利用调相机实现电力系统电压调整(1)

辽宁工业大学

电力系统自动化课程设计（论文）题目：利用调相机实现电力系统电压调整（1）

院（系）：电气工程学院

专业班级：电气

学号： 1103

学生姓名：

指导教师：（签字）

起止时间：2013.12.26—2014.01.11

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

学 号

学生姓名 专业班级

课程设计题目

利用调相机实现电力系统电压调整（1）

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 =300MW ，cos φN =0.8，U N =10.5KV ，Xd=Xq=1.7； 2． 变压器T1：S N =300MV A,Uk%=12,Pk=1.5MW,I 0%=3,P 0=0.8MW,变比K 1=242±8

×1.25%/10.5KV .

3． 变压器T2：S N =300MV A,Uk%=15,Pk=1.5MW,I 0%=3,P 0=0.8MW,变比K 2=220±8

×1.25%/11KV .

4． 每回线路:L=250KM,X 1=0.42Ω/KM, R=0.07Ω/KM, b 1=2.8×10-6S/KM. 5． 末端最大负荷: S=250MV A.最小负荷: S=120MV A. 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 采用在负荷端安装调相机的方法，确定调相机的容量和型号，使发电厂220KV 母线电压不超过240KV ，变电所10KV 母线电压在9.6KV 到10.8KV 之间。 5 利用单片机（或PLC 等）实现对调相机励磁的实时控制。

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、采用负荷端安装调相机的调压方法，选择调相机，完成电压调整要求。（2天）

5、利用单片机（或PLC 等）实现对调相机的实时控制。（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

T 1 T 2

摘要

我国电力系统的整体现状比较好，但电力需求也越来越大，随着我国电力系统的逐步发展，规模的日益扩大和网络的复杂性对我国的电力系统建设和控制提出了更为严格的要求，电源建设的告诉发展是其中一个方面，更为重要的是，用户对电压质量要求的提高等因素也要求对现有的电力系统进行改进和完善。

对于电力系统自动化电压的调整，采用调相机的调整电压的方法，进行了调压原理的学习，系统等值电路的计算，同时对于系统各个节点的电压进行计算，还进行CPU控制的研究，然后确定调相机型号，能够实时的进行控制，然后进结果分析，确定调相机能够满足电力系统要求。

利用调相机进行电压的调整可以进行实时的控制，因此可以根据具体负荷的大小进行适当的补偿，其在投入电力系统后，有时可以在极端情况下对电力网进行无功功率的补偿。可以为电力系统的功率的最优传输进行适当的调整。而且利用单片机控制，可以根据实际的情况可以很方便的进行控制的修改。次调相机在系统进行补偿后可以很好满足了负荷端对电压的要求。

关键词：调相机；电压；无功功率；调整；CPU

目录

第1章绪论 (1)

1.1电力系统电压调整概况 (1)

1.2本文主要内容 (1)

第2章安装调相机补偿前系统电压计算 (2)

2.1等值电路 (2)

2.2参数计算 (2)

2.3电压计算 (3)

第3章安装调相机补偿后的电压计算 (6)

3.1安装调相机的电压调整原理与方法 (6)

3.2补偿容量的计算 (6)

3.3调相机的选择 (10)

第4章控制系统设计 (11)

4.1输入通道设计 (11)

4.2输出通道设计 (11)

4.3最小系统设计 (12)

4.4软件设计 (13)

第5章课程设计总结 (16)

参考文献 (17)

绪论

电力系统电压调整概况

电压调整是电力系统调节的一个重要组成部分。无功功率是电力系统中的一个重要的概念。有网络结构与参数确定的情况下，电压损耗与输送的无功功率有关，如果输送无功功率过多，则线路电压损耗可能超过最大允许值，从而引起用户端电压偏低。无功功率在电力系统运行中的冗余或者缺乏都对电力系统有极大的影响，甚至造成电力系统电压的崩溃。所以，无功功率平衡对系统电压质量的重要保证。电力系统的无功功率的调节是电压调整的一个非常重要的方面。其中无功功率电源有同步发电机，同步调相机及同步电动机，并联电容器，精致武功功率补偿器等。随着电力电子器件的发展人们能够用于调节电压的方法越来越多，从而系统能够运行的可靠性更高、实用性更好。

本文主要内容

电力系统电压调整方式有很多种。比如，调整发电机、调相机、并联电容器、并联电抗器等设备。本文主要对于调相机的研究，其中要进行电力系统等值电路的计算以及电力系统各个元件的参数进行计算，采用符合端装设调相机，根据系统负荷的参数情况来确定调相机的型号和容量。同时进行CPU的控制从而实现系统输入通道设计、输出通道设计以及最小系统结构图的设计。通过实践验证系统并顺利通过后，进行系统比较进行分析，最后确定自己的所选设备是否满足标准。

安装调相机补偿前系统电压计算

等值电路

根据题目所给的电力系统图，可以得到等值电路图（图2.1）。

图2.1 电力系统等值电路图

参数计算

对于发电机：

其他元件的参数，对于变压器归算到高压侧： 对于变压器1T ：

S V S I B S V P G S V V X S V P R N

N T N

T N N X T N N K T 4

220152

20122

122

2

211054.12421003003100%1037.12428

.042.23300

10024212100%97.03002425.1--?=??==?===Ω=??==Ω=?==Ω

=?==6.03005.107.15.102

G

N X KV

U

对于变压器2T ：

对于输电线路：

电压计算

根据所学的知识采用最好的方法是潮流法，从末端的功率推算到起始端的的功率，在利用起始端的已知电压再潮流到各个节点的电压。

由于我们只知道末端负荷的最大最小功率因此我们采用其的平均功率为此次潮流计算的末端功率输送。负荷的功率因数为0.85，所以

两台变压器运行时，它们的励磁功率为：

由于线路电压未知，可以用线路的额点电压计算线路产生的充电功率，并将其分成两个部分，变得

S V S I B S V P G S V V X S V P R N N T N T N

N X

T N

N K T 4

22025

220222

22

22

2

21086.12201003003100%1065.12208.036.19300

10022012100%81.03002205.1--?=??==?===Ω=??==Ω

=?==S L b B RL R L X X l l l 3611

104.1250108.22275.807.02502

1215.5242.02502

121--?=???=?=Ω=??==Ω

=??==MVA

j Q j P S MVA j Q j P S T T T T T T )5.138.0()5.138.0(2211+=?+?=?+=?+?=?66

.402201068.12

121232j j V jB Q N l B -=???-=-=?-45.9725.1572

max

min j S S S AV +=+=

69

.1315.21285.0125085.025021.6310285.0112085.01202max 2min

j j S j j S +=-?+?=+=-?+?=

末端的功率传送到节点4的变压器损耗

节点4的总负荷

线路的损耗

得到节点3的功率

节点3到节点2的变压器损耗

同样变压器1的励磁功率也看做节点2的负荷功率，节点2的功率

由于发电机的电压额定，发电机出口的电压为10.5KV ，所以节点2的电压 从节点2到节点3的传输功率

根据电压降落的公式

得

变压器的功率损耗

A MV A MV j S T ?=?++=?j3.16)+ 0.18()13.1636.0(220

45.9725.1572

2

2245.7323.15866.4045.9725.1575.138.016.318.0424j S

j j j j Q S S S S

B AV T T +=-+++++=?++?+?=j5.85+ 4.52)5.5275.8(220

45.7323.1582

2

2=++=?j S l 64.3875.16285.552.445.7323.15866.4043j j j j S S Q S l B +=++++-=?++?=A MV A MV j S T ?=?++=?j0.60)+0.44()36.1981.0(22064.3875.1622

22174.5299.1635.138.064.3875.16260.044.0312j j j j S S S S T T +=+++++=?++?=KV

K U

U N 242242

5.105

.101

2===24.3919.1635.138.074.5299.163223j j j S S S T +=--+=?-=2121121

1111111)()(V V V V V R

Q X P V V X

Q R P V δδ+?-=-=

+=

?KV

U U U U KV

U KV

U 66.238)()(88.12242

81.024.3936.1919.16369.3242

36

.1924.3981.019.163223223232323=+?-==?-?==?+?=?δδ

节点3线路充电功率

节点3到节点4的传输功率

可节点4的电压

线路的功率损耗

节点4的线路等效的充电功率 则由节点4流到节点5的功率

此时变压器的损耗

损耗后的电压

则末端电压 85

.4766.2381068.121231j j Q B -=???-=?-51.037.0)36.1981.0(24224.3919.1632

2223j j S +=++=?58.8682.16285.4751.037.024.3919.1631232334j j j j Q S S S B +=+--+=?-?-=KV U U U U KV

U

KV

U 239)()(46..3466

.23875.824.395.5219.16361.1466

.2385

.5224.3975.819.1632

23223243434=+?-==?-?==?+?=?δδ10.2635.4)5.5275.8(66.23824.3919.1632

2234j j S +=++=?16

.702391068.121

232j j Q B -=???-=?-3.8384.15816.705.138.010.2635.424.3919.163452343445j S j j j j Q S S S S B T +=+----+=?-?-?-=35.236.0)36.1981.0(2393.8384.1582

2245j j S +=++=?KV V V V U KV

U KV

U 3.173)()(58.12239

81

.03.8336.1984.15829.723936

.193.8381.084.1582121154545=+?-==?-?==?+?=?δδKV KV K U U MD 53.911

/2203.17325===

安装调相机补偿后的电压计算

安装调相机的电压调整原理与方法

调相机是特殊运行状态下的同步电动机，可视为不带有功负荷的同步发电机或者是不带机械负荷的同步电动机。当过激运行时，它向电力系统提供感性无功功率；欠激运行时，从电力系统中吸收感性无功功率。因此，改变同步调相机的励磁，可以平滑地改变它的无功功率的大小及方向，从而平滑地调节所在地区的电压。同步调相机在运行时要产生用功功率损耗，一般在满负荷运行时，有功功率损耗为额定容量的 1.5%~5%，容量越小，有功损耗所占的比重越大。在轻负荷运行时，有功功率损耗也要增大，同步调相机的电压调节效应一般为正值，即它所输出的无功功率随其端电压的下降而增加，这是其独特的地方。

补偿容量的计算

调相机的补偿容量是根据具体的负荷功率来进行判断。无功功率的产生基本上不消耗能源，但是无功功率沿电力网传送却要引起有功功率损耗和电压损耗。合理的配置无功功率补偿容量，以改变电力网的无功功率潮流分布，可以减少网络中的有功功率损耗和电压损耗，从而改善用户处的电压质量。

由于线路的特点是否忽略变压器的励磁支路,有序变压器的励磁功率对于整个计算系统来书非常小，因此可以忽略这个励磁损耗，这样可以是的计算过程变得简单同时还能够对于数据的计算不会造成很大的误差。我们假设发电机的端电压为额定电压10.5KV 。同时得到电力系统等值电路图（图3.2）。

所以节点1的电压KV U 2421 。

图3.1 电力系统等值电路图

应用首端功率计算网络的电压损耗。为此，先按额定电压计算输电系统的功率损耗：

线路两侧的等效充电功率

最大最小功率负荷分别为： 最大负荷时首端的功率输出

最小负荷时首端的功率输出

最小功率时利用首端功率算出末端负荷的电压：

66.402201068.12123j j Q B

-=???-=?-37.1845.29782.94153max min j S j S +=+=82.4091.0)13.1636.0(22037.1845.2972

22max 43j j S +=++=?53

.18441.29866.4082.4091.037.1845.297max 43max max 3j j j j Q S S S B +=-+++=?+?+=23.16071.26)635.10(22053.18441.2982

22max 32j j S +=++=?1.30412.32566.4023.16071.2653.18441.298max 32max 3max 2j j j j Q S S S B +=-+++=?+?+=96.6376.1)62.1543.0(220

1.3041

2.32522

2max 21j j S +=++=?06.36888.3261.30412.32596.6376.1max 2max 21max 1j j j S S S +=+++=+?=72

.6951.15936.6025.15936.926.036.926.0)62.1543.0(22036.6025.15936.6025.15966.4006.3601.696.6424.15306.3601.6)635.10(220

96.6424.15396

.6424.15366.408.1024.082.941538.1024.0)13.1636.0(220

82.94153min 2min 21min 12

2

2min 21min 32min 3min 222

2min 32min 43min min 3222min 43j j j S S S j j S j j j j Q S S S j j S j j j j Q S S S j j S B B +=+++=+?=+=++=?+=-+++=?+?+=+=++=?+=-+++=?+?+=+=++=?KV

V V V U KV

U KV

U 43.237)()(17.10242

43.072.6962.1551.15978.4242

62

.1572.6943.051.15921211min 2min

12min 12=+?-==?-?==?+?=

?δδ

此处线路的充电功率

节点3的线路充电功率

最大功率时利用首端功率算出末端负荷的电压：

35

.4743.2371068.12

1

23min 1j j Q B -=???-=?-08.822.0)62.1543.0(24272.6951.1592

22min 12j j S +=++=?99.10829.15935.4708.822.072.6951.159min 23min 1min 12min 1min 23j S j j j Q S S S B +=+--+=?-?-=KV

U U U U

KV

U KV

U 92.204)()(45.3743.2375.1099.1086329.15996.3543

.23763

99.1085.1029.1592min 232min 23min 2min 3min

23min 23=+?-==?-?==?+?=?δδ27.3592.2041068.12

123min

2j j Q B -=???-=?-63

.4194.6)635.10(43.23799.10829.1592

2

2min 23j j S +=++=?64

.10235.15227.3563.4194.699.10829.159min 34min 2min 23min 23min 34j S j j j Q S S S B +=+--+=?-?-=96

.1229.0)13.1636.0(92.20464.10235.1522

22min 34j j S +=++=?KV

U U U U KV U KV

U 93.196)()(81.1192

.20436

.064.10213.1635.15235.892

.20413.1664.10236.035.1522min

342min

34min

3min

4min

34min 34=+?-==?-?==?+?=?δδKV V V V U KV U KV

U 62.218)()(44.20242

43.006.36862.1588.32634.2424262.1506.36843.088.32621211max 2max 12max 12=+?-==?-?==?+?=?δδ

63

.6478.1)62.1543.0(06.36888.3262

2

2max 12j j S +=++=?67

.9107.15253.1228.02.10435.152min 34min 34min 4j j j S S S +=--+=?-=

节点2的充电线路充电功率

节点3的线路充电功率

确定补偿的容量：

KV V c 8.10min 2=

根据题目要求需要确定变电所的电压为KV V N 2.102=。 按最小负荷时无补偿确定变压器的分接头电压

最近的抽头为198KV ，由此可得变压器变比

求补偿容量

15

.4062.2181068.12

1

23max 1j j Q B -=???-=?-58

.3431.32515.4063.6478.106.36888.326max 23max 1max 12max 1max 23j S j j j Q S S S B +=+--+=?-?-=KV

U U U U KV

U KV

U 51.129)()(18.7762.2185.1058.343631.32562.11462

.21863

58.3435.101.3252

max 232max 23max 2max 3max 23max 23=+?-==?-?==?+?=

?δδ92.29415.49)635.10(62

.21858.3431.3252

2

2max 23j j S +=++=?09

.1451.1291068.12

1

23max 2j j Q B -=???-=?-75

.6295.27509.1492.29415.4958.3431.325max

34max 2max 23max 23max 34j S j j j Q S S S B +=+--+=?-?-=KV U U U U KV U KV U 67.125)()(19.3451.12936.075.6213.1695.27558.851

.12913.1675.6236.095.2752

max 342max 34max 3max 4max

34max 34=+?-==?-?==?+?=?δδ02.7772.1)13.1636.0(51

.12975.6295.2752

22max 34j j S +=++=?27.1423.27402.7772.175.6295.275max 34max 34max 4j j j S S S

-=--+=?-=KV

KV V U

V V c N t 99.1858.1093.1962.10min 2min 42=?==1811

198==k 75

.9413.166362.15=++=X KV V c 6.9max 2=

所以我们去补偿容量var 86M 。

调相机的选择

调相机容量的选择

确定变压器的变比：

当α分别去0.5和0.65是，可算出变比k 分别为16.78和16.49，选取最接近的标准分接头变比k=18。

确定调相机的容量

选取最接近标准容量的同步调相机，同时考虑到变压其变比的片偏差太大，在逐步的计算中，我们采用调相机的补偿容量要大些，因此采用调相机的额定容量要适当大写为var 110M

最大负荷时调相机按额定容量过励磁运行var 110M Q C =，最小负荷是调相机按50%额定容量欠励磁运行var 44M Q C -=

补偿后在最大最小负荷时运行时负荷段的等效负荷分别为

在利用此时负荷段的功率利用首端电压恒定和潮流的算法分别求的在最大最小负荷是的末端电压为

其满足我们的控制要求。因此采用调相机的容量为var 110M 。

var 95.8518)18

67.1256.9(75.946.9)(2

2max 4max

2max 2M k k V V X V Q c c C =-=-=2

22min 22max 2min 4min 2max 4max 28.106.993.1968.1067.1256.9+??+??=

++=ααααc c c c V V U V U V k var

95.8518)1867.1256.9(75.946.9)(22max 4max 2max 2M k k V V X V Q c c C =-=-=82.1381534482.9415337.745.29710037.1845.297'min 'max j j j S j j j S +=++=+=-+=KV U KV U 84.964.9'max 'min ==

控制系统设计

输入通道设计

输入通道是利用测量负荷端的电压，利用符合端电压做输入信号对调相机的励磁进行调整。电压测量时将负荷端三相电压降压、整流、滤波后转换成一较小波纹的直流电压。如图，图中三相电压有段子1,、2和3输入，两个单相变压器T1和T2结成“V ”，做三相电压降压和隔离只用。降压后的三相电压分别经R1、R2、R3三个相位平衡调节电位器，送至三相桥式整流器整流成直流电压，再经RC 滤波后，得到正比于负荷端的直流电压信号se U 。可得电路图（图4.1）。

电位器R1、R2、R3主要用于相位平衡调整，通过改变其大小，使进入三相整流桥的三相电压趋于对称，从而使整流后的直流电压对称，减少波纹，有利于滤波和减少时延。同时这些电位器对电压调整范围的上下限及电压偏差检测器的增益均有影响，因此，调定后不应随意再做改变。根据所测电压的大小经过A/D 转换器将电压的信号采集到CPU 中，从而进行运算。根据题中的要求，我们采用AD0804即可满足要求，而且它的运行很稳定。

输出通道设计

由于采用CPU 控制，因此再采集信号以后，可以直接采用片内的程序对励磁

图4.1 输入通道原理图

进行合适的控制，从而免去了测量比较，综合放大等繁琐的步骤，其中根据输入电压的变化，可以直接在CPU 内进行计算，从而直接输出控制电压的大小，在这个过程可以很容易的调节，可以很方便的多次试验后进行控制信号电压的输出。我们利用DA 转换器将处理的结果进行输出，经过放大器的放大后进行调整得到综合控制信号SM U ，在经过励磁调节器的，产生触发脉冲，用以触发功率整流管的晶闸管，从而改变可控整流框的输出，达到调节发电机励磁的目的。由此可以得到输出通道的原理图（图4.2）。

最小系统设计

单片机的稳定运行时 这次调相机正常运行的最 基本的保障，我们设计的 最小系统是能够是单片机 正常的工作，从而满足控 制的需求。在系统发生一 些死机的故障可以进行复 位处理，因此最小系统主 要包括时钟电路和复位电 路，因此可以得到最小系 统图如图（图4.3）所示。

脉冲给定基准器 至晶闸管整流装置

同

步变压器

同步移相器

脉冲发生器

综合控制信号SM U

图4.2 输出通道原理图

图4.3 最小系统原理图

软件设计

#include

#define uchar unsigned char #define uint unsigned int uchar ADnum,Tcount,DAnum; uint sum=0,sums=0;

uchar ff=0;

sbit DAcs=P1^4;

sbit DAwr=P1^5;

sbit ADcs=P1^0 ;

sbit ADwr=P1^1 ;

sbit ADrd=P1^2 ;

sbit AD_IN=P1^3 ;

void delay(uchar j)

{

uchar i,k;

for(;j>0;j--)

for(i=0;i<100;i++)

for(k=0;k<100;k++); }

void AD_ini()

{

ADcs=1;

ADwr=1;

ADrd=1;

}

void AD_start()

{

ADcs=0;

ADwr=0;

ADwr=1;

ADcs=1;

}

void AD_read()

{

ADcs=0;

ADrd=0;

ADnum=P0;

ADrd=1;

ADcs=1;

}

void DA_start()

{

DAcs=0;

DAwr=0;

DAwr=1;

DAcs=1;

DAcs=0;

DAwr=0;

}

void DA_write()

{

DA_start();

P2=DAnum;

}

void T0_int() interrupt 1

{

TL0+=0X08;

TH0=0Xff;

AD_read();

if(ff<110)

{

sum=sum+ADnum;

ff++;

}

if(ff>=110)

{

sums=sum;

sum=0;

ff=0;

}

AD_start();

}

main()

{

uchar use;

TMOD=0X11;

TL0=0XB0;

TH0=0X3C;

AD_ini();

ET0=1;

TR0=1;

TR0=1;

EA=1;

while(1)

{

use=sums;

DAnum=use;

delay(100);

}

}

课程设计总结

为了改善调相机的补偿系统无功功率不足，应对系统进行了平均功率时个借点电压的计算，从总体上了解系统运行的情况。利用潮流计算的方法求的在最大和最小负荷时进行的节点电压，利用调相机的容量计算公式得到应加入调相机的容量，在计算中输电线路对与无功功率的分配有很大的影响，同时对于调相机的控制系统还进行了单片机的研究，使系统在加入调相机的无功功率补偿后能够满足系统要求，在计算中由于变压器的实际变比与计算变比相差较大，因此仅仅的根据计算公式得来的调相机容量不能满足系统运行的要求，因此采用适当增加调相机容量的方法进行在进行潮流的计算，从而满足了系统的要求。试运行效果更好、更经济实惠。