判断。无功功率的产生基本 上不消耗能源，但是无功功率沿电力网传送却要引起有功功率损耗和电压损耗。 合理的配置无功功率补偿容量，以改变电力网的无功功率潮流分布，可以减少网 络中的有功功率损耗和电压损耗，从而改善用户处的电压质量。 由于线路的特点是否忽略变压器的励磁支路,有序变压器的励磁功率对于整 个计算系统来书非常小，因此可以忽略这个励磁损耗，这样可以是的计算过程变 得简单同时还能够对于数据的计算不会造成很大的误差。我们假设发电机的端电 压为额定电压 10.5KV。同时得到电力系统等值电路图（图 3.2） 。 U1 XT2XL 1K XT1 Bl RT1RLRT2 Bl SLD234 图 3.1 电力系统等值电路图 本科生课程设计（论文） 7 所以节点 1 的电压。KVU242 1 因为首端电压已知，宜用首端功率计算网络的电压损耗。为此，先按额定电 压计算输电系统的功率损耗： 线路两侧的等效充电功率 最大最小功率负荷分别为： 最大负荷时首端的功率输出 最小负荷时首端的功率输出 最小功率时利用首端功率算出末端负荷的电压： 66.402201068. 1 2 1 23 jjQB 37.184 5 . 297 82.94153 max min jS jS 82.4091 . 0 )13.1636 . 0 ( 220 37.184 5 . 297 2 22 max43 jjS 53.18441.29866.4082.4091 . 0 37.184 5 . 297 max43maxmax3 jjjjQSSS B 23.16071.26)635 .10( 220 53.18441.298 2 22 max32 jjS 1 . 30412.32566.4023.16071.2653.18441.298 max32max3max2 jjjjQSSS B 96.6376 . 1 )62.1543 . 0 ( 220 1 .30412.325 2 22 max21 jjS 06.36888.326 1 . 30412.32596.6376 . 1 max2max21max1 jjjSSS 72.6951.15936.6025.15936 . 9 26 . 0 36 . 9 26 . 0 )62.1543 . 0 ( 220 36.6025.159 36.6025.15966.4006.3601. 696.6424.153 06.3601 . 6 )63 5 . 10( 220 96.6424.153 96.6424.15366.40 8 . 1024 . 0 82.94153 8 .1024 . 0 )13.1636 . 0 ( 220 82.94153 min2min21min1 2 22 min21 min32min3min2 2 22 min32 min43minmin3 2 22 min43 jjjSSS jjS jjjjQSSS jjS jjjjQSSS jjS B B KVVVVU KVU KVU 43.237)()( 17.10 242 43 . 0 72.6962.1551.159 78 . 4 242 62.1572.6943 . 0 51.159 2 1 2 11min2 min12 min12 本科生课程设计（论文） 8 此处线路的充电功率 节点 3 的线路充电功率 最大功率时利用首端功率算出末端负荷的电压： 35.4743.2371068 . 1 2 1 23 min1 jjQB 08 . 8 22 . 0 )62.1543 . 0 ( 242 72.6951.159 2 22 min12 jjS 99.10829.159 35.4708 . 8 22 . 0 72.6951.159 min23 min1min12min1min23 jS jjjQSSS B KVUUUU KVU KVU 92.204)()( 45.37 43.237 5.1099.1086329.159 96.35 43.237 6399.1085.1029.159 2 min23 2 min23min2min3 min23 min23 27.3592.2041068. 1 2 1 23 min2 jjQB 63.4194. 6)63 5 . 10( 43.237 99.10829.159 2 22 min23 jjS 64.10235.152 27.3563.4194 . 6 99.10829.159 min34 min2min23min23min34 jS jjjQSSS B 96.1229. 0)13.1636. 0( 92.204 64.10235.152 2 22 min34 jjS KVUUUU KVU KVU 93.196)()( 81.11 92.204 36 . 0 64.10213.1635.152 35. 8 92.204 13.1664.10236 . 0 35.152 2 min34 2 min34min3min4 min34 min34 KVVVVU KVU KVU 62.218)()( 44.20 242 43 . 0 06.36862.1588.326 34.24 242 62.1506.36843 . 0 88.326 2 1 2 11max2 max12 max12 63.6478. 1)62.1543 . 0 ( 242 06.36888.326 2 22 max12 jjS 67.9107.15253.1228. 0 2 . 10435.152 min34min34min4 jjjSSS 本科生课程设计（论文） 9 节点 2 的充电线路充电功率 节点 3 的线路充电功率 确定补偿的容量： KVV c 8 . 10 min2 根据题目要求需要确定变电所的电压为。KVV N 2 .10 2 按最小负荷时无补偿确定变压器的分接头电压 最近的抽头为 198KV，由此可得变压器变比 求补偿容量 15.4062.2181068. 1 2 1 23 max1 jjQB 58.343 1 . 325 15.4063.6478. 106.36888.326 max23 max1max12max1max23 jS jjjQSSS B KVUUUU KVU KVU 51.129)()( 18.77 62.218 5 . 1058.34363 1 . 325 62.114 62.218 6358.343 5 . 10 1 . 325 2 max23 2 max23max2max3 max23 max23 92.29415.49)63 5 . 10( 62.218 58.343 1 . 325 2 22 max23 jjS 09.1451.1291068 . 1 2 1 23 max2 jjQB 75.6295.275 09.1492.29415.4958.3431 .325 max34 max2max23max23max34 jS jjjQSSS B KVUUUU KVU KVU 67.125)()( 19.34 51.129 36. 075.6213.1695.275 58 . 8 51.129 13.1675.6236 . 0 95.275 2 max34 2 max34max3max4 max34 max34 02.7772 . 1 )13.1636 . 0 ( 51.129 75.6295.275 2 22 max34 jjS 27.1423.27402.7772. 175.6295.275 max34max34max4 jjjSSS KVKV V UV V c N t 99.185 8 . 10 93.196 2 . 10 min2 min42 18 11 198 k 75.9413.166362.15X var95.8518) 18 67.125 6 . 9( 75.94 6 . 9 )( 22 max4 max2 max2 Mk k V V X V Q c c C KVV c 6 . 9 max2 本科生课程设计（论文） 10 所以我们去补偿容量。var86M 3.3 调相机的选择 调相机容量的选择 确定变压器的变比： 当分别去 0.5 和 0.65 是，可算出变比 k 分别为 16.78 和 16.49，选取最接 近的标准分接头变比 k=18。 确定调相机的容量 选取最接近标准容量的同步调相机，同时考虑到变压其变比的片偏差太大， 在逐步的计算中，我们采用调相机的补偿容量要大些，因此采用调相机的额定容 量要适当大写为var110M 最大负荷时调相机按额定容量过励磁运行，最小负荷是调相机var110MQC 按 50%额定容量欠励磁运行var44MQC 补偿后在最大最小负荷时运行时负荷端的等效负荷分别为 在利用此时负荷段的功率利用首端电压恒定和潮流的算法分别求的在最大最 小负荷是的末端电压为 其满足我们的控制要求。因此采用调相机的容量为。var110M 222 min2 2 max2 min4min2max4max2 8 .106 . 9 93.196 8 . 1067.1256 . 9 cc cc VV UVUV k var95.8518) 18 67.125 6 . 9( 75.94 6 . 9 )( 22 max4 max2 max2 Mk k V V X V Q c c C 82.1381534482.94153 37.74 5 . 29710037.1845 .297 min max jjjS jjjS KVU KVU 84 . 9 64 . 9 max min 本科生课程设计（论文） 11 本科生课程设计（论文） 12 第 4 章 控制系统设计 4.1 输入通道设计 输入通道是利用测量负荷端的电压，利用符合端电压做输入信号对调相机的 励磁进行调整。电压测量时将负荷端三相电压降压、整流、滤波后转换成一较小 波纹的直流电压。如图，图中三相电压有段子 1,、2 和 3 输入，两个单相变压器 T1 和 T2 结成“V” ，做三相电压降压和隔离只用。降压后的三相电压分别经 R1、R2、R3 三个相位平衡调节电位器，送至三相桥式整流器整流成直流电压，再 经 RC 滤波后，得到正比于负荷端的直流电压信号。可得电路图（图 4.1） 。 se U 电位器 R1、R2、R3 主要用于相位平衡调整，通过改变其大小，使进入三相 整流桥的三相电压趋于对称，从而使整流后的直流电压对称，减少波纹，有利于 滤波和减少时延。同时这些电位器对电压调整范围的上下限及电压偏差检测器的 增益均有影响，因此，调定后不应随意再做改变。根据所测电压的大小经过 A/D 转换器将电压的信号采集到 CPU 中，从而进行运算。根据题中的要求，我们采用 AD0804 即可满足要求，而且它的运行很稳定。 4.2 输出通道设计 由于采用 CPU 控制，因此再采集信号以后，可以直接采用片内的程序对励 磁进行合适的控制，从而免去了测量比较，综合放大等繁琐的步骤，其中根据输 入电压的变化，可以直接在 CPU 内进行计算，从而直接输出控制电压的大小， 在这个过程可以很容易的调节，可以很方便的多次试验后进行控制信号电压的输 C1 R1 R2 R3 R4 T1 T2 1 2 3 Use 图 4.1 输入通道原理图 本科生课程设计（论文） 13 出。我们利用 DA 转换器将处理的结果进行输出，经过放大器的放大后进行调整 得到综合控制信号，在经过励磁调节器的，产生触发脉冲，用以触发功率整 SM U 流管的晶闸管，从而改变可控整流框的输出，达到调节发电机励磁的目的。 4.3 最小系统设计 单片机的稳定运行时 这次调相机正常运行的最 基本的保障，我们设计的 最小系统是能够是单片机 正常的工作，从而满足控 制的需求。在系统发生一 些死机的故障可以进行复 位处理，因此最小系统主 要包括时钟电路和复位电 路，因此可以得到最小系 统图如图（图 4.2）所示。 4.4 软件设计 #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int uchar ADnum,Tcount,DAnum; uint sum=0,sums=0; uchar ff=0; sbit DAcs=P14; sbit DAwr=P15; sbit ADcs=P10 ; sbit ADwr=P11; sbit ADrd=P12 ; sbit AD_IN=P13 ; 图 4.3 最小系统原理图 本科生课程设计（论文） 14 void delay(uchar j) uchar i,k; for(;j0;