张晗 线路串联电容器实现电力系统电压控制

1、辽 宁 工 业 大 学 电力系统自动化 课程设计（论文）题目： 线路串联电容器实现电力系统电压控制 (1) 院（系）： 工程技术学院 专业班级： 电气工程及其自动化11 学 号： 111902017 学生姓名： 张晗 指导教师： 苗铁壮 起止时间： 课程设计（论文）任务及评语院（系）：工程技术学院 教研室：电气教研室学 号111902017学生姓名张晗专业班级电气11课程设计题目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T1 T2电力系统图如图：1 励磁可调节发电机：PN=320MW，cosN=0.95，UN=18KV，Xd=Xq=1.6； 2 变压器T1：SN=350MVA

2、,Uk%=15,Pk=1.5MW,I0%=3.5,P0=0.7MW,变比K1=242±10×1%/18KV.3 变压器T2：SN=350MVA,Uk%=15,Pk=1.5MW,I0%=3.5,P0=0.7MW,变比K2=220±10×1%/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=150MVA. 功率因数均为0.85。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

3、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9.5KV到11.5KV之间。4 利用单片机（或PLC等）实现对串联电容器的实时控制。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

4、、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 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要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

5、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2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3 输电线路及末端负荷的参数值：42.3电压计算4第3章 采用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

6、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 绪论1.1 电力系统电压调整概况及本文电能以其高效，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）

7、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

8、广泛的应用。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。1.2 本文主要内容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，

9、是电压损耗后的分量减小，从而体高输电线路末端电压。本文以一段220kV输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，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9.5KV到11.5KV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。图2.1 系统等效电路图2.2 系统参数计算2.2.1 变压器参数变压器T1的各参数值：MVA 变压器T2

10、的各参数值：MVA2.2.2 输电线路及末端负荷的参数值：线路参数：末端最大负荷：MVA末端最小负荷：MVA2.3 各点电压值作为初步估算，先用符合功率计算变压器绕组损耗和线路损耗。MVAMVA所以，MVAMVA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3.1.1 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

11、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遍。3.1.2 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,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

12、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 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：

13、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：图3.1线路串联电容等效图未接入串联电容器补偿前有： (3-1)电路串联电容补偿后 (3-2)假如补偿前后输电线路首端电压维持不变，即 (3-3)则有 (3-4)经过整理可得到 (3-5)式（3-5）方括号内第二项数值一般很小，可以略去，则有 (3-6)如果近似认为接近线路的额定电压，则有 (3-7)公式中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： =127.67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（P、Q一定时）。低压网中，R较大，通过增大导线截

14、面来改变电阻以减少电压损耗未串联时： （3-8）串联后： （3-9）电压损耗减小了，则电压水平提高了。 （3-10）则： （3-11）若已知，且末端要提高的电压也已经给定，则： （3-12）由公式（3-12）得： 3.3 串联电容器的选择TCSC是美国EPRI建议的串联型FACTS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、提高系统的暂态稳定性。TCSC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

15、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BREAKER。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4.1.1 原理电路图Thyristor Controlled Series Compensation 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 4.1所示，其主要包括信号接口模块、控制与保护模块、滤波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滤波模块图4.

16、1 TCSC系统整体设计图4.1.2 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

17、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。4.1.3 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滤波机和监控计算机的连接。通信系统示意图如图4.2所示。监控计算机 ICP通信模块控制机箱滤波机箱图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

18、和MOV支路电流。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。I/O口或扩展的I/O口光 电隔 离开关量图4.4输入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图4.5 输出开关量4.3 控制及数据采集设计4.3.1 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

19、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。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。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图4.6控制采集卡硬件结构图4.3.2 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：l 具有4.5K片内RAM和32K片内FLASH；l 32位累加器和3

20、2位算术逻辑单位；l 16位的地址总线和16 位的数据总线；l 运算速度可达40MIPS;l 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。4.3.3 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

21、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。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。4.3.4 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

22、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，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

23、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，即在每个采样点时刻中断，然后在定时器终端服务子程序中启动A/D转换。A/D转换结束后，MAX125产生一个外部中断，DSP处理器在终端服务子程序中读取所有A/D转换通道在本次采样点时刻的采样值，并存储在