利用并联电容器实现电力系统电压调整(2)

1、辽 宁 工 业 大 学 电力系统自动化 课程设计（论文）题目： 利用并联电容器实现电力系统电压调整（2） 院（系）： 电气工程学院 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 起止时间：本科生课程设计（论文）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课程设计题目利用并联电容器实现电力系统电压调整（2）课程设计（论文）任务T1 T2电力系统图如图：1 励磁可调节发电机：PN=300MW，cosN=0.85，UN=11KV，Xd=Xq=1.5； 2 变压器T1：SN=350MVA,Uk%=12,Pk=1.5MW,I0%=3,P0=0.8MW,变比K1=242&#

2、177;8×1.25%/11KV.3 变压器T2：SN=350MVA,Uk%=15,Pk=1.5MW,I0%=3,P0=0.8MW,变比K2=220±8×1.25%/11KV.4 每回线路:L=200km,X1=0.42/km, R=0.07/km, b1=2.8×10-6S/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

3、超过242KV，变电所10KV母线电压在9.5KV到11KV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：

4、 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要电压是电能质量的重要指标，电压过高或过低都会对电网和用户造成严重的危害。随着社会的发展，用户对电能质量的要求越来越高。目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并联电容器控制电压。本文介绍的主要是利用并联电容器实现电力系统的电压调整。并联电容器作用是补偿电力系统的无功功率。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。过分的无功功率会使电力系统不稳定，出现非常大的波动，对电网和设备损害很大。并联电容器补偿则是通过减少输电线路上流

5、通的无功功率而减小线路电压损耗，以提高线路末端的电压水平关键词：电压调整；无功功率；功率补偿；并联电容器；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2第2章 补偿前系统电压计算32.1 等值电路32.2 参数计算32.2.1 变压器参数32.2.2 输电线路及末端负荷的参数值42.3 各点电压计算4第3章 采用并联电容器并联补偿的电压调整计算63.1 采用并联电容器的电压调整原理与方法63.2 补偿容量的计算73.3 电力电容器的选择9第4章 控制系统设计114.1 控制系统总体设计114.2 输入通道设计114.3 最小系统设计134.3.1 电源设计134.3.

6、2 CPU处理器134.4 A/D转换器144.5 输出执行系统144.6 软件设计15第5章 课程设计总结19参考文献20第1章 绪论1.1 电力系统电压调整概况电能以其高效，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。作为电力用户,要求电源的电压和频率都在其额定值附近,以保证用电设备(主要为大型异步电动机)的技术效果和经济效果最佳。一般要求电压的偏移范围为额定值的5%,频率波动范围为?0.2Hz10. 5Hz。由于频率调整由有功功率平衡决定,决定有功功率平衡

7、的主要是担任调频任务的发电厂,所以在一般情况下电力用户只能从电压质量上采取一定措施以保证用电设备对电压质量的要求。电力系统在运行过程中必须把各个母线上的电压保持在一定范围以内,以满足用户对电压的要求。合理的运行电压是保证电网安全稳定运行、经济发供电的重要环节。电力系统的负荷包括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。电压不合格的危害用电设备最理想的工作电压是它的额定电压。电压过大地偏离额定值, 将对用户产生不良影响。例如异步电动机, , 电动机就可能停转;如果电动机拖动的机械负载不变, 电压降低时, 电动机转速下降

8、, 转差增大, 定子电流也随之增大, 促使电动机绕组的温度升高, 加速绝缘老化, 严重时甚至可能烧毁电动机。如果电压超过额定电压过多时,对电动机绝缘也是不利的。现代电子设备中电子管与晶体管的广泛应用, 对电压质量的要求则更高, 电压高于额定电压时, 就要严重降低管子的寿命; 电压低于额定电压时, 工作点不稳定, 失真严重, 甚至不能工作。对于电网而言, 电压过高会影响到设备的绝缘; 电压降低会使电网的电能损耗增大。此外, 由于电力系统的电压水平是依靠系统无功功率电源来维持的。当电力系统中无功电源短缺时, 电网电压将大幅度下降。此时, 当某些枢纽变电所的母线电压遇到一定的扰动时, 瞬间将会引起静

9、态稳定的破坏, 形成所谓的电压崩溃, 这是一种将导致系统瓦解的灾难性事故。此时系统中大量的负荷电动机将停止转动, 大量的发电机组将甩掉负荷, 甚至导致电力系统发生振荡。保证电力系统供电稳定，应对电力系统进行电压调节。另外,作为电力系统主要负载的异步电动机,在把电能转变为机械能的同时还要消耗大量的无功功率。这样,在电能输送过程中,既要输送有功功率,又要输送无功功率。无功功率的产生虽然不消耗一次能源,但它在传输过程中会引起有功功率损耗,使电网的功率因数降低,因此应采取措施加以补偿。通过补偿设备调压。系统中无功功率不够充分时，需要考虑运用各种补偿设备进行调压。这些补偿设备可分为两类，即串联补偿和并联

10、补偿。所谓串联补偿就是指串联电容器补偿，但是作为调压措施，串联补偿电容器由于设计、运行等方面的原因，目前应用比较少。并联补偿指并联电容器、调相机和静止补偿器。并联电容器的优点：电容器可以根据需要连接成组，可以分组集中使用，又可以分散安装，就地提供无功，从而减少线路功率损耗和电压损耗；电容器还可以做到随电压波动分组投切，再加上电容器运行损耗小，投资费用低，因此，电容器仍是目前电网中应用最普遍的无功补偿设备。并联电容器的缺点：电容器只能发出感性无功功率以提高节点电压，不能吸收无功功率来降低节点电压，因此，在低负荷时，应当切除节点上的部分乃至全部电容器。1.2 本文主要内容本文主要研究在电力系统中，

11、励磁可调节发电机参数：PN=300MW，cosN=0.85，UN=11KV，Xd=Xq=1.5；变压器T1：线路:L=200km,X1=0.42/km, R=0.07/km, b1=2.8×10-6S/km.。末端最大负荷250MVA.最小负荷S=200MVA功率因数均为0.8。使发电厂220KV母线电压不超过242KV，变电所10KV母线电压在9.5KV到11KV之间。本文进行了计算各元件的参数，并画出系统的等值电路。并根据对给定的参数，计算各点电压。确定负荷端并联补偿电容器的容量。最后对调压结果进行分析总结。本文设计了一种利用单片机STM32对并联补偿电力电容器的实时控制的自动控

12、制系统。20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：变压器T2的各参数值：2.2.2 输电线路及末端负荷的参数值线路参数：根据题意可知 末端最大负荷：末端最小负荷：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。所以可得：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：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：规格化后，取220分接头，即K=。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

13、电压调整原理与方法电容器补偿的应用无功补偿装置 无功补偿装置包括同步调相机、静电电容器和静止补偿器以及静止无功发生器,其中电容器是最经济、运行维护最简单的补偿设备。补偿原理分析 电压损耗近似等于电压降落的纵分量vU=(PR+QX) U/3,从其表达式可知:若P、R、X、U不变,Q减小则vU下降,可使重负荷下偏低的负荷点电压升高。电力系统的无功负荷主要为大型异步电动机所吸取的感性无功QL,它是构成异步电动机绕组的感性线圈所消耗的。众所周知,电容与电感线圈在性质上恰好相反,即电容吸取容性无功功率 (设0),即相当于发出感性无功功率。如果在负荷侧增设容量为QC的电容,可使负荷点的总的感性无功功率负荷

14、变为-QL,使U下降,达到调压的目的。关键是合理选择电容器的容量.。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

15、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，感性负荷向外释放的能量由容性负荷储存起来；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，通常在最大负荷时,降压变电所母线电压偏低小负荷时偏高。电

16、容器只能发出感性无功以提高电压,但电压过高时却不能吸收感性无功功率来使电压降低。为了充分利用补偿容量,在最大负荷时,电容器应全部投入;在最小负荷时应全部退出。计算步骤如下:首先根据调压要求,按最小负荷时没有补偿的情况确定变压器分接头。令和分别为最小负荷时低压母线归算到高压侧的电压和要求保持的实际电压,则 (为高压侧分接头电压, 为低压侧额定电压),则可算出;选定与Ut最接近的分接头U1t,由此可确定变比K=U1tU/2N;其次按最大负荷时的调压要求计算补偿容量。设电压损耗近似等于电压降落的纵分量,则补偿前: （3-1）其中: 分别为最大有功和无功功率负荷为补偿前最大负荷时归算到高压侧的变电所低

17、压母线电压最大负荷时增设并联补偿电容QC,此时由系统输送的无功功率为,对应的变电所低压母线归算到高压侧的电压为,故有: （3-2） 由于补偿前后U1不变,所以由,即可解出最大负荷下变电所低压母线归算到高压侧的电压从改变到时所需的无功补偿容量近似为: （3-3）又由于变压器变比为K,经补偿后变电所低压侧要求保持的实际电压为最大负荷时),即代入(3-4)式得: （3-4）即为补偿容量QC的计算式,实际可选容量可能与QC计算值不会完全相同,选择最接近的容量即可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：最小负荷时为：按

18、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，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选用220+10%即242分接头。带入式3-2，按最大负荷时的调压要求（仍未）确定电容器的容量 校验电压偏移：最大负荷时，电容器全部投入低压母线实际电压为：电压偏移为：最小负荷时，电容器全部退出，已知，低压母线实际电压为：电压偏移为：综上所述，选择的并联电容器能满足降压变电所常调压的要求。3.3 电力电容器的选择电力电容器在电力系统中用途广泛，是电力系统中重要的工作元件之一。通常分为分散式电容器和

19、集合式电容器。分散式电容器由一定数量的单体电容并联而成，结构形式简单，便于检修及更换，但占用空间较大。而集合式电容器则由多个带小铁壳的单元电容器组成。单元电容器是全密封的，其内部主要是多个并联的装有内熔丝的小电容元件和液体浸渍剂。单元电容器按设计要求并联和串联联接，固定在支架上，装入大油箱，注入绝缘油，组成集合式电容器。不管是分散式还是集合式电容器，均作为电力系统中极为重要的无功电源，对于改善系统结构，提高电能质量等方面起着决定性的作用。电力电容器按用途可分为并联电容器。原称移相电容器。主要用于补偿电力系统感性负荷的无功功率，以提高功率因数，改善电压质量，降低线路损耗。用于电力系统和电工设备的

20、电容器。任意两块金属导体，中间用绝缘介质隔开，即构成一个电容器。电容器电容的大小，由其几何尺寸和两极板间绝缘介质的特性来决定。当电容器在交流电压下使用时，常以其无功功率表示电容器的容量，单位为乏或千乏。在实际电力系统中，大部分负载为异步电动机。其等效电路可看作电阻和电感的串联电路，其电压与电流的相位差较大，功率因数较低。并联电容器后，电容器的电流将抵消一部分电感电流，从而使电感电流减小，总电流随之减小，电压与电流的相位差变小，使功率因数提高。增大局部电压。标准容量电力电容器的标准容量有:12 16 25 30 50 100 150 200 300Kvar等"所以本次采用的是300Mv

21、ar. 本设计中电容器选择BSMJO.4153型产品,其中,B系列代号代表并联电容器,S代表漫渍剂代号(蜡),MJ为介质代号(金属化聚丙烯薄膜);0.415为电压等级,电压额定参数为415KV;为电容器额定容量(KvAR数):3代表电容器为相数"该系列电容器用锌铝复合金属化聚丙烯薄膜作介质,经特殊工艺制作和处理,在真空下灌注半平固体或浸渍剂,是低压电网提高功率因数,减少无功损耗,改善电压质量的专用产品"比较同类产品,其主要特点是:采用先进介质,有效解决了电容器实际运行时容量衰减等问题;电容器质量的一致性和可靠性较好;内装放电电阻和保险装置,安全性好。晶闸管投切电容器装置（T

22、hyristor-switched Capacitor,TSC）。晶闸管开、关无触点，其操作寿命几乎是无限的，而且晶闸管的投切时刻可以精确控制，可以快速无冲击的将电容器投入电网中，大大减少了投切时的操作困难和冲击电流，其动态响应时间约为0.010.02s，TSC能快速跟踪冲击负荷的突变，随时保持最佳馈电功率因数，实现动态无功补偿，减小电压波动，提高电能质量，节约电能。另外，TSC虽然不能连续调节无功功率，但是运行时不产生谐波并且损耗较小。综上所述，晶闸管投切电容器装置具有无机械磨损、响应速度快、平滑投切以及良好的综合补偿效果等优点。因为其优良的动态无功功率补偿性能。所以使用晶闸管投切电容。 第

23、4章 控制系统设计4.1 控制系统总体设计本次设计采用系统，整体方案设计如图 4.1所示，其主要包括输入检测通道、输出控制通道、通信及功能模块。图4.1 总控制系统整体设计图（1） 数据测量系统：主要完成信号的调理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；并进行信号的处理；将得到的结果传送到单片机。（2） 输出执行机构：本次输出执行系统主要是根据中心控制系统的控制电力电容器投入容值大的大小。从而到达控制电力系统电压的目的。（3） 中心控制系统：主要负责将测量结果也设定值进行比较。计算出投入电容量的大小并通过执行机构进行调节。4.2 输入

24、通道设计模拟量输入设计：模拟量输入通道包括两种：电流输入通道和电压输入通道。电流压输入通道：此图为一路电压信号的调理电路原理图， 输入为电压互感器二次侧传来的±100V 交流电压信号，经过电路调理后，变成A/D转换器能处理的±5V 的电压信号。图4.2 电压输入通道电流输入通道：为一路电流信号的调理电路原理图，电流互感器二次侧获得的最大电流信号（最大为5A），经过取样电阻变换为电压信号再经过电路调理后，变成A/D转换器能处理的±5V 的电压信号。图4.3 电流输入通道开关量输入通道设计：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和继电器每次当输入端有

25、电压时 产生的电流会使光耦导通拉R10下端电平，使MCU 检测到信号。图4.4开关量检测通道4.3 最小系统设计4.3.1 电源设计本次电源采用直流220V输入通过整流桥变为直流后经过LM2576,DCDC隔离模块，LM2940等电源芯片后产生±12V ,5V等低压直流电源。图4.5 电源设计4.3.2 CPU处理器控制核心选用的处理器是STM32F103RCT6,该芯片属于意法半导体（ST）公司生产的ARM Cortex -M3系列。其主要特点如下：1. ARM 32位的Cortex -M3 CPU2. 最高72MHZ工作频率，在存储器的0的等待周期访问时可达1.25DMisp、3

26、. 单周期乘法和硬件除法4. 从64K字节的闪存程序存储器5. 最大64K字节的SRAM6. 2个12位模数转换器，1us转换时间（多达16个输入通道）7. 持的外设：定时器、ADC、SPI、USB、IIC，CAN和UARTMCU是整个控制采集的核心。MCU定时启动A/D转换，转换后，将转换结果存入内部RAM，并对采样结果进行分析，将分析结果也做出判断。通过外部电路进行动作调整并联电容器的容值。以实现调整电力系统电压的目的。图4.6 STM32F103核心系统4.4 A/D转换器A/D转换器选用Maxim（美信）公司的MAX11056。MAX11056是业内首款单电源供电的双极性ADC，具有高

27、阻输入单模拟电源和数字电源供电高达1G的高阻输入,每通道均具有片内T/H电路,3µs的快速转换时间,高吞吐率：每个通道为250ksps, 14位、高速并行接,由内部时钟控制转换.10ns孔径延时100ps通道间T/H匹配低温漂、高精度4.096V内部基准支持±5V输入范围3.0V至4.25V外部基准范围，支持±4.0V至±5.2V满量程输入范围64引脚(TQFP封装. 其转换结果可由这些处理器直接读取而不需要等待状态。本设计的系统卡包括两片MAX11056,因此可以对16路模拟信号进行采集。4.5 输出执行系统由于使用了晶闸管投切电容，为了晶闸管的投切时刻可以精确控制。所以输出执行单元即为晶闸管控制驱动单元.。中心系统经过计算的出的结果转化为控制信号通过光耦隔离输出后，经驱动放大后通过隔离变压器控制晶闸管。从而达到控制投切电容大小的目的。图4.7晶闸管控制电路4.6 软件设计程序主流程图如图4.9所示。自动控制系统对模拟量进行采集和开关量进行采集。对于模拟量采集来说计划每个周波采集48个点，单片机对所有通道的采样值进行DFT分析，并求出电压电流功率因数角等。然后进行数据分析与设定值比较计算出所需并联的容值。最后通过开关量驱动电路输出并达到对无功功率补偿，调整电压的目的。同时通过通信