1、本科生課程設計（論文）遼寧工業大學電力系統自動化 課程設計（論文）題目： 利用調相機實現電力系統電壓調整（ 1 1）院（系）： 電氣工程學院專業班級： 電氣學 號： 1103學生姓名：指導教師： （簽字）起止時間： 2013.12.26 2014.01.11本科生課程設計（論文）院（系）：電氣工程學院教研室： 電氣工程及其自動化學號學生姓名專業班級課程設計題目利用調相機實現電力系統電壓調整（ 1）課 程 設 計 （ 論 文 ） 任 務課程設計（論文）任務及評語電力系統圖如圖：TT1 勵磁可調節發電機： T1PN=300MW ，cosN=0.8，UN=1T0.25KV ，Xd=Xq=1.7 ；2

2、 變壓器 T1：SN=300MV A,Uk%=12,Pk=1.5MW,I 0%=3,P0=0.8MW, 變比 K1=2428 1.25%/10.5KV .3 變壓器 T2：SN=300MV A,Uk%=15,Pk=1.5MW,I 0%=3,P0=0.8MW, 變比 K2=2208 1.25%/11KV .-64 每回線路 :L=250KM,X 1=0.42/KM, R=0.07 /KM, b 1=2.810-6S/KM.5 末端最大負荷 : S=250MV A.最小負荷 : S=120MV A. 功率因數均為 0.8。 任務要求：1計算各元件的參數，并畫出系統的等值電路。2對給定的系統（變壓器

3、為主分接頭，發電機電壓額定） ，計算各點電壓。3采用在負荷端安裝調相機的方法，確定調相機的容量和型號，使發電廠 220KV 母線電壓不超過 240KV ，變電所 10KV 母線電壓在 9.6KV 到 10.8KV 之間。5 利用單片機（或 PLC 等）實現對調相機勵磁的實時控制。4對調壓結果進行分析總結。1、布置任務，查閱資料，理解電壓調整的基本方法和原理。 （1 天）2、系統等值電路繪制及參數計算。 （1 天）3、變壓器取主分接頭，發電機取電壓額定，計算各點電壓（1 天）4、采用負荷端安裝調相機的調壓方法，選擇調相機，完成電壓調整要求。（2 天）5、利用單片機（或 PLC 等）實現對調相機的

4、實時控制。 （3 天）6、對結果進行分析總結。 （1 天）7、撰寫、打印設計說明書（ 1天）平時： 論文質量： 答辯：總成績： 指導教師簽字： 年月日注：成績：平時 20% 論文質量 60% 答辯 20% 以百分制計算本科生課程設計（論文）摘要我國電力系統的整體現狀比較好，但電力需求也越來越大，隨著我國電力系 統的逐步發展，規模的日益擴大和網絡的復雜性對我國的電力系統建設和控制提 出了更為嚴格的要求，電源建設的告訴發展是其中一個方面，更為重要的是，用 戶對電壓質量要求的提高等因素也要求對現有的電力系統進行改進和完善。對于電力系統自動化電壓的調整，采用調相機的調整電壓的方法，進行了調 壓原理的學

5、習，系統等值電路的計算，同時對于系統各個節點的電壓進行計算， 還進行 CPU控制的研究，然后確定調相機型號，能夠實時的進行控制，然后進結 果分析，確定調相機能夠滿足電力系統要求。利用調相機進行電壓的調整可以進行實時的控制，因此可以根據具體負荷的 大小進行適當的補償，其在投入電力系統后，有時可以在極端情況下對電力網進 行無功功率的補償。可以為電力系統的功率的最優傳輸進行適當的調整。而且利 用單片機控制，可以根據實際的情況可以很方便的進行控制的修改。次調相機在 系統進行補償后可以很好滿足了負荷端對電壓的要求。關鍵詞： 調相機；電壓；無功功率；調整； CPU本科生課程設計（論文）目錄第 1 章 緒論

6、 . 11.1電力系統電壓調整概況 . 11.2本文主要內容 . 1第 2 章 安裝調相機補償前系統電壓計算 . 22.1等值電路 . 22.2參數計算 . 22.3電壓計算 . 3第 3 章 安裝調相機補償后的電壓計算 . 63.1安裝調相機的電壓調整原理與方法 . 63.2補償容量的計算 . 63.3調相機的選擇 . 10第 4 章 控制系統設計 . 114.1 輸入通道設計 . 114.2輸出通道設計 . 114.3最小系統設計 . 124.4軟件設計 . 13第 5 章 課程設計總結 . 16參考文獻 . 17本科生課程設計（論文）緒論電力系統電壓調整概況電壓調整是電力系統調節的一個重

7、要組成部分。無功功率是電力系統中的一 個重要的概念。有網絡結構與參數確定的情況下，電壓損耗與輸送的無功功率有 關，如果輸送無功功率過多，則線路電壓損耗可能超過最大允許值，從而引起用 戶端電壓偏低。無功功率在電力系統運行中的冗余或者缺乏都對電力系統有極大 的影響，甚至造成電力系統電壓的崩潰。所以，無功功率平衡對系統電壓質量的 重要保證。電力系統的無功功率的調節是電壓調整的一個非常重要的方面。其中 無功功率電源有同步發電機，同步調相機及同步電動機，并聯電容器，精致武功 功率補償器等。隨著電力電子器件的發展人們能夠用于調節電壓的方法越來越多， 從而系統能夠運行的可靠性更高、實用性更好。本文主要內容電

8、力系統電壓調整方式有很多種。比如，調整發電機、調相機、并聯電容器、 并聯電抗器等設備。本文主要對于調相機的研究，其中要進行電力系統等值電路 的計算以及電力系統各個元件的參數進行計算，采用符合端裝設調相機，根據系 統負荷的參數情況來確定調相機的型號和容量。同時進行 CPU的控制從而實現系 統輸入通道設計、輸出通道設計以及最小系統結構圖的設計。通過實踐驗證系統 并順利通過后， 進行系統比較進行分析， 最后確定自己的所選設備是否滿足標準。本科生課程設計（論文）圖 2.1 電力系統等值電路圖參數計算對于發電機：U N 10.5KV10.52XG 1.7 0.6 G 300其他元件的參數，對于變壓器歸算

9、到高壓側：對于變壓器 T1 ：2RT1PKVNSN221.5 2422 0.973002X T1VX %VN2 12 242223.42100SN 100 300GT1P0VN2204.282 1.37 10 5SBT1I 0%SN3 3002 2 1.54 10 4 S 100VN2 100 2422安裝調相機補償前系統電壓計算等值電路2.1 ）。本科生課程設計(論文)對于變壓器 T2 ：RT 2PKVN21.5 220 2GT2BT 2SN2300 20.81VX %VN100 S NP02VN2I0%SN212 220 219.36100 3000.82 1.65 10 5 S220 2

10、3 30042 2 1.86 10 4 S 100VN 2 100 220 2對于輸電線路：11X lX1L250 0.42 52.52211RlRL 250 0.07 8.75l 2 2Bl 2 b1L 2 2.8 10 6 250 1.4 10 3 S電壓計算根據所學的知識采用最好的方法是 潮流法 ，從末端的功率推算到起始端 的的 功率，在利用起始端的已知電壓再潮流到 各個節點的電壓 。由于我們只知道末端負荷的最大最小功率因此我們采用其的平均功率為此次 潮流計算的末端功率輸送。負荷的功率因數為 0.85，所以Smin 120 0.85 j120 1 0.852 102 j63.21Smax

11、 250 0.85 j250 1 0.852 212.5 j131.69SAV Smin Smax 157.25 j97.452 兩臺變壓器運行時，它們的勵磁功率為：ST PT1 j QT1 (0.8 j13.5)MVAST PT 2 j QT 2 (0.8 j13.5)MVA 由于線路電壓未知，可以用線路的額點電壓計算線路產生的充電功率，并將 其分成兩個部分，變得1 2 1 3 2QB jBlVN2 j 1.68 10 3 2202 j 40.6622本科生課程設計（論文）ST122162.752 38.6422202(0.81 j19.36)MV A (0.44 + j0.60) MV A

12、23233.69KV12.88KV末端的功率傳送到節點 4 的變壓器損耗22157.252 97.452ST22 (0.36 j16.13)MV A (0.18 + j3.16) MV A2202節點 4 的總負荷S4 ST2ST SAVQB 0.18 j3.16 0.8 j13.5 157.25 j97.45 j 40.66S4 158.23 j 73.45線路的損耗158.232 73.452Sl2 (8.75 j 52.5) 4.52+ j5.852202得到節點 3 的功率S3 QB S4 Slj40.66 158.23 j 73.45 4.52 j5.85 162.75 j38.64

13、節點 3 到節點 2的變壓器損耗同樣變壓器 1的勵磁功率也看做節點 2 的負荷功率，節點 2 的功率S2 ST1 S3 ST 0.44 j0.60 162.75 j38.64 0.8 j13.5 163.99 j52.74 由于發電機的電壓額定，發電機出口的電壓為 10.5KV ，所以節點 2 的電壓U2 U N 10.5 242KVU2 K110.5242 242KV從節點 2 到節點 3 的傳輸功率S23 S2 ST 163.99 j 52.74 0.8 j13.5 163.19 j39.24 根據電壓降落的公式V1 P1R Q1X1V1V1 P1X Q1R1V1V2 (V1 V1)2 (

14、 V1)2163.19 0.81 39.24 19.36242163.19 19.36 39.24 0.81242變U壓3 器的(功U率2損耗U 23 ) 2 ( U23)2 238.66KV本科生課程設計（論文）S2322163.192 39.2422422(0.81 j19.36) 0.37 j0.51節點 3 線路充電功率1 3 2QB112j 1.68 10 3 238.662j47.85節點 3 到節點 4 的傳輸功率S34 S23 S23 QB1 163.19 j39.24 0.37 j0.51 j 47.85 162.82 j86.58 可節點 4 的電壓U 34163.19 8

15、.75 39.24 52.5238.6614.61KVU34163.19 52.5 39.24 8.75238.6634.46KVU4(U2U 23)2 ( U 23)2 239KV線路的功率損耗S3422163.192 39.2422238.662(8.75 j52.5) 4.35 j26.10節點 4 的線路等效的充電功率1 3 2QB2j 1.68 10 3 2392j 70. 16B2 2則由節點 4流到節點 5 的功率S45 S34S34 ST QB2 163.19 j39.24 4.35 j26.10 0.8 j13.5 j70.16S45 158.84 j83.3此時變壓器的損耗

16、S4522158.84 2 83.322392(0.81 j19.36) 0.36 j2.35損耗后的電壓U45158.84 0.81 83.3 19.362397.29KVU 45158.84 19.36 83.3 0.81239U 5(V1 V1)2 ( V1)2 173.3KV則末端電壓U MDU5K2173.3220/11KV 9.53KV本科生課程設計（論文）安裝調相機補償后的電壓計算安裝調相機的電壓調整原理與方法調相機是特殊運行狀態下的同步電動機，可視為不帶有功負荷的同步發電機 或者是不帶機械負荷的同步電動機。當過激運行時，它向電力系統提供感性無功 功率；欠激運行時，從電力系統中吸

17、收感性無功功率。因此，改變同步調相機的 勵磁，可以平滑地改變它的無功功率的大小及方向，從而平滑地調節所在地區的 電壓。同步調相機在運行時要產生用功功率損耗，一般在滿負荷運行時，有功功 率損耗為額定容量的 1.5%5%，容量越小，有功損耗所占的比重越大。在輕負荷 運行時，有功功率損耗也要增大，同步調相機的電壓調節效應一般為正值，即它 所輸出的無功功率隨其端電壓的下降而增加，這是其獨特的地方。補償容量的計算調相機的補償容量是根據具體的負荷功率來進行判斷。無功功率的產生基本 上不消耗能源，但是無功功率沿電力網傳送卻要引起有功功率損耗和電壓損耗。 合理的配置無功功率補償容量，以改變電力網的無功功率潮流

18、分布，可以減少網 絡中的有功功率損耗和電壓損耗，從而改善用戶處的電壓質量。由于線路的特點是否忽略變壓器的勵磁支路 , 有序變壓器的勵磁功率對于整 個計算系統來書非常小，因此可以忽略這個勵磁損耗，這樣可以是的計算過程變 得簡單同時還能夠對于數據的計算不會造成很大的誤差。我們假設發電機的端電 壓為額定電壓 10.5KV。同時得到電力系統等值電路圖（圖 3.2 ）。圖 3.1 電力系統等值電路圖 所以節點 1 的電壓 U1 242KV 。本科生課程設計（論文）應用首端功率計算網絡的電壓損耗。為此，先按額定電壓計算輸電系統的功 率損耗：線路兩側的等效充電功率QB 1 j 1.68 10 3 2202j

19、40.662最大最小功率負荷分別為：S43max22297.52 184.3722202(0.36 j16.13) 0.91 j 40.82S3max SmaxS43maxQB 297.5 j184.37 0.91 j40.82 j40.66 298.41 j184.5322298.412 184.5322202(10.5 j63) 26.71 j160.23S2max S3maxS32maxQB 298.41 j184.53 26.71 j160.23 j40.66 325.12 j304.1325.122 304.12S21max2 (0.43 j15.62) 1.76 j63.96220

20、2S1maxS21max S2max 1.76 j 63.96 325.12 j304.1 326.88 j 368.06最小負荷時首端的功率輸出221532 94.822 S43min2202(0.36 j16.13) 0.24 j10.8S3min SminS43min QB 153 j94.82 0.24 j10.8 j 40.66 153.24 j64.9622153.242 64.962 S32min2 (10.5 j63) 6.01 j36.0622202S2min S3min S32min QB 153.24 j 64.96 6.01 j 36.06 j40.66 159.25

21、j60.36 159.252 60.362S21min2 (0.43 j15.62) 0.26 j9.362202S1minS21min S2min 0.26 j9.36 159.25 j60.36 159.51 j 69.72最小功率時利用首端功率算出末端負荷的電壓：U12min 159.51 0.43 69.72 15.62 4.78KV242U12min 159.51 15.62 69.72 0.43 10.17KV242U 2min(V1 V1)2 ( V1)2 237.43KVSmin 153 j 94.82Smax 297.5 j184.37最大負荷時首端的功率輸出U12 max3

22、26.88 0.43 368.06 15.62 24.34KV242U 12max326.88 15.62 368.06 0.43 20.44KV242U 2max(V1 V1)2 ( V1)2 218.62KVS12 max326.882 368.062 (0.43 j15.62) 1.78 j64.632422本科生課程設計（論文）此處線路的充電功率1 3 2QB1minj 1.68 10 3 237.432j 47.352159.512 69.722(0.43 j15.62) 0.22 j8.08S12min2422S23minS1minS12minQB1min 159.51 j69.7

23、2 0.22 j8.08 j 47.35S23min159.29 j108.99U 23 min159 .29 10.5 108 .99 63 35 .96 KV237 .43U 23 min159 .29 63 108 .99 10.5 37.45 KV237 .43U 3min(U 2min U 23min )2( U 23min )2204 .92KV節點 3 的線路充電功率1 3 2QB2minj 1.68 10 3 204.922j35.272S23min22159.292 108.992 (10.5 j63) 6.94 j41.632237.432S34minS23minS23mi

24、nQB2min 159.29 j108.99 6.94 j41.63 j35.27S34min152.35 j102.64S34min22152.352 102.642 (0.36 j16.13) 0.29 j12.96204.922U 34min152.35 0.36 102.64 16.138.35KV204.92U 34 min152.35 16.13 102.64 0.36 11.81KV204.92U4min(U3minU34min )2 ( U34min ) 2 196.93KVS4min S34minS34min 152.35 j104.2 0.28 j12.53 152.07

25、j91.67最大功率時利用首端功率算出末端負荷的電壓：本科生課程設計（論文）U 23max325.1 10.5 343.58 63 114.62KV218.62U 23max77.18KVS23max22325.12 343.582218.622(10.5 j63) 49.15 j294.92節點 3 的線路充電功率1 3 2QB2maxj 1.68 10 3 129.512j14.09B2max 2S34 maxS23maxS23maxQB2max 325.1 j 343.58 49.15 j 294.92 j14.09S34max 275.95 j62.75S34max 275.95 62

26、2.75 (0.36 j16.13) 1.72 j77.02 129.51234max275.95 0.36 62.75 16.13129.518.58KV34max275.95 16.13 62.75 0.36129.514max(U3maxU 34max )(U 34max ) 125.67KVS4max S34maxS34max 275.95 j62.75 1.72 j77.02 274.23 j14.27確定補償的容量：V2cmax 9.6KVV2cmin 10.8KV根據題目要求需要確定變電所的電壓為 V2N 10.2KV 按最小負荷時無補償確定變壓器的分接頭電壓Vt10.2 196

27、.9310.8KV 185.99KV節點 2 的充電線路充電功率1 3 2Q B1 maxj 1.68 10 218.62 j40.15B1max 2S23max S1max S12max QB1max 326.88 j 368.06 1.78 j 64.63 j 40.15S23max 325.1 j343.58325.1 63 343.58 10.5218.62U3max(U2maxU 23max )2 ( U 23max)2 129.51KV最近的抽頭為 198KV，由此可得變壓器變比 k 11918 18 求補償容量X 15.62 63 16.13 94.754mincmin本科生課程

28、設計(論文)QC V2cmax (V2cmax V4max )k29.6 (9.6 125.67)182 85.95M varC X 2cmax k 94.75 18所以我們去補償容量 86M var調相機的選擇調相機容量的選擇 確定變壓器的變比：V2cmaxU 4max V2 cminU 4min9.6 125.67 10.8 196.93229.62 10.82當 分別去 0.5 和 0.65 是，可算出變比 k 分別為 16.78 和 16.49 ，選取最接 近的標準分接頭變比 k=18。確定調相機的容量QC V2cmax (V2cmax V4max )k2 9.6 (9.6 125.6

29、7 )182 85.95M varX k 94.75 18 選取最接近標準容量的同步調相機，同時考慮到變壓其變比的片偏差太大， 在逐步的計算中，我們采用調相機的補償容量要大些，因此采用調相機的額定容 量要適當大寫為 110M var最大負荷時調相機按額定容量過勵磁運行 QC 110M var ，最小負荷是調相機 按 50%額定容量欠勵磁運行 QC 44M var補償后在最大最小負荷時運行時負荷段的等效負荷分別為Sm ax 297.5 j184.37 j100 297.5 j 74.37Sm in 153 j94.82 j44 153 j138.82 在利用此時負荷段的功率利用首端電壓恒定和潮流

30、的算法分別求的在最大最 小負荷是的末端電壓為Um in 9.64KVUm ax 9.84KV 其滿足我們的控制要求。因此采用調相機的容量為 110M var 。10本科生課程設計（論文）控制系統設計輸入通道設計輸入通道是利用測量負荷端的電壓，利用符合端電壓做輸入信號對調相機的 勵磁進行調整。電壓測量時將負荷端三相電壓降壓、整流、濾波后轉換成一較小 波紋的直流電壓。如圖，圖中三相電壓有段子 1,、2和 3輸入，兩個單相變壓器 T1和 T2結成“ V”，做三相電壓降壓和隔離只用。降壓后的三相電壓分別經R1、R2、R3三個相位平衡調節電位器， 送至三相橋式整流器整流成直流電壓， 再經 RC 濾波后，

31、得到正比于負荷端的直流電壓信號 U se 。可得電路圖（圖 4.1 ）。電位器 R1、R2、R3主要用于相位平衡調整，通過改變其大小，使進入三相整 流橋的三相電壓趨于對稱，從而使整流后的直流電壓對稱，減少波紋，有利于濾 波和減少時延。同時這些電位器對電壓調整范圍的上下限及電壓偏差檢測器的增 益均有影響，因此，調定后不應隨意再做改變。根據所測電壓的大小經過 A/D 轉 換器將電壓的信號采集到 CPU中，從而進行運算。根據題中的要求，我們采用 AD0804即可滿足要求，而且它的運行很穩定。輸出通道設計由于采用 CPU 控制，因此再采集信號以后， 可以直接采用片內的程序對勵磁圖 4.1 輸入通道原理

32、圖11最小系統設計單片機的穩定運行時 這次調相機正常運行的最 基本的保障，我們設計的 最小系統是能夠是單片機 正常的工作，從而滿足控 制的需求。在系統發生一 些死機的故障可以進行復 位處理，因此最小系統主 要包括時鐘電路和復位電 路，因此可以得到最小系 統圖如圖（圖 4.3）所示圖 4.3 最小系統原理圖12本科生課程設計（論文）同步變壓器同步移相器脈沖發生至晶閘管整流裝置進行合適的控制，從而免去了測量比較，綜合放大等繁瑣的步驟，其中根據輸入 電壓的變化， 可以直接在 CPU 內進行計算，從而直接輸出控制電壓的大小， 在這 個過程可以很容易的調節，可以很方便的多次試驗后進行控制信號電壓的輸出。

33、 我們利用 DA 轉換器將處理的結果進行輸出，經過放大器的放大后進行調整得到 綜合控制信號 USM ，在經過勵磁調節器的，產生觸發脈沖，用以觸發功率整流管 的晶閘管，從而改變可控整流框的輸出，達到調節發電機勵磁的目的。由此可以 得到輸出通道的原理圖（圖 4.2）。脈沖給定基準器 綜合控制信號 U SM圖 4.2 輸出通道原理圖本科生課程設計（論文）軟件設計#include#define uchar unsigned char #define uint unsigned int uchar ADnum,Tcount,DAnum; uint sum=0,sums=0;uchar ff=0;sbit DAcs=P14;sbit DAwr=P15;sbit ADcs=P10 ;sbit ADwr=P11 ;sbit ADrd=P12 ;sbit AD_IN=P13 ; void delay(uchar j) uchar i,k;for(;j0;j-) for(i=0;i100;i+) for(k=