线路串联电容器实现电力系统电压控制

1、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生姓名专业班级课程设计题目线路串联电容器实现电力系统电压控制电力系统图如图：1. 励磁可调节发电机：Pn=280MW , cos© n=0.9, Un=10KV , Xd=Xq=1.55 ;2. 变压器 T1 : SN=350MVA,Uk%=15,Pk=1.5MW,l o%=4,Po=O.8MW,变比 Ki=242 ±课程设计（ 论 文 ） 任 务3.4.5.10X 1%/10KV .变压器 T2： Sn=350MVA,U10X 1%/11KV.每回线路:L=200KM,Xi=0.4TQ/KM,R=

2、0.07 Q /KM, b i=2.8 X 1輕/如. 末端最大负荷：S=230MVA.最小负荷：S=90MVA.功率因数均为 0.85。 任务要求：=15,Pk=1.5MWo%=4,Po=8匕 K2=220±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采用线路中串联电容器的调压方法，确定串联电容器的容量，使发电厂220KV母线电压不超过 240KV，变电所10KV母线电压在9.8KV到11KV之间。5利用单片机（或PLC等）实现对串联电容器的实时控制。4对调压结果进行分析总结。1、 布置任务，查阅资料，理解电压调整的

3、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、 采用线路中串联电容器的调压方法，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）平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20%以百分制计算为保证用电电器有良好的工作电压，避免受到配电网电压波动影响而损 坏用电设备，配电网需要进行电压调整。电网的电压调整方法有：中心调压、 调压变压

4、器调压和无功补偿调压。串联电容补偿调压方法可用于配电网中局 部调压。串联电容用来补偿输电线路的感抗，起到缩短电气距离、提高稳定 性水平和线路输电容量的作用，从而实现调节线路电压功能。在距离较长的 重载线路，因其调压作用是通过线路滞相电流流过串联电容器而产生的电压 升高来实现的。故线路负载越重，功率因数愈低，串联电容补偿调压的作用 越显著。这种调压作用随线路负载的变化而变化，具有自行调节功能。关键词：电力系统；功率补偿；电压调节；串联电容目录第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章串联电容补偿前系统电压计算 32.1系统等值电路 32.2系统参数计算 3变压器参数

5、 3输电线路及末端负荷的参数值： 42.3各点电压值 4第3章 采用电力电容器串联补偿的电压调整计算 63.1采用电力电容器的电压调整原理与特点 6电力电容器的补偿原理 6电力电容器补偿的特点 63.2串联补偿容量的计算 63.3串联电容器的选择 8第4章控制系统设计 104.1控制系统总体设计 10原理电路图 10功能模块说明 10通信系统设计 114.2信号传输通道设计 114.3控制及数据采集设计 12控制采集卡硬件结构 124.3.2 DSP 处理器 134.3.3 A/D 转换器 134.3.4 ISA总线接口电路 134.4控制设计 14第5章课程设计总结 16参考文献17第1章绪

6、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。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，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

7、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本文主要内容当前世界各国的电力工业正在大力推进市场化改革，我国也不例外。在电力 市场条件下，参与电能交易的每一方都会追求本身的最大利益。在降低成本的条 件下，减少不必要的浪费，有效合理的分配与利用电能是最可行的方案之一。在电力系统无功功率平衡中，为保证

8、系统要较高的电压水须采用平，必须要 有充足的无功功率电源。但是要是所有用户的电压质量都符合要求，还必各种调 压控制手段。要控制和调节负荷点处的电压有许多方法，如控制和调节发电机励 磁电流，以改变发电机端电压；控制电压器变比调压；改变输送功率分布；改变 电力系统网络中的参数等。在输电线路上接入电容器，利用电容器上的容抗补偿输电线路中的感抗，是 电压损耗后的QX分量减小，从而提高输电线路末端电压。本文以一段220kV输U电线路为例进行如下计算与分析: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、采用线路中串联电容器的调压方法，

9、确定串联电容器的容量，使发电厂220KV母线电压不超过240KV变电所10KV母线电压在9.8KV到11KV之间4、实现对串联电容器的实时控制。第2章 串联电容补偿前系统电压计算2.1系统等值电路系统等效电路图如图2.1所示1 S1S1Zl= jBL/2J0QB1j-QB2空S02图2.1系统等效电路图S0'0So XsS32 S2 ZT2 廟 3SmixSmax2.2系统参数计算变压器参数变压器T1的各参数值:RT 1XT1PK1U2N12N1U K12N1SN1103101500 242235000010.5 24223500001030.7918.7I 0/4S01P0 j 0S

10、N (0.5 j 320)MVA (0.5 J12.8) MVA100100变压器T2的各参数值:RT 2PK2U103150022021030.59XT2Uk20°UN210N235000015 220235000020.7P。0j J_£S j 4 SN100222 输电线路及末端负荷的参数值：线路参数：ZlRl jX L12(0.07200j0.42200)(7j42)1bl1 22.810 6220 S6.16410 S22QB1QB21BlVn26.1610 42202Mvar-29.81M var2末端最大负荷：Smax (250 cos250 sin )MVA

11、 (200 j150) MVA末端最小负荷：Smin (120 cos120 sin)MVA (96 j72)MVA电压值2.3各点电压值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,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UtU 3minU3NU 3min199.11021901kV20.规格化后，取220 Ooo分接头，即K=22011第

13、3章 采用电力电容器串联补偿的电压调整计算3.1采用电力电容器的电压调整原理与特点电力电容器的补偿原理电容器在原理上相当于产生容性无功电流的发电机。其无功补偿的原理是把 具有容性功率负荷的装置和感性功率负荷并联在同一电容器上，能量在两种负荷间相互转换。这样，电网中的变压器和输电线路的负荷降低，从而输出有功能力增 加。在输出一定有功功率的情况下，供电系统的损耗降低。比较起来电容器是减轻 变压器、供电系统和工业配电负荷的最简便、最经济的方法。因此，电容器作为电力系统的无功补偿势在必行。当前，采用串联电容器作为无功补偿装置已经非常普电力电容器补偿的特点（1）优点：电力电容器无功补偿装置具有安装方便，

14、安装地点增减方便；有功损耗小（仅为额定容量的0.4 %左右）；建设周期短；投资小；无旋转部件，运行 维护简便；个别电容器组损坏，不影响整个电容器组运行等优点。（2）缺点：电力电容器无功补偿装置的缺点有：只能进行有级调节，不能进行平 滑调节；通风不良，一旦电容器运行温度高于70 C时,易发生膨胀爆炸；电压特性 不好,对短路稳定性差，切除后有残余电荷；无功补偿精度低，易影响补偿效果；补 偿电容器的运行管理困难及电容器安全运行的问题未受到重视等。3.2串联补偿容量的计算分析电压损耗的计算公式，可以发现在传输功率一定的条件下，电压损 耗的大小取决于线路参数电阻R和电抗X的大小。可见，改变线路参数也同样

15、能起到调压的作用。一般来说，电阻 R是不容易减小的。在高压电网中，由于X>>R , PR/U在电压损耗中所占的比例一般较QX/U要小，因此，通常都采用减小电抗来降低电压损耗。减小电抗的方法有：采用分裂导线；在电力线路中串联入静 电电容器等。其等效电路图如图3.1所示：AAAAA一 jXP+jQ3.1线路串联电容等效图未接入串联电容器补偿前有:UaUbPR QXut(3-1)电路串联电容补偿后Ua UbcPR Q(X Xc)U BC(3-2)假如补偿前后输电线路首端电压维持不变,(3-3)Ua Ua则有UbPR QXutBCPR Q(X Xc)U BC(3-4)经过整理可得到UbcX

16、c 盲(UbcUc)(TU BCPR QXUb(3-5)式（3-5）方括号内第二项数值一般很小，可以略去,则有X U BCXcQ(U BCUb)(3-6)如果近似认为Ubc接近线路的额定电压Un ,则有XcUnQ(3-7)公式中u为经串联电容补偿后输电线路末端电压需要抬高的电压增量数值。有公式（3-7）得:Xc 220 *87.05127.67Q150高压网中X>>R,用串联电容器的方法改变线路电抗以减少电压损耗PR QXU（P、Q 一定时）低压网中，R较大，通过增大导线截面来改变电阻以减少电压损耗未串联XC时:U ABPaR QaXUa(3-8)串联Xc后:ABPaR Qa(X

17、Xc)Ua(3-9)电压损耗减小了，则 Ub电压水平提高了U ABU ABXcQAUa(3-10)则:Xc 当（Uab U'ab）（ 3-11）Qa若U A已知，且末端要提高的电压也已经给定，则：Q 312XC2 2PaQ aXc(3-12)由公式（3-12）得:Qc152.282282.42219.012*127.67273.99 k var3.3串联电容器的选择TCS是美国EPR建议的串联型FACT的第一代装置。与常规机械控制的串联电 容补偿相比，它利用晶闸管控制串联接在输电线路中的电容器组，可大范围调节 线路阻抗，并且可快速进行连续平滑调节，提高电力输送能力、平息地区性震荡、 提

18、高系统的暂态稳定性。TCS（有着非常简单的结构，可以直接串联于输电线路中无需变压设备。TCSC主电路结构图如题3.2所示，它主要有以下几部分主成：串联电容器组 C、反并连 晶闸管模块T、晶闸管控制电抗器L、氧化锌压敏电阻（MOV和保护用旁路断路器BREAKERBREAKERnrrxMOV8图3.2 TCSC主电路结构图第4章控制系统设计4.1控制系统总体设计原理电路图Thyristor Con trolled Series Compe nsation晶闸管控制串联电容器补偿技术，是可控串联补偿技术的实现方案之一，也是最为成熟和使用最广的可控 串联补偿实现方案。本套TCSC系统整体方案设计如图

19、4.1所示，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。控制与保护模块录播模块信号接口模块1TCSC 一次主电路图4.1 TCSC系统整体设计图功能模块说明（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装置本身及线路的运行状

20、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。（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。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。ICP通信模块二控制机箱监控计算机=>录波机箱图4.2通信系统示意图4.2信号传输通道设计信号接口模块主要完成电路

21、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所示开关量I/O 口或扩展的I/O 口图4.4输入开关量图4.5输出开关量4.3控制及数据采集设计控制采集卡硬件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

22、处理器，高速A/D转换器，ISA总线接口三个部分。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，同时并对个电流电压进行傅里转换结束信号图4.6控制采集卡硬件结构图叶分析，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。432 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 TMS320F2X系列。其主要特点如下：具有4.5K片内RAM和32K片内FLASH32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/

23、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，由控制机通过 ISA总线将个双端口 RAh中的分析结果读 到内存中。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

24、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。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。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 0 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，根据本设计需要

25、，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4.4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