线路串联电容器实现电力系统电压控制

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1、本科生课程设计（论文） ； 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 (3) 院（系）： 电气工程学院 专业班级： 电气111 学 号： 学生姓名： 指导教师： 李宝国 起止时间：2014.12.01 12.12 本科生课程设计（论文） I 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 电气111 课程设计 题目 线路串联电容器实现电力系统电压控制(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：P N=280MW，cos N=0.9，U N=10KV，

2、Xd=Xq=1.55； 2 变压器 T1：S N=350MVA,Uk%=15,Pk=1.5MW,I0%=4,P0=0.8MW,变比 K1=242101%/10KV. 3 变压器 T2：S N=350MVA,Uk%=15,Pk=1.5MW,I0%=4,P0=0.8MW,变比 K2=220101%/11KV. 4 每回线路:L=200KM,X 1=0.42/KM, R=0.07/KM, b 1=2.810-6S/KM. 5 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： 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

3、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。 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

4、）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） 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） II 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） III 摘 要 电 力 系 统 运 行 调 整 的 基 本 任 务 之 一 就 是 调 整 电 压 尽 量 减 小 与 额 定 电 压 的 偏 移 值 。 而 电 压 水 平 在 全 电 力 系 统 中 的 各 点 不 同 ， 并 且 电 压 控 制 可 分 散 进 行 ，

5、 所 以 为 了 使 所 有 用 户 处 的 电 压 质 量 都 符 合 要 求 ， 需 采 取 必 要 的 调 压 控 制 手 段 。 此 次 采 用 的 方 法 为 串 联 电 容 器 控 制 电 压 ， 通 过 电 容 器 的 容 抗 补 偿 输 电 线 路 的 感 抗 ， 起 到 调 整 输 电 线 路 末 端 的 电 压 的 作 用 。 针 对 此 电 力 系 统 ， 进 行 等 值 电 路 与 参 数 计 算 并 根 据 电 压 调 整 的 要 求 计 算 串 联 电 容 器 的 电 容 值 。 并 通 过 单 片 机 实 现 对 电 力 系 统 的 实 时 控 制 。 串 联 电

6、 容 器 补 偿 调 压 的 显 著 优 点 即 串 联 电 容 器 调 压 方 式 与 调 压 要 求 恰 好 一 致 。 关键词：电力系统；电压控制；串联电容 本科生课程设计（论文） IV 目 录 第 1 章 绪论 .1 1.1 电力系统电压调整的意义 .1 1.2 本文主要内容 .2 第 2 章 补偿前系统电压计算 .3 2.1 系统等值电路及参数计算 .3 2.2 系统电压计算 .5 第 3 章 采用电力电容器并联补偿的电压调整计算 .6 3.1 采用电力电容器的电压调整原理与方法 .6 3.2 串联补偿容量的计算 .6 3.3 串联电容器的选择 .8 第 4 章 控制系统设计 .10

7、 4.1 输入通道设计 .10 4.2 输出通道设计 .12 4.3 最小系统设计 .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 1.1 电力系统电压调整的意义 电力系统电压控制的意义：电力系统的电压和频率都是电能质量的重要指标， 用电设备只有在额定电压下运行才能取得最佳的工作效率。 当电压偏离额定值较大时，会对负荷的运行带来不良影响，影响产品的质量 和产量，损坏设备，甚至引起电力系统的电力崩溃，造成大面积停电。 A:对发电机和变压器的影响：电力系统电压降低时，为了维持恒定功率，发 电机的定子电流增大。为了使发电机定子绕组不致过热，不

8、得不减少发电机所发 的有功功率。类似的，电力系统电压降低后，也不得不变压器所带动的有功负荷。 B：对电动机的影响：电压降低，异步电动机的转差率将增大。因而，电动 机各绕组中的电流也将增大，温度将增加，效率将降低，寿命会缩短。转差增大 转速下降输出功率减小影响锅炉。汽轮机的工作最终影响发电厂所发出 的功率。 电压降低电动机启动过程增加，可能在启动过程中因温度过高而烧毁。电 压偏离将加速设备绝缘老化，影响电动机寿命。 C：对电热设备的影响：电炉等电热设备的发热量与电压平方成正比，电压 降低将大大降低发热量，使效率降低。照明负荷，对电压变化反应灵敏。电压过 高，白炽灯的寿命将大为缩短，电压过低，亮度

9、和发光效率要大幅度下降。 D：损耗和绝缘：电压降低时，会使电网中有功功率和无功功率增加，过低 还会危及电力系统运行的稳定性。而电压过高，各种电气设备的绝缘会受到损坏， 在超高压输电线路中还将增加电晕损耗。 因此，无论是作为负荷用电设备还是电力系统本身，都需要能在一定的额定 电压水平下正常工作。所以电力系统的电压调整就尤为必要了。在电力系统中， 电压控制的手段主要有：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，利用串联电容器控制电压等。 本科生课程设计（论文） 2 1.2 本文主要内容 本文主要论述通过线路串联电容器来实现电力系统的电压控制。在输电线路 中串联接入电容器，利用

10、电容器的容抗补偿输电线路中的感抗，使电压损耗分量 减小，从而提高输电线路末端的电压。根据任务书所给的电力系统，分三大部分。 第一，分别计算发电机，变压器及线路的参数，并画出系统的等值电路图。 计算各点电压。 第二采用线路串联电容器的调压方法。确定选择电容器的种类与容量，计算 电容值，完成电压调整要求。 第三部分，利用简单 AT89C51 单片机实现串联电容器的实时控制。 本科生课程设计（论文） 3 第 2 章 补偿前系统电压计算 2.1 系统等值电路及参数计算 变压器 T1 的各参数值：根据已知条件可以确定 =1.5 ， =242V, =3501PkMWUnS ，所以有：MWA 79.0135

11、02413211NKTSUPR.50X MVAjVAjSIjPSN ）（ 148.0)31048.(1001 因此变压器 T1 的等值电路可以化简如图 2.1.1： 图 2.1.1 变压器 1 等值电路图 变压器 T2 的各参数值：可以确定 Pk2=1.5 ， =242V, =350 ，所以MWUnSMWA 59.035021322NKTSUPR7.20X VAVAjIjPN ）（ j148.0)1048.(102 因此变压器 T2 的等值电路可以化简如图 2.1.2 Zt Yt 本科生课程设计（论文） 4 图 2.1.2 变压器 2 的等值电路 线路参数： )47()04.207.(1 jj

12、jXRZLL SSB4616.8.221 var81.29-var20.14221 MVBQNL 线路的等值电路可以化简如图 2.1.3： 图 2.1.3 线路等值电路 末端最大负荷： MVAVAS ）（ 150j2)sin250cos250(max 末端最小负荷： j)9(i1in ）（ Z 1/2B 1/2B Zt Yt 本科生课程设计（论文） 5 2.2 系统电压计算 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。 38.)759.0.(21TLTLRR421）（XMVAMVAjSLT )j1.4.0().83.(205max j 8.j9.3.7.91in 所以， VAQjS

13、SS BLT ）（ 2.j1j21021maxaxm1 M)6895(inini 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： VUXQRPU k4.16)24.3.8.1024(0max1ax10max3 V.k).6.953.ininin 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 VUNt k01.210.93min 规格化后，取 220 分接头，即 K=220/11=20 图 2.2 系统等值电路图 Xs ZT1 Zl ZT2 Xs 1/2BLj 1/2BLj 本科生课程设计（论文） 6 第 3 章 采用电力电容器并联补偿的电压调整计算 3

14、.1 采用电力电容器的电压调整原理与方法 串联电容器调压的特点： 调压效果随无功负荷 Q 变化而改变：调压效果随无功负荷 Q 变化而改变： (1)无功负荷大时，末端电压严重下降，其作用也大。 (2)无功负荷小时，末端电压轻微下降，其作用也小。 (3)串联电容器调压方式与调压要求恰好一致，这是串联电容器补偿调压的 一个显著优点。 补偿度：补偿的容抗值和被补偿输电线路原有感抗值之比。在输电线路中， 其补偿度常常小于 0.8，国内一般在 0.4 到 0.6 之间。配电线路中的补偿度较大。 对于超高压输电线，串联电容补偿主要用于提高输电线路的输电容量和提高 电力系统运行的稳定性。 与并联补偿比较，串联

15、补偿直接减少输电线路的电压损耗以提高输电线路末 端电压的水平。并联补偿通过减少输电线路无功功率而减小电压损耗以提高线路 末端的电压水平，效果不如前者。 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 XR， PR/U 在 电

16、 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 ： UnXc 本科生课程设计（论文） 7 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) VUXQPRUBCBCA 11042.410)( ）（ 假如补偿前后输

17、电线路首端电压维持不变，即 (3-3)A 则 有 (3-4)()CBBCBPRQXPRXUU 经过整理可得到 (3-5)()()BCCBCBQ 式（3-5 ）方括号内第二项数值一般很小，可以略去，则有 (3-6)()BCCBUX 如果近似认为 接近线路的额定电压 ，则有 BCN (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。U 有 公 式 （ 3-7） 得 ： 127.6720*8.51CX P+ jQ -jXc U2U1 R +jX Qnc VXPRBA 1502.4 本科生课程设计（论文） 8 PRQXU 高 压 网 中 XR,用 串 联 电 容 器 的 方

18、 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 面 来 改 变 电 阻 以 减 少 电 压 损 耗 未 串 联 X 时 ： （ 3-8）ABPRQXU 串 联 X 后 ： （ 3-9） ()ACB 电 压 损 耗 减 小 了 ， 则 电 压 水 平 提 高 了 。U （ 3-10）CAABXQU 则 ： （ 3-11）()ACBA 若 已 知 ， 且 末 端 要 提 高 的 电 压 也 已 经 给 定 ，AU 则 ： 223.ACCPQQIXU （ 3-12） 由 公 式 （ 3-12）

19、 得 3.3 串联电容器的选择 在实际的电网运行中应尽可能增大电网输送能力的同时还必须保持系统的安 全稳定运行。普通串联电容设备可以在改善电力系统运行条件，提高电力系统稳 定性，增强电网 输电能力上气道一定能力，但几乎都采用机械 性控制方式，在 2215.8.4*17.63.9var90CQk 本科生课程设计（论文） 9 实际应用中有很大的局限，控制速度慢，不能在短时间内频繁操作，装置老化快， 寿命短等问题都制约了潮流控制的灵活性和系统稳定性的提高，难以充分利用电 力设备的输电能力。 为了解决以上问题，拟采用可控串联补偿电容器 TCSC，可控串联补偿器是 柔性交流输电系统的重要组成部分，在交流

20、输电系统中利用串联电容器的荣性阻 抗补偿输电线部分的感性阻抗，可以缩短输电线路的等效电气距离，减小功率输 送引起的电压降和功角差，从而提高输电线路输送能力和系统稳定性，同时增加 线路输送容量，提升电网输送能力，在不改变原有输电网结构基础的前提下，利 用 TCSC 装置是一种较为有效的方法。 TCSC 的基本结构如图，由固定的串补电容，并联一个有晶闸管的电抗器， 金属氧化物压敏电阻，晶闸管阀及旁路开关等元件组成。 TCSC 具有以下优点： 1.快速连续的调节输电线路串联补偿度。 2.动态控制输电线路潮流，优化电网潮流分布和减少网损； 3.通过控制线路潮流，阻尼功率震荡 4.能提高线路串联补偿度并

21、抑制 SSR 5.能提高电力系统的静态和暂态稳定性。 6.有助于调节母线电压，缓解电压不稳定问题。 7 当线路的输送功率相同时，即使串联电容器每千乏的成本由于其较高的运 行 电压时并联电容器的两倍，串联电容器补偿的总体成本要比并联补偿低一 些。 图 3.3.1 TCSC 原理图 Cic B BR it L MOVimo v 本科生课程设计（论文） 10 第 4 章 控制系统设计 4.1 输入通道设计 本次的输入电路结构主要采取典型的模拟量输入电路，其基本结构包括电压 形成回路，低通滤波回路，采样保持，多路转换开关 A/D 变换芯片五部分组成。 电压形成回路：RTU 要从电流互感器和电压互感器取

22、得信息，但这些互感器的二 次侧电流或电压不能适应模拟量与数字量的输入范围的要求，所以应该对他们进 行相关的变换。典型电压电路变换原理如图所示。 图 4.1.1 输入通道设计 电压变换器将由电压互感器二次侧引来的电压进一步降低。与此同时，电流 互感器将电流互感器二次侧引来的电流变成电压信号，并且可以进一步降低电压， 可以通过改变电压互感器，电流互感器的变比改变输入信号的电压。 电压形成回路除了起到电量变换的作用外，还有一个作用就是将一次设备的 电流互感器，与电压互感器的二次回路与微机转换系统 完全隔离提高抗干扰的 能力。 为了使信号被采样后不失真，需要在采样前用一个模拟低通滤波器将高频分 量滤去

23、。根据采样定理，电力系统在故障的暂态期间，电压和电流含有较高的频 率成分，为了使高次谐波成分不失真，就要提高硬件的速度及采样率。但事实上 大多数的模拟量输入回路都在采集之前将最高的信号频率分量限制在一定频带以 内，即限制最高频率，降低采样频率。 本科生课程设计（论文） 11 图 4.1.2 模拟量输入电压变换典型原理图 采样保持电路的作用是在一个极短的时间内测量模拟输入量在该时刻的瞬时 值，并在模拟与数字转化的器件保持其输出不变。S/H 电路可以方便的对多个模 拟量实现同时采样。 为了反映两个量以上的继电保护装置，都要求对各个模拟量同时采样，准确 的获得各个量之间的相位关系。所以应该对每个模拟

24、输入量设置一套电压形成， 抗混叠低通滤波和采样保持电路。多路转换开关是一种受 CPU 控制的高速电子 切换开关。在一般应用中，不论哪种电路构成的模拟电子开关，一般分为电压开 关和电流开关两种，电流开关比电压开关的工作速度要高的多。 模/数转换器是实现计算机控制的关键技术，是将模拟量转换为计算机能够识 别的数字量的桥梁。由于计算机只能对数字量进行运算。电力系统中的电流，电 业信号均为模拟量，所以用模数转换器将连续的模拟量转变成离散的数字量就显 得很必要了。目前模数转换芯片的种类很多，有的是电流输出的，也有的是正极 性参考电压的，以适应各种不同场合的需要。 TV u(t) R1 R2 C1 C2

25、V1 U V2 本科生课程设计（论文） 12 4.2 输出通道设计 模拟量输出电路的作用是把微型机系统输出的数字量转换成模拟量输出，这 任务主要由数模转换器来完成，其作用是将二进制的数字量转换为相应的模拟量。 如图所示，由于转换器需要一定的转换时间，在转换期间，输入待转换的数字量 应该保持不变，而微型机在数据总线上稳定的时间很短，因此该转换器必须用锁 存器来保持数字量的稳定，经过转换器得到的模拟信号，一般要经过低通滤波器， 时器输出波形平滑，同时为了能驱动受控设备，可用、功率放大器作为模拟量输 出的驱动电路。 数模转换器的作用是将数字量经解码电路变成模拟电压或电流输出，数字量 是用代码按数位的

26、权组合起来表示的，每一位代码都代表一个具体的数值。因此， 为了将数字量转换为模拟量，必须将每一位的代码按其权的值转换成相应的模拟 量，然后将代表各位的模拟量相加，就能得到与被转换数字量相关的模拟量，完 成数模转换。 数模转换电路通常集中在一块芯片上，所以集成电阻值要制作的相当精确， 因而数模转换器的精确度主要取决于参考电压或者基准电压的精确度和纹波情况， 当然，也与电路的线路布置有关，所以可以在芯片的内部设一个经过温度补偿的 齐纳二极管稳压回路，将外加给芯片的电源电压经过进一步的稳压提供给电阻电 压，可以提高其精确度。 图 4.2 模拟量输出通道结构框图 本科生课程设计（论文） 13 4.3

27、最小系统设计 与 51 系列其他型号相比，89C51 具有一定的优势它是面向控制的 8 位 CPU 由 中央处理器，片内数据存储器，片内程序存储器，输入输出接口，可编程串行口， 定时/计数器，中断系统及特殊功能寄存器组成，根据任务书的要求，选择 89C51 为 CPU.89C51 在我国应用最为广泛。 单片机的复位是靠外部复位电路来实现的，在时钟电路之后，只要单片机的 RESET 引脚上出现 24 个时钟振荡脉冲(两个机器周期)以上的高电平，单片机就能 实现复位。为了保证系统可靠复位。在设计复位电路时，一般使 RESET 引脚保持 10ms 以上的高电平，单片机就可以可靠地复位。当 RESET

28、 从高电平变为低电平以 后，单片机从 0000H 地址开始执行程序。在复位有效期间，ALE 和 PSEN 引脚输出 高电平。 图 4.3.1 复位电路 时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号。89C51 单片机内部有一个高 增益反向放大器（及与非门的一个输入端编程为常有效时），用于构成片内振荡 器，引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是此放大器的输入端和输出端。在 XTAL1 和 XTAL2 两端跨接晶体或陶瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送 入内部时钟发生器，如图 2.5 所示。 外接晶振时，C1 和 C2 值通常选择为 30pF 左右；外接陶瓷谐振器时，C1 和 C

29、2 可稳定频率并对振荡频率有微调作用，振荡 频率范围是 0 到 24MHz。为了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定可靠的工作， 谐振器和电容应尽可能安装的与单片机芯片可靠。 内部时钟发生器实质上是一 个二分频的触发器，其输出是单片机工作所需的时钟信号。 本科生课程设计（论文） 14 图 4.3.2 时钟电路 因此，单片机最小系统如图所示; 图 4.3.3 单片机最小系统 P0.0 39P0.1 38 P0.2 37P0.3 36 P0.4 35P0.5 34 P0.6 33P0.7 32 P2.0 21P2.1 22 P2.2 23P2.3 24 P2.4 25P2.5 26 P2.6 27P

30、2.7 28 P3.0 10P3.1 11 P3.2 12P3.3 13 P3.4 14P3.5 15 P3.6 16P3.7 17 XTAL119 XTAL218 RESET9 RSEN29 ALE/PROG30 EA31 P1.01 P1.12 P1.23 P1.34 P1.45 P1.56 P1.67 P1.78 VCC40 U1 AT89C51 C1 CAP C2 CAP Y1CRYSTAL . . . . . C422uf R4 200 R5 1K SW10 位位 . . . C1 CAP C2 CAP Y1 CRYSTAL XTAL2 XTAL1 . . . . 本科生课程设计（论

31、文） 15 第 5 章 课程设计总结 本文主要讨论线路串联电容器实现电力系统电压调整。主要分三大部分进行 讨论。第一部分为对给定的电力系统做出相关的变压器及线路的电压电流及功率 参数计算，最后画出电力系统等值网络。通过串联电容器对线路进行电压调节， 保证电网供电电压质量，包括串联电容器的参数计算及串联电容器的选择，这次 串联电容器主要采用可控串联补偿器 TCSC，并通过单片机实现对其的控制。最 后一部分为软件设计环节，主要是设计控制系统，包括输入通道设计，输出通道 设计及最小系统的设计。通过控制系统的设计实现对串联电容器的实时控制以调 节系统的电压。此次设计基本上完成了指导书的内容，但有些部分

32、，比如软件设 计环节还需加强和完善。 在设计过程中遇到了一些问题，如参数计算和电容器选择的问题上，软件系 统的设计上，但是同时也让我对电力系统分析，电力系统自动化还有单片机技术 等科目有了新的理解与认识，通过复习这些，我更明确了知识上的短板，希望在 以后的学习上不断的改进。 本科生课程设计（论文） 16 参考文献 1 商国才.电力系统自动化.天津大学出版社，2000 2 王葵等.电力系统自动化中国电力出版社，2007.1 3 何仰赞等 .电力系统分析.华中科技大学出版社，2002.3 4 于海生.微型计算机控制技术.清华大学出版社，2003.4 5 王士政.电网调度自动化与配网自动化技术.中国水利水电出版社，2007.3 6 梅丽凤等 .单片机原理及接口技术.清华大学出版社，2009.7 7 杨奇逊，黄少锋 .微型机继电保护基础.中国电力出版社，2013.3