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 (4)
院（系）： 电气工程学院
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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 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
第1章 绪论 .......................................................... 1
1.1 电力系统电压调整概况及本文主要内容 ........................... 1
第2章 串联电容补偿前系统电压计算 .................................... 3
2.1 系统等值电路 ................................................. 3
2.2 系统参数计算 ................................................. 3
2.2.1 变压器参数 ............................................................................................ 3
2.2.2 输电线路及末端负荷的参数值： ........................................................ 4
2.3 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 .......................... 6
3.1 采用电力电容器的电压调整原理与特点 ........................... 6
3.1.1 电力电容器的补偿原理 ........................................................................ 6
3.1.2 电力电容器补偿的特点 ........................................................................ 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
4.1 控制系统总体设计 ............................................ 10
4.1.1 原理电路图 .......................................................................................... 10
4.1.2 功能模块说明 ...................................................................................... 10
4.1.3 通信系统设计 ...................................................................................... 11
4.2 信号传输通道设计 ............................................ 11
4.3 控制及数据采集设计 .......................................... 12
4.3.1 控制采集卡硬件结构 .......................................................................... 12
4.3.2 DSP处理器 ........................................................................................... 13
4.3.3 A/D转换器 . ........................................................................................... 13
4.3.4 ISA总线接口电路 ................................................................................ 13
4.4 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主要内容
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。
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。
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。
辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）
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。
.
.
S3.
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：
2P K 1U N 1500⨯2422331R T 1=⨯10=⨯10Ω=0. 79Ω 22S N 1350000
2U K 1U N 15⨯24221X T 1=⨯10=⨯10Ω=25. 1Ω S N 1350000
I 3. 5∆S 01=P 0+j S N =(0. 7+j 350) MVA =（0. 7+j 12. 25）MVA 100100
变压器T2的各参数值：
2P K 2U N 1500⨯2202332R T 2=⨯10=⨯10Ω=0. 59Ω 22S N 2350000
2U K 2U N 15⨯22022X T 2=⨯10=⨯10Ω=20. 7Ω S N 2350000
I 3. 5∆S 02=P 0+j S N =(0. 7+j 350) MVA =（0. 5+j 12. 25）MVA 100100
2.2.2 输电线路及末端负荷的参数值：
线路参数：
1Z L =R L +jX L =⨯(0. 07⨯200+j 0. 42⨯200) Ω=(7+j 42) Ω 2
11B L =⨯2⨯2. 8⨯10-6⨯220S =6. 16⨯10-4S 22
12∆Q B 1=∆Q B 2=-B L V N =-6. 16⨯10-4⨯2202M var =-29. 81M var 2
末端最大负荷：
S max =(250⨯cos ϕ+250⨯sin ϕ) MVA =（200+j 150）MVA
末端最小负荷：
S min =（150⨯cos ϕ+150⨯sin ϕ）MVA =(120+j 90) MVA
2.3 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。
R LT =R T 1+R L +R T 2=(0. 79+0. 59+7) Ω=8. 38Ω
X LT =X T 1+X L +R T 2=（25. 1+20. 7+42）Ω=87. 8Ω
2002+1502
∆S LT ⋅max =⨯(8. 38+j 87. 8) MVA =(10. 8+j113.4) MVA 2202
1202+902
∆S LT ⋅min =⨯(8. 38+j 87. 8) MVA =(3. 9+j 40. 8) MVA 2220
所以，
S 1⋅max =S max +∆S LT ⋅max +∆S 01+∆S 02+j ∆Q B 1+j ∆Q B 2=（212+j 228. 28）MVA
S 1⋅min =S min +∆S LT ⋅min +∆S 01+∆S 02+j ∆Q B 1+j ∆Q B 2=(125. 1+j 95. 68) MVA
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：
' U 3max =U 0-P 212⨯10. 8+228. 28⨯113. 41max R +Q 1max X =(242-) k V =116. 4k V U 0242
' U 3min =U 0-P 125. 1⨯3. 9+95. 68⨯40. 81min R +Q 1min X =(242-) k V =18. 1k V U 0242
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
‘U 199. 1U t =3min U 3N =⨯11=219. 01k V U 3min 10
规格化后，取220±0分接头，即K=220=20. 11
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：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： U A =U B +电路串联电容补偿后
U A =U BC +
PR +QX
(3-1) U B
PR +Q (X -X C )
(3-2)
U BC
假如补偿前后输电线路首端电压维持不变，即
'
U A =U A (3-3)
则有
U B +经过整理可得到 X C =
PR +Q (X -X C ) PR +QX
(3-4) =U BC +
U B U BC
U BC PR +QX PR +QX
) ] (3-5) [(U BC -U C ) +-
Q U BC U B
U BC
(U BC -U B ) (3-6) Q
式（3-5）方括号内第二项数值一般很小，可以略去，则有 X C =
如果近似认为U BC 接近线路的额定电压U N ，则有 X C =
U N
∆U (3-7) Q
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：
X C =
220
*87.05=127.67Ω 150
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
∆U =
PR +QX
（P 、Q 一定时）。 U
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
C
时：
∆U AB =串联
P A R +Q A X
（3-8）
U A
X
C
后：
∆U ' AB =
电压损耗减小了，则
P A R +Q A (X -X C )
（3-9）
U A
U
B
电压水平提高了。
∆U AB -∆U ' AB =则：
X C =若
X C Q A
（3-10） U A
U A
(∆U AB -∆U ' AB ) （3-11）
Q A
U
A
已知，且末端要提高的电压也已经给定，
则：
P A 2+Q 2A
Q C =3I X C = （3-12） .
U 2A X C
2
由公式（3-12）得：
152.282+282.42
Q C =*127.67=273.99k var
219.012
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、录播通信及监控等功能模块。
图4.1 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
4.2 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。
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
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
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。
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：
● 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。
D 0～D7共8位，双线数据线;
A0～A19共20位，地址线，只为输出信号；
IRQ3～IRQ9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
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DSP 片内RAM 区。
同时，每过半波周期，即即在每次新采样12个点以后，DSP 对所有通道的A/D采样值进行24点的离散傅里叶分析，求出基波三次五次谐波的实部与虚部，并存储于双端口RAM 中。然后由DSP 通过ISA 总线对控制工控机CPU 产生一个上升沿信号IRQX ，由控制工控机CPU 将采样数据及处理结果读到内存中。
图4.7 控制程序流程图
图4.8 控制程序流程图
第5章 课程设计总结
本文为对输电线路串联电容调压的设计，其中包括对线输电线路的电压、电流、功率分布等参数的计算。通过TCSC 对线路进行电压调节，提高电网供电质量，保证电网的供电电压。通过此次课程设计，使我对输电网参数计算以及线路串联电容的计算有了进一步的掌握，同时也对课本所学的知识有了进一步的了解。
在这次设计过程中我碰到了一系列问题，例如在选择电容器的计算上容量上，还有调压范式的选择等。虽然这个系统在理论上是完全可行的，但我认为在实际中还有待改进，例如投切电容要做好抗干扰措施。频繁的调节可能造成系统的不稳定，这些都是要注意的问题。 本次设计完全可以达到设计所要求的指标。不过还要经过实际应用才能得以进一步的改进。
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参考文献
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