利用并联电容器实现电力系统电压调整

1、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： 利用并联电容器实现电力系统电压调整利用并联电容器实现电力系统电压调整 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 起止时间：起止时间：2012.12.312012.12.312013.01.112013.01.11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本科生课程设计（论文）注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩

2、20% 以百分制计算学 号学生姓名专业班级课程设计题目利用并联电容器实现电力系统电压调整（3）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=280MW，cosN=0.85，UN=10.5KV，Xd=Xq=1.5； 2 变压器 T1：SN=320MVA,Uk%=10.5,Pk=1.5MW,I0%=4,P0=0.5MW,变比K1=24281.25%/10.5KV.3 变压器 T2：SN=350MVA,Uk%=15,Pk=1.5MW,I0%=4,P0=0.5MW,变比K2=22081.25%/11KV.4 每回线路:L=220km,X1=0.42/km, R=0.07/km, b1

3、=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 确定负荷端并联补偿电容器的容量，使发电厂 220KV 母线电压不超过242KV，变电所 10KV 母线电压在 10KV 到 11.5KV 之间。4 利用单片机（或 PLC 等）实现对并联补偿电力电容器的实时控制。5 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

4、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、采用负荷端并联补偿电容器调压方法，计算电容值，完成电压调整要求。 （2天）5、利用单片机（或 PLC 等）实现对电力电容器的实时控制。 （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）摘 要在电力系统中，大量的负荷需要一定的无功功率，同时电力网中各种输电设备也会引起无功功率损耗。为了保证用电设备有良好的工作电压，避免受到配电网电压波动影响而损坏用电设备，配电网需要进行实时电压调整。目

5、前控制方法主要有发电机控制调压、控制变压器变比调压、利用无功功率补偿设备调压和利用串联电容器控制电压。其中 利用并联电容器实现电力系统电压调整属于利用无功功率补偿设备调压。其作用是在重负荷时发出感性无功功率，补偿负荷的无功需要，减少由于输送这些感性无功功率而在输电线路上产生的电压降落，提高负荷端的输电电压。关键词：无功功率；电压波动；功率补偿；本科生课程设计（论文）目 录第 1 章 绪论 .11.1 电力系统电压调整概况 .11.2 本文主要内容 .1第 2 章 补偿前系统电压计算 .22.1 等值电路 .22.2 参数计算 .22.2.1 变压器参数 .22.2.2 输电线路及末端负荷的参数

6、值 .32.3 各点电压计算 .3第 3 章 采用并联电容器并联补偿的电压调整计算 .53.1 采用并联电容器的电压调整原理与方法 .53.2 补偿容量的计算 .63.3 电力电容器的选择 .7第 4 章 控制系统设计 .94.1 控制系统总体设计 .94.2 通信系统设计 .104.3 信号传输通道设计 .104.4 控制及数据采集设计 .114.4.1 控制采集卡硬件结构 .114.4.2 DSP 处理器.124.4.3 A/D 转换器.124.4.4 ISA 总线接口电路.124.5 控制设计 .13第 5 章 课程设计总结 .15参考文献 .16本科生课程设计（论文）1第 1 章 绪论

7、1.1 电力系统电压调整概况电力系统的电压和频率一样，都是电能质量的重要指标。保证供给用户的电压和额定电压值的偏移不超过规定的数值，是电力系统运行调整的基本任务之一。电能以其高效，无污染，使用方便，易于调控等优点普遍应用于社会各领域中。电力系统的出现推动了电能的应用的发展，使其进入了新的时代。电力系统的规模和技术水准已经成为一个国家经济发展水平的标志之一。电力系统的负荷包括电动机、照明设备、电热器具、家用电器、冲击性负荷（电弧炉、轧钢机等）所有的用电设备都是以额定电压为条件制造的，最理想的工作电压是额定电压。当网络电压偏离额定电压时，将会对电气设备产生影响。当电压过低时，将加大网络中的功率损耗

8、，造成不必要的电力资源的浪费，还可能危及电力系统运行的稳定性；而电压过高，则可能损害各种电气设备的绝缘，为了增加并维持高绝缘水平，势必引起庞大的资金投入。 为使电力系统电压保持在一合理水平，保证电力系统供电稳定，应对电力系统进行电压调节。输电系统使用串联电容补偿装置能够有效地降低输电系统间的电抗值，提高输电能力和系统运行的稳定性，降低输电系统工程造价。自 1950 年第一套 220kV 串联补偿装置在瑞典投入运行以来，高压串联补偿装置在全世界得到了广泛的应用。1.2 本文主要内容本文主要研究在简单电力系统中，利用并联电容器实现电力系统电压调整。首先计算了各元件的参数，并画出系统的等值电路，然后

9、计算出各点电压，最后通过对前面计算数据的整合计算，确定负荷端并联补偿电容器的容量，使发电厂220KV 母线电压不超过 242KV，变电所 10KV 母线电压在 10KV 到 11.5KV 之间。之后将计算结果与实际经验相比较确认偏差不大后，尝试着利用单片机实现对并联补偿电力电容器的实时控制。本科生课程设计（论文）2第 2 章 补偿前系统电压计算2.1 等值电路系统等效电路图如图 2.1 所示。图 2.1 系统等效电路图2.2 参数计算2.2.1 变压器参数变压器 T1 的各参数值：858. 0103200002421500103223212111NNKTSUPR22.1910320000242

10、5 .101021210011NNKTSUUXMVAMVAjSIjPSN）（8 .12j5 . 0)32010045 . 0(10000001变压器 T2 的各参数值：71. 0103200002201500103223222222NNKTSUPR69.2210320000220151022220022NNKTSUUXMVAMVAjSIjPSN）（14j5 . 0)35010045 . 0(10000002ZZZjBL/2jBL/2SoS01jQB1jQB2S02XsT1LT21S1S12S2SLDSmaxSmix.S0S303本科生课程设计（论文）32.2.2 输电线路及末端负荷的参数值线路

11、参数：)2 .467 . 7()22042. 022007. 0(21jjjXRZLLLSSBL461016. 6220108 . 222121var81.29-var2201016. 62124221MMVBQQNLBB根据题意可知 8 . 0cos6 . 0sin末端最大负荷：MVAMVAS）（150j200)sin250cos250(max末端最小负荷：MVAjMVAS)7296(sin120cos120min）（2.3 各点电压计算作为初步估算，先用符合功率计算变压器绕组损耗和线路损耗。27. 9)7 . 771. 0858. 0(21TLTLTRRRR11.882 .4669.222

12、2.1921）（TLTLTRXXXMVAMVAjSLT)6 .105j9 .10()9 .8144. 8(220150200222maxMVAMVAjSLT)7 .23j4 . 2()9 .8144. 8(2207296222min所以可得：MVAQQjSSSSSBBLT）（4 .282j28.152j210201maxmaxmax1MVAjQQjSSSSSBBLT)5 .12278.39(j210201minminmin1利用首端功率求出最大负荷是降压变压器归算到高压侧的低压母线电压，电压值为：VVUXQRPUUk35.133k)24211.884 .28227. 928.152242(0m

13、ax1max10max3本科生课程设计（论文）4VVUXQRPUUk87.195k)24211.885 .12227. 978.39242(0min1min10min3按最小负荷时电容器全部退出运行来选择降压变压器变比，则有：VUUUUNtk457.215111087.1953min3min3规格化后，取 220分接头，即 K=。0002011220本科生课程设计（论文）5第 3 章 采用并联电容器并联补偿的电压调整计算3.1 采用并联电容器的电压调整原理与方法电力系统中的大部分负荷是电感性的，这些感性负荷要消耗大量的无功功率，例如：感应电动机消耗的无功功率约占其总功率的60%-70%，变压器

14、约占其总功率的20%-25%，而空载运行时，变压器的功率因数只有0.01左右，感应电动机只有0.1-0.2左右。如果感性负荷所需的无功功率得不到就地补偿的话，势必由发电机来供给，即电气设备与电源之间存在大量的功率交换。大量的无功电流在电源与负荷之间流动，造成电网电能的消耗，降低电源的功率因数。因此，一般需要增设无功功率补偿装置进行无功功率补偿，以提高系统电源的功率因数。在交流电路中，纯电阻元件中负载电流与电压同相位，纯电感负载中电流滞后电压，纯电容负载中电流超前电压。也就是说，纯电容中的电流与纯电9090感中的电流相位相差，可以相互抵消，即当电源向外供电时，感性负荷向外180释放的能量由容性负

15、荷储存起来；当感性负荷需要能量时，再由容性负荷向外释放的能量来提供。能量在两种负荷之间互相交换，感性负荷所需要的无功功率就可从容性负荷输出的无功功率中得到补偿，实现了无功功率就地解决，达到补偿的目的。电容器只能发出感性无功功率来提高电压，而不能吸取感性无功功率来降低电压，它们只能在重负荷时投入，轻负荷可能部分或全部退出运行。为了保证用户对电压质量的要求，在选用电容器时，变压器的分接头应该按最小负荷时，电容器全部退出运行的条件考虑，即按变压器分接头电压为来选择，分接头电mintjU压计算式如下： （3-minminminjNjjtjUUUU1）试中， 为电容器全部退出运行时，变电所变压器的分接头

16、电压；为变mintjUminjU压所低压侧母线欲保持电压； 变电所变压器低压侧额定电压；为最小NjUminjU负荷时，变电所母线的电压。 选定电压后，按最大负荷时的调压要求确定应该设置的电容器容量：mintjUcQ本科生课程设计（论文）6 （3-var2MKKUUXUQjjcsjjcc2）式中为变电所低压侧要求保持的电压；为设置补偿设备前归算至高压侧的jcUjU变电所低压母线的电压；为归算至高压侧的母线s，j之间的总电抗；K为降压sjX变压器变比即。NjtjUU /3.2 补偿容量的计算系统接线及负荷状态如图2-1所示，设置补偿电容器前，最大负荷时降压变电所3处低压侧归算至高压侧的电压为：VV

17、UXQRPUUk35.133k)24211.884 .28227. 928.152242(0max1max10max3最小负荷时为：VVUXQRPUUk87.195k)24211.885 .12227. 978.39242(0min1min10min3按常调压要求，确定负荷端并联补偿电容器的容量，使发电厂220KV母线电压不超过242KV，变电所10KV母线电压在10KV到11.5KV之间。选择，KVUj5 .10min最小负荷时，补偿电容器全部退出，降压变压器分接头应选为KVUUUUjNjjtj88.2045 .101157.195minminmin选用220+10%即242分接头。带入式3

18、-2，按最大负荷时的调压要求（仍未）确定电容器的容量KVUj5 .10mincQ本科生课程设计（论文）7 2maxminmaxNjtjtjNjjjsjjccUUUUUUXUQ 221188.20488.2041135.1335 .102 .465 .10 var36.263M校验电压偏移：最大负荷时，电容器全部投入KVUjc23.22924211.88)36.2634 .282(27. 928.152242max低压母线实际电压为：KVUjc42.102421123.229max电压偏移为：%76. 05 .1042.105 .10max最小负荷时，电容器全部退出，已知，低压母线实际电压为：V

19、Ujk87.195minKVUjc52.1088.2041187.195min电压偏移为：%19. 05 .105 .1052.10min综上所述，选择的并联电容器能满足降压变电所常调压的var36.263MQc要求。3.3 电力电容器的选择并联电容器是指并联在系统的电容器。电容器是电子工业与电工设备中的基本元件之一。电容器就是储藏点和的电容器。电容器通常由两块中间隔以绝缘介质的导电板组成。两块绝缘板中间的介质可以使气体、液体、固体或者混合体。电容器的命名方法很多，如按接入系统的方式的不同进行命名，分为并联电容器，本科生课程设计（论文）8串联电容器，按电压等级别的不同分为高压电容器、低压电容器

20、。不过通常对于具体的电容器来说，一般以绝缘介质的名称来命名电容器，如空气电容器，云母电容器、纸质电容器、薄膜电容器、纸膜复合介质电容器等。在电路中以符号“C”来表示电容器。并联在电力系统的大功率电容器称为并联电力电容器，也称并联静电电容器，习惯上简称为并联电容器。并联电容器通过吸收容性无功功率来补偿感性无功功率和增大局部电压。并联电容器首先是在 20 世纪 10 年代中期用于功率因数的校正，但是，由于早期的电容器使用油作为绝缘介质，体积和重量太大而且价格很贵，电容器的应用受到限制。20 世纪 30 年代，由于在电容器生产中引入了较便宜的绝缘材料和其他改进，使得其价格和体积有大幅度下降。因此，自

21、 20 世纪 30 年代后期电容器的使用有显著的增加。本设计采用的是单台铁壳式并联电容器，这类电容器量大面广，单台容量一般是 50、100、200、334kvar 等多种，现在还有更大容量（例如 500kvar 及以上容量）的产品问世，一般 lO0kvar 以上容量的产品带有内熔丝。这种产品一旦损坏，用户可以很快用备品自行更换，及时让装置恢复运行，因此采用此类产品时投运率高。加之可以配置外熔断器，保护相对比较完善。目前 220kV、特别是330kV 及以上电压等级变电站大多采用单台铁壳式并联电容器。这种款式的电容器中，我国二三十年间一直以内熔丝电容器为主，即电容器内部每个元件上都配装一根小熔丝

22、。近几年来出现了无熔丝电容器，是一种既无内熔丝、也无外熔丝的电容器。20 世纪 70 年代以前，国内生产的全纸电容器与早期的纸膜复合电容器，白于当时内熔丝还处在研究阶段，不可能采用到产品中去，保护电容器的专用外熔断器也是从 1980 年起才开始研制。电容器出现内部元件击穿后，全依靠电磁式继电器来保护，所以当时的电容器都是完全的无熔丝电容器。随后内外熔丝的相继应用，使我国的无熔丝电容器消失了约 30 年。此间虽然也一直存在无内熔丝电容器，但要配置外熔丝后才允许使用。本科生课程设计（论文）9第 4 章 控制系统设计4.1 控制系统总体设计本次设计采用 TCSC 系统，整体方案设计如图 4.1 所示

23、，其主要包括信号接口模块、控制与保护模块、录播通信及监控等功能模块。监控计算机TCSC 一次主电路控制与保护模块通信模块信号接口模块录播模块图 4.1 TCSC 系统整体设计图（1） 信号接口模块：主要完成信号的调理剂格力驱动等功能其中包括以下俩个部分：模拟量调理将传感器的输出调理成采集卡A/D 输入通道相匹配的电压信号；同步信号的处理；开关量及触发脉冲的隔离驱动。（2） 控制保护模块：控制保护模块是整个系统的核心。控制保护模块主要实现各种控制算法和保护算法以及对晶闸管的脉冲触发。控制保护模块同时还向监控系统提供 TCSC 的运行信息。（3） 录播模块：主要功能是记录 TCSC 装置本身及线路

24、的运行状态。录播模块和控制保护模块采用各自独立的采集通道。（4） 通信模块：通信模块将整个系统有机连接在一起，通信模块负责向监控模块上传 TCSC 运行状态及控制保护系统的相关信息和下传监控模块的控制命令。同时，通信模块还负责录播模块的数据上传。本科生课程设计（论文）10（5） 监控模块：监控模块提供领号的人机接口。可通过监控模块获取TCSC 装置运行状态机器参数和远距离 TCSC 装置下发指令。4.2 通信系统设计本设计系统采用 ICP 通信模块实现控制保护工控机录波机和监控计算机的连接。通信系统示意图如图 4.2 所示。图 4.2 通信系统示意图4.3 信号传输通道设计信号接口模块主要完成

25、电路的信号转换预处理及隔离驱动等功能。对模拟信号的处理如图 4.3 所示，模拟线号包括：三相电容器电压及电流，线路电流及电压，电抗器支路电流和 MOV 支路电流。图 4.3 模拟线号的处理开关量的输入输出都必须经过光隔离。输入的开关量包括接触器的开和状态和脉冲触发，如图 4.4 所示。输出的开关量包括数字触发卡输出到晶闸管的的触发脉冲和对接触器的开关炒作，如图 4.5 所示。A/D模信信号电压形成硬件限幅电压跟随模拟低通滤波霍尔元件监控计算机 ICP通信模块控制机箱录波机箱本科生课程设计（论文）11图 4.4 输入开关量图 4.5 输出开关量4.4 控制及数据采集设计4.4.1 控制采集卡硬件

26、结构控制保护系统的数据采集是利用一种基于 ISA 总线及 DSP 处理器的数据采集卡实现的。控制采集卡硬件结构如图 4.6 所示，主要包括 DSP 处理器，高速A/D 转换器，ISA 总线接口三个部分。I/O 口或扩展的I/O 口光 电隔 离开关量触发脉冲光电隔离驱动脉冲变压器晶闸管光电隔离驱动脉冲变压器开关操作晶闸管前置滤波器A/DDSP光隔离ISA总线接口控制上位机ISA总线双端口RAMISA 总线中断开关量模拟量启动转换转换结束信号本科生课程设计（论文）12图 4.6 控制采集卡硬件结构图它对三相电容器的电压，电容器电流，电抗器支路电流，线路电流线路电压等模拟量进行采集，同时并对个电流电

27、压进行傅里叶分析，求出基波分量和谐波分量，为控制算法和保护算法提供输入。4.4.2 DSP 处理器控制采集卡选用的 DSP 处理器是 TMS320F206,该芯片属于 TI 公司生产的TMS320F2XX 系列。其主要特点如下：具有 4.5K 片内 RAM 和 32K 片内 FLASH；32 位累加器和 32 位算术逻辑单位；16 位的地址总线和 16 位的数据总线；运算速度可达 40MIPS;价格低廉。DSP 是整个控制采集的核心。DSP 定时启动 A/D 转换，转换后，将转换结果存入双端口 RAM，并对采样结果进行分析，将分析结果也存入双端口 RAM。然后DSP 产生一个中断请求信号，由控

28、制机通过 ISA 总线将个双端口 RAM 中的分析结果读到内存中。4.4.3 A/D 转换器A/D 转换器选用的是 MAX125，其转换精度高，转换速度快 MAX125 是 MAXTM公司生产的高速 2*4 通道，同不采样 14 位分辨率，逐次比较型 A/D 转换器芯片，单通道最大转换时间位 3us。具有的 4 个采样/保持放大器可对 4 个通道的模拟信号同时采样，每个采样/保持器前端有双路选择，因此时即可接入 8 路模拟信号。其最大采样速率为 250kHz,14 位数据总线接口，且并行接口数据访问和总线释放的定时特性与绝大部分数字信号处理器（DSP）及 16 位/32 位微处理器的特性兼容。

29、因此，其转换结果可由这些处理器直接读取而不需要等待状态。本设计的每块采集卡包括两片 MAX125,因此可以对 16 路模拟信号进行采集。4.4.4 ISA 总线接口电路ISA 总线(Industry Standard Architecture）也称为 AT 总线，最高工作频率为 8MHz。ISA 总线同时具有 8 位和 16 位扩展槽结构，有两部分组成：一部分有 63 脚，这部分与 PC/XT 总线基本相同；另一部分有 36 脚，是 AT本科生课程设计（论文）13机新增部分。本设计使用的是 8 位的 62 脚扩展槽。这 62 根线可分为 6 类：数据线、地址线、控制线、辅助线和电源线，根据本设

30、计需要，对其重要线作简要介绍。D0D7 共 8 位，双线数据线 ;A0A19 共 20 位，地址线，只为输出信号；IRQ3IRQ9 中断请求信号，用来从系统总线产生对CPU 的中断，这些信号直接引导处理板的 8259A 中断控制器。一个上升信号沿将对CPU 产生一个中断请求。硬中断请求信号和对应的中断向量号与外接设备如表4.1 所示。I/OR,I/OW IO 读写信号;AEN 地址使能信号。表 4.1 中断请求信号对应的外接设备中断请求信号中断向量信号使用的设备IRQ08系统定时器IRQ19键盘IRQ210对 XT 机保留 AT 总线扩充为 IRQ8-15IRQ311RS-232C(COM1)IRQ412RS-232C(COM2)IRQ513硬盘中断IRQ614软盘中断IRQ715打印机中断IRQ870时钟中断IRQ971软中断IRQ1072保留IRQ1173保留IRQ1274保留IRQ1375协处理器中断IRQ1476硬盘控制器IRQ1577保留4.5 控制设计控制程序流程图如图 4.7 与图 4.8 所示。控制采集卡只对模拟量进行采集。设定美洲玻采样 24 个点。因此，DSP 处理器的定时器没 0.02/24 秒产生一次中断，即在