3.国网公司科技项目可行性研究报告

1、附件二：国家电网公司科学技术项目可行性研究报告项目名称:小营站220kV站STATCOM系统的开发与应用申请单位：秦皇岛电力公司起止时间：2008年1月 至2009年12月项目负责人：曲效荣通信地址：秦皇岛市海洋路50号邮政编码：066000联系电话：03353382108传 真：03353382112申请日期：2007年10月一、 目的和意义本项目旨在评估电铁负荷对电力系统的影响,制定电铁负荷造成的电压波动、三相电压不平衡度、谐波电流和谐波电压等多项电能质量指标超标的解决方案，研制开发静止同步补偿器(STATCOM），并应用于小营220kV变电站110kV侧，重点解决电压波动、负序和谐波问题

2、。随着经济的持续增长，我国的电气化铁路正在迅速的发展。但是随着电气化铁道的快速发展和迅速进入人口稠密的经济发达地区,牵引供电系统的电能质量问题也受到日益广泛的关注。电气化铁路是一种单相不对称波动负荷，具有以下特点:以铁路钢轨与大地为导体的单相移动负荷；负荷随列车重量、线路坡道、牵引或制动等不同条件而剧烈变化；负荷电流中含有大量谐波电流；无功电流大，功率因数低；对电力系统产生负序电流和负序电压.由于铁路运输的特殊性，电铁机车沿铁路移动用电，其产生的危害程度比起其他类型的非线性设备要严重的多。电铁牵引负荷波动频繁、冲击大，给电力系统及其他电力用户带来许多不利影响。在机车运行过程中，具有严重的非线性

3、，向电力系统注入大量的高次谐波电流，成为电力系统中最大的谐波源；其开停频繁，有功冲击大,造成电力系统电压严重波动；同时，自其出现以来就存在由于其结构上具有严重的不对称性，向电力系统注入了大量的负序电流；再加上目前我国绝大部分电力机车采用单相晶闸管相控整流制式，由此带来牵引供电网功率因数低、谐波含量高等一系列问题，严重影响公用电网的电能质量。由于电铁机车沿铁路移动用电，其产生的危害性远比其他任何谐波源设备更为严重，更为广泛。又因为其功率大，华北地区内广泛分布，对电力系统的安全经济运行影响面很广。小营站220kV变电站属枢纽变电站,主变容量为540MVA，无功备用容量不足，电压稳定性问题突出。同时

4、，站内两台主变的110kV母线分别给大同铁路和天津铁路牵引站供电，并同时还要向许多厂矿供电。由于电力机车为大功率单相冲击性负荷，使得电压波动、三相电压不平衡度、谐波电流和谐波电压总畸变率等多项电能质量指标都超过国家标准限值。给电网造成了严重污染,影响了其它负荷的正常生产。静止同步补偿器STATCOM（Static Synchronous Compensator，以往称为SVG：Static Var Generator）,是当今无功补偿领域最新技术的代表。STATCOM并联于电网中，相当于一个可变的无功电流源，其无功电流可灵活控制，跟随负载的变化自动快速连续调节无功功率补偿量，维持母线电压，或者

5、通过电流跟踪补偿实现对冲击性负载或谐波负载的实时动态补偿。由于其响应速度快， STATCOM对解决冲击性负荷所带来的三相不平衡、电压波动、谐波超标、功率因数低等电能质量问题有着重要的意义。该项目在小营变电站110kV侧母线安装STATCOM，综合治理电铁负荷造成的电压波动、三相电压不平衡度、谐波电流和谐波电压等多项电能质量指标超标问题.在110kV侧装设STATCOM，在提高系统电压稳定性，抑制母线电压波动，治理三相电压不平衡度,治理谐波，提高电能质量等方面都可以起到很好的作用.由于小营变电站的主要负荷为电力机车负荷，在该变电站中STATCOM装置的应用对其它同类型变电站具有指导意义.同时，由

6、于此项目是在秦皇岛地区实施的首套STATCOM装置，具有重要的示范作用.并且，进行项目分析计算过程中使用的STATCOM模型、参数、项目的分析计算方法、装置的实际运行维护经验等，都可作为技术储备，为其它先进的电力电子技术应用奠定基础。STATCOM技术在电力系统中的应用和推广将推动我国电网控制技术向更高水平发展。基于此背景,该项目的顺利实施具有重要意义。二、 国内外研究水平综述改革开放以来,我国电气化铁路(以下简称“电铁”）获得迅速发展.目前，全国电铁通车里程逾万公里，遍及全国十八个省（自治区、直辖市）电网。随着电气化铁道的快速发展和迅速进入人口稠密的经济发达地区，牵引供电系统的电能质量问题受

7、到日益广泛的关注.据不完全统计，自电铁投运三十多年以来，电铁谐波与负序已引发过200MW发电机跳闸，山西、河南、贵州等电网大面积停电或系统解列，电网产生局部谐振，发电机转子损坏，继电保护非正常频繁启动，用户电动机和电容器大量烧坏，小火电厂不能就近并网等一系列危害，使社会、电力部门和用户蒙受了巨大的经济损失。随着电铁运量的增加和电铁向东部发达地区扩展，如电铁谐波仍然不能得到及时治理，其产生的危害将会更加严重.电力工业部指出为认真贯彻电力法，确保供电的电能质量，保障电网安全和广大用户的利益，在保证电铁安全供电的同时，必须尽早尽快治理好铁路牵引系统电能质量。目前，我国电气化铁路无功补偿及谐波治理，主

8、要是从作为污染源的机车本身和牵引变电站两方面着手来提高电能质量。电铁负序治理现状之一是通过平衡变压器或V/V接线方式治理负序,另一方法是采用轮流换相技术来平衡负荷治理负序。提高机车自身的功率因数并降低谐波的措施有装设电力机车无功补偿装置及多段桥整流方式；在牵引变电站提高功率因数、降低谐波：通过在变电站牵引母线通过真空开关投入三次谐振滤波器补偿电路是一个广泛采用的方法,其优点是在变电站集中补偿，需要的补偿设备总容量较小,投资节省；可补偿接触网线路电感产生的无功功率；根据供电臂的无功电流而调整补偿量，变电站有较高的功率因数,流入电力网的无功电流与谐波电流相对较小。缺点是它不能细调且响应慢,由于开关

9、投切时间的随机性，投切是有很大的电流冲击与很高的过电压,易使开关与电容器损坏。作为开关投切电容器的升级，TSC是一个不错的选择。它本身不产生谐波，但是它最大的不足就是不能够连续调节，只能分级调节.这种方法特别适用于行车密度低，且列车为重载的区间。从日本的经验看所占比例仅为7。绝大部分场合仍采用TCR型的SVC。治理电铁的所带来的不平衡、电压波动、谐波超标等电能质量问题，从技术上讲,STATCOM相比SVC更有优势。主要体现为以下几点：1） 响应更加迅速。SVC的响应时间为60100ms，STATCOM响应时间10ms；2） 电压闪变抑制能力倍增。SVC对电压闪变的抑制最大可以达到2：1，STA

10、TCOM对电压闪变的抑制很容易达到4：1甚至5：1.SVC受到响应速度的限制，即使增大装置的容量，其抑制电压闪变的能力不会增加；而STATCOM不受响应速度的限制，增大装置容量可以继续提高抑制电压闪变的能力;3） 运行范围更宽。STATCOM通过直接调节无功电流实现无功功率补偿，其输出电流不依赖于电压，表现为恒流源特性;SVC通过调节等值阻抗实现无功功率补偿，其输出电流和电压成线性关系。因此，STATCOM的电压无功特性优于SVC，即当系统电压变低时，同容量的STATCOM可以比SVC提供更大的补偿容量；4） 可靠安全，维护管理简单。在故障条件下,STATCOM比SVC具有更好的控制稳定性，S

11、VC使用了大量电容器和电抗器,因此当外部系统的支撑变弱时，SVC会产生不稳定性，而STATCOM对外部系统运行的条件和结构变化不敏感;5） 谐波含量很低。STATCOM采用了高频脉宽调制（PWM）技术与多电平技术,不仅自身产生的谐波含量很低,而且可以在一定程度上消弱负荷产生的谐波。SVC本身是一个很大的谐波源，要考虑避免所有的谐振情况，匹配完全合适的滤波器是非常困难而不可能的;6） 占地面积减小。由于无需高压大容量的电容器和电抗器做储能元件，STATCOM的占地面积通常只有相同容量SVC的50；7） 功率损耗低，节电效果显著。STATCOM由于不存在大容量的电容，电感器件,因此功率损耗比较低。

12、且由于模块化设计，STATCOM的功率调节更灵活，超过调节需求部分的模块可以实现暂时闭锁，处于热备用状态，此时其功耗接近于0；8） 不会产生并联谐振或谐波放大问题.SVC并联滤波器，容易引起谐波发大甚至并联谐振问题。STATCOM从工作原理上避免了产生并联谐振的可能。【国外STATCOM研究水平的现状和发展趋势】静止同步补偿器（STATCOM)是FACTS技术的一个重要方面。STATCOM作为一项前瞻性研究的新技术，当今国外研制成功并投入运行的大容量STATCOM装置不足十套，主要包括：（1)日本关西电力与三菱电机共同研制的于1980年1月投运的世界上首台STATCOM样机.装置容量为20MV

13、A，母线电压77kV，采用了晶闸管强制换相的电压型逆变器。直流侧电压917V，是通过启动变压器、整流器、平滑电抗器和6。6kV线路相连获得的。主电路结构采用三相桥六重化方案,逆变器由六个单元逆变器组成,每个单元逆变器的输出电压波形相同，依次相差10，六个单元逆变器的输出经由输出变压器合成为具有36阶梯的阶梯波.（2）美国EPRI和西屋公司研制的于1986年10月投入运行的1MVA STATCOM装置。这是世界上首台采用大功率GTO作为逆变器元件的静止无功补偿器。因为研制的目的是验证STATCOM的基本原理,所以装置的容量较小，主电路选择了两个三相桥移相30的简单多重化方案.（3)日本关西电力公

14、司与三菱电机共同研制的于1991年投运的采用GTO80MVA的STATCOM装置.该装置首次实现了自励式起动。主电路采用了三相桥八重化的方案,各个桥之间移相角相差7。5。单相桥中的每一个开关由三只4500V、3000A的GTO串联组成（其中一只作为冗余）,直流侧电压4150V，GTO串联电路中，为了保证各只GTO上的动态均压，不仅每只GTO并联了RCD 动态均压电路,而且在每只GTO的驱动电路中串联了可调电感，用来补偿各GTO关断时间的差异。（4）东京电力公司分别与东芝公司和日立公司开发了两台50MVA STATCOM装置，于1993年投运.该装置采用了三相桥四重化方案,直流侧电压16kV。三

15、相桥中的每个开关由12只GTO串联而成（3个模块串联，每个模块由4只GTO组成）。同时，为了提高响应速度并降低谐波含量，两台STATCOM装置的三相逆变器分别采用了双脉冲和三脉冲PWM调制。（5)美国EPRI与田纳西电力公司、西屋电气公司合作研制了100MVA的STATCOM装置，于1996年投运。该装置采用了三相桥八重化的方案，三相桥中的每个开关由五只4500V、4000A的GTO串联组成(其中一只为冗余)，直流侧电压6。6kV.在同一变电站，还安装了由STATCOM控制投切的84MVA开关投切式并联电容器组，扩大了STATCOM装置的有效控制范围.（6）德国西门子公司于1997年开发研制了

16、8MVA STATCOM装置，又称GT-SVC，由两个STATCOM组成，它们可以分别在4MVA的范围内进行连续调节。因为单个STATCOM的容量比较小,采用了普通的三电平结构.(7)美国电力公司和西屋公司以及美国EPRI合作研制了世界上唯一的UPFC装置，该装置由共享直流侧电压的并联和串联两个基于大功率GTO电压型逆变器组成，容量各为160MVA。装置的并联部分，即STATCOM于1997年7月完成，和TVA100MVA的STATCOM装置不同,该装置采用了三电平结构的多重化方案.（8)Alstom公司为英国国家电力公司研制的75MVA STATCOM于1999年投运。与其它的STATCOM

17、装置相比，该装置有两个特别之处.首先,该装置是由75MVA的STATCOM装置和传统的SVC（TSC容量为127MVA，滤波器容量为23MVA）共同组成的可移动的静止补偿器；其次,该装置首次采用了链式结构，即逆变桥串联的方案。在国外,STATCOM除用于电力系统稳定控制以外，更多的是用在负荷侧治理冶金等企业的电压波动.【我国STATCOM研究水平的现状】目前，国内STATCOM的研究也引起了电力部门与一些院校和科研单位的高度重视，并已开展了多方面工作，取得一定的成绩：（1）1994年电力部重点科技攻关项目20MVar STATCOM，清华大学与河南省电力局合作，1999年投运，2000年通过部

18、级鉴定,当选2000年全国高校十大科技成就之一，2002年获国家奖；（2)2002年11月国家电网公司重点科技攻关项目:“上海电网黄渡分区50MVar STATCOM示范工程通过立项评审。项目分为两部分：（a） 电力系统暂态电压稳定的控制 50MVar STATCOM关键技术问题的研究-2004年1月通过评审（b） 西郊变电站50MVar STATCOM装置的研制2004.32006.3 50MVar STATCOM 装置2006年2月28日并网运行,3月7日完成全部现场试验,4月10日通过国家电网公司组织的验收，认为核心技术达到国际水平。三、 项目的理论和实践依据项目的原理简述STATCOM

19、(Static Synchronous Var Compensator）是一种基于大功率换流器技术的静止无功补偿装置，是FACTS技术产品领域中关键设备之一。STATCOM是并联的无功补偿装置，在运行时相当于一个电压、相位和幅值均可调的三相交流电源,通过控制电力电子系统的特定参数可以改变输出,可以发出或者吸收无功.STATCOM以电压型逆变器为核心,由系统通过联络变压器和变流器整流后向电容器充电，同时在电容器上的直流电压通过变流器逆变成三相交流.STATCOM的等效原理图上图为STATCOM的等效原理图，图中US为系统电压，UC为逆变器输出的工频交流电压，两个电抗器XS和XC分别表示系统阻抗和

20、STATCOM与系统之间的连接电抗器及变压器。STATCOM和系统之间的无功交换可以通过改变逆变器三相输出电压UC的幅值实现。经过适当的闭环控制，使逆变电压UC与系统电压US同相位，那么电流I将是一个纯无功电流，表达式如下：改变逆变电压UC的幅值就可以改变电流I的性质:当逆变器输出电压幅值增大超过系统母线电压，即UCUS时，电流从逆变器侧经过电抗器流向系统，STATCOM相当于系统的容性负载,发出容性无功送给系统，见下图（a);当逆变器输出电压幅值减小低于系统母线电压，即UCUS时,电流从交流系统流向STATCOM，STATCOM相当于系统的感性负载，从系统吸收感性无功，见下图（b)； （a)

21、UCUS时,I为容性 （b）UCUS时，I为感性 无功交换原理图如果逆变器输出电压等于系统交流电压，逆变器既不吸收无功也不发出无功，无功交换为零。逆变器的正常运行必须靠直流侧的电压支撑，在逆变器接入交流电源开始运行时，由各可关断器件的反向续流二极管构成整流器,对直流电容器充电。但在逆变器开始正常运行后，直流电容器的储能将会用来满足逆变器的内部损耗，电容电压会下降，必须不断的对电容器充电补能使电压保持在正常工作范围.这可以通过使逆变器输出电压滞后交流系统电压一个很小的角度来实现，逆变器从系统吸收少量有功满足其内部内部损耗，保持电压水平。根据同样的原理，只要改变逆变器中的电力电子器件触发脉冲的同步

22、时间,从而调节逆变器的输出电压与系统电压间的相角差，就可以控制他们之间的有功功率交换，提高或降低电容器电压,这样就会改变逆变器输出电压的幅值,达到控制发出或吸收无功的目的.如果系统电压领先于装置的电压，系统向STATCOM的电容充电，使电容器上的电压Udc提高，因此通过逆变器输出的电压高于系统电压,STATCOM向系统送无功功率.反之，触发脉冲使逆变电压领先于系统电压，电容器只好用电压降低输出电能，于是STATCOM将处于吸收无功功率的状态下.STATCOM和交流系统之间的无功和有功交换可以彼此独立控制，实现有功的发出或吸收与无功的发出或吸收的任意组合。通过这个能力，就可以获得无功和有功输出的

23、非常有效的控制策略，从而提高系统的暂态和动态稳定性。 技术关键和难点1)结合多电平与PWM技术的换流器结构与开关策略的优化设计,能够有效地减少STATCOM注入系统的谐波。2)针对电铁不平衡负载的控制算法，这种算法能够充分发挥STATCOM的特点，有效地降低负序电流的影响。3）直流电压平衡控制与自平衡反馈线性化控制策略的实现。4)采用全数字式控制器，具备多微处理器协调控制功能。控制器采用CAN现场总线技术，实现各子系统之间的可靠、快速数字信号传输,为实时记录系统的故障、动态刷新人机界面提供保障；调节器采用DSP快速数字信号处理技术，可以快速跟踪负荷的无功需求变化进行补偿。5）控制系统具有多重监

24、控及保护功能，完成在系统各种异常情况下的可靠保护；监控系统采用一体化工作站,并具有友好的人机界面，便于控制和查询故障类型和故障位置;控制器的监控及保护系统通过“通讯控制器”与上级自动化系统实现通讯规约联接,这样可以达到远方的监视和控制,实现无人值守。6）密闭式循环纯水冷却方式，这种散热方式效率高、无噪声污染，具备较高自动化程度，免维护.7）阀结构设计与型式试验。项目研究内容和实施方案研究方法 应用电力系统分析软件建立STATCOM装置模型，对STATCOM装置接入系统前后的电压稳定性，电压波动，三相电压不平衡度，谐波等各项电能质量指标分别进行分析计算，并根据实际情况制定出STATCOM装置的控

25、制策略； 应用理论分析和计算机仿真计算相结合的方法,进行STATCOM装置的参数设计,及控制器的实现； 应用先进的电力电子试验设备进行STATCOM装置的调试试验。技术路线 理论计算研究和工程实现相结合,着重解决电网中存在的实际问题.该项目进程如下：第一步：应用电力系统分析软件进行仿真分析计算，分析比较STATCOM治理效果，确定STATCOM装置的安装容量;第二步:进行STATCOM装置的参数配置及布置方案设计；第三步：根据系统的实际运行情况和STATCOM装置的运行特点分析制定STATCOM的控制策略；第四步： 进入工程实施阶段，进行设备的订货与采购;第五步：进行装置的调试试验和现场安装，

26、并投入运行。项目具体内容1) 对小营220kV变电站测试并分析其电能质量问题,出具详细测试报告；2) 进行STATCOM装置在220kV小营变电站中应用的初步设计方案，计算分析STATCOM在提高系统电压稳定性,抑制母线电压波动,治理三相电压不平衡度,治理谐波等方面的作用，提出STATCOM安装容量；3) 根据电能质量测试数据,确定STATCOM装置配置参数及布置方式；4) 根据系统运行方式及STATCOM运行特点，制定控制策略方案；5) STATCOM产品技术条件的研究，必要产品设计的研究；6) STATCOM主回路及其相关保护、冷却等技术的研究与装备的研制；7) STATCOM系统集成技术

27、研究与实现。拟在小营220kV变电站110kV侧安装静止同步补偿器（STATCOM）的补偿方案。系统结构示意图如下：四、 预期目标和成果形式在小营220kV站110kV侧安装静止同步补偿器（STATCOM），达到提高系统电压稳定性，抑制母线电压波动，治理三相电压不平衡度，治理谐波，提高电能质量等方面起到很好的治理效果。主要技术经济指标：1） 降低电铁负荷冲击对系统110kV母线电压波动的影响，使其满足国标要求；2） 降低电铁负荷产生的负序对系统的影响程度，使其满足国标要求；3） 降低电铁负荷产生的谐波对系统设备和其它用户设备的影响，使其满足国标要求；4) 该装置兼做无功补偿，满足系统运行的各电

28、压等级功率因数的要求，使其符合国标和华北电网有限公司的要求。提供STATCOM装置的系统设计方案、装置参数、布局方式；根据STATCOM运行特点,并结合电铁负荷特性，提供STATCOM装置的控制策略方案，重点解决电压波动、负序和谐波问题;最终研发一套用于110kV的STATCOM装置,实际应用于小营220kV变电站。五、 合作单位或依托工程单位落实情况编写要求：1. 如需同其他单位进行合作，说明合作单位的落实情况，并出具合作单位承诺进行合作的证明文件;2. 如需结合依托工程进行试点研究,说明依托工程及其与本项目结合的情况，出具依托工程单位承诺提供相关条件的证明文件.六、 项目承担单位的条件1、

29、项目负责人 曲效荣,1967年生，长期从事无功电压及电能质量工作，有较为丰富的无功、电压运行经验,在生产中能够解决相应系统电压及无功补偿设备运行中存在的问题，组织安排全公司的电能质量测试,参与用户接入系统电能质量评估；获华北网公司B级专家称号。2、项目研究人员序号姓名年龄职务职称专业本项目中分工投入项目工作总月数工作单位143副主任高工电力系统总策划6华北电网有限公司238处长高工电力系统总指挥6华北电网有限公司3王 萍48专工高工电力系统项目管理6华北电网有限公司4张西术42总工高工电力系统组织策划6秦皇岛电力公司5刘玉涛43付总工高工电力系统组织策划6秦皇岛电力公司6何龙飞36处长高工高电

30、压技术总负责12秦皇岛电力公司7曲效荣40专工高工电力系统项目负责人12秦皇岛电力公司8杜延凌38主任高工电力系统二次负责人12秦皇岛电力公司9刘英军37经理高工电力系统一次负责人12秦皇岛电力公司10徐 超47总经理高工电力系统组织管理12北京兴鸿信科技有限公司11张一工30技术总监高工电力系统控制策略12北京兴鸿信科技有限公司12周立专25部门经理工程师电力系统工程实施12北京兴鸿信科技有限公司13刘 宾24项目经理工程师电力系统工程实施12北京兴鸿信科技有限公司14曹晓欣30部门经理工程师电力系统工程实施12北京兴鸿信科技有限公司3、实验室条件1)具备STATCOM系统物理模型试验条件;

31、2)主回路试验条件;3） STATCOM系统仿真试验条件。4、理论研究环境1）项目组成员有较丰富的无功补偿设备运行经验，并成功运行维护了侉子庄110kV变电站SVC装置。2）合作单位（北京兴鸿信科技有限公司)技术力量雄厚,具备年产量10套及以上的SVC研制、生产经验，并具备STATCOM设计能力。3）项目组成员对电铁负荷有相当程度的熟悉和了解，并多次参与电铁负荷接入系统的评估及其它谐波源负荷谐波治理方案的研究与制定。八、项目的进度安排序号时间段内 容12008年16月收集资料、国内调研22008年79月系统背景的测试、分析评估、仿真计算32008年1012月无功补偿和谐波治理方案的技术设计42

32、009年17月装置设计、硬件设备的采购、调试52009年811月装置现场安装、调试以及试运行62009年12月试运行后的装置运行参数测试，系统运行参数测试，进行初步验收，出具验收报告789101112九、项目经费预算 单位：万元科目金 额申请资助自 筹备 注（一）直接费用1.人员费1000（1）研究机构人员费1000（2)临时工工资2.设备及软件费122800预算明细表（1）购置1148.0（2)试制80。03.业务费6800预算明细表（1）材料费3000(2）资料费200（3）外协测试试验及加工费3000(4)会议费300(5）差旅费3004.其他直接费用预算明细表(二）间接费用预算明细表1.现有仪器设备使用费2.直接管理费用3。其他间接费用（三）协作研究支出预算明细表协作支出1合 计130600注：1、与项目有关的前期研究（包括阶段性成果)支出的各项经费不列入本项目预算; 2、项目下设的每个子项目(子合同）均需单独填报各自的项目预算表，并将子项目（子合同） 预算汇总后计入项目经费预算相应栏内. 3、当子项目存在协作研究时,应逐项分别填报每一项协作研