国网公司科技项目可行性研究报告样本

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系统开发与应用申请单位：秦皇岛电力公司起止时间：1月至12月曲效荣通信地址：秦皇岛市海洋路50号邮政编码：066000联系电话：传真：申请日期：10月

目和意义本项目旨在评估电铁负荷对电力系统影响，制定电铁负荷导致电压波动、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。随着经济持续增长，国内电气化铁路正在迅速发展。但是随着电气化铁道迅速发展和迅速进入人口稠密经济发达地区，牵引供电系统电能质量问题也受到日益广泛关注。电气化铁路是一种单相不对称波动负荷，具备如下特点：以铁路钢轨与大地为导体单相移动负荷；负荷随列车重量、线路坡道、牵引或制动等不同条件而激烈变化；负荷电流中具有大量谐波电流；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。由于铁路运送特殊性，电铁机车沿铁路移动用电，其产生危害限度比起其她类型非线性设备要严重多。电铁牵引负荷波动频繁、冲击大，给电力系统及其她电力顾客带来许多不利影响。在机车运营过程中，具备严重非线性，向电力系统注入大量高次谐波电流，成为电力系统中最大谐波源；其开停频繁，有功冲击大，导致电力系统电压严重波动；同步，自其浮现以来就存在由于其构造上具备严重不对称性，向电力系统注入了大量负序电流；再加上当前国内绝大某些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，严重影响公用电网电能质量。由于电铁机车沿铁路移动用电，其产生危害性远比其她任何谐波源设备更为严重，更为广泛。又由于其功率大，华北地区内广泛分布，对电力系统安全经济运营影响面很广。小营站220kV变电站属枢纽变电站，主变容量为540MVA，无功备用容量局限性，电压稳定性问题突出。同步，站内两台主变110kV母线分别给大同铁路和天津铁路牵引站供电，并同步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标限值。给电网导致了严重污染，影响了其他负荷正常生产。静止同步补偿器STATCOM（StaticSynchronousCompensator，以往称为SVG：StaticVarGenerator），是当今无功补偿领域最新技术代表。STATCOM并联于电网中，相称于一种可变无功电流源，其无功电流可灵活控制，跟随负载变化自动迅速持续调节无功功率补偿量，维持母线电压，或者通过电流跟踪补偿实现对冲击性负载或谐波负载实时动态补偿。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，综合治理电铁负荷导致电压波动、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较好作用。由于小营变电站重要负荷为电力机车负荷，在该变电站中STATCOM装置应用对其他同类型变电站具备指引意义。同步，由于此项目是在秦皇岛地区实行首套STATCOM装置，具备重要示范作用。并且，进行项目分析计算过程中使用STATCOM模型、参数、项目分析计算办法、装置实际运营维护经验等，都可作为技术储备，为其他先进电力电子技术应用奠定基本。STATCOM技术在电力系统中应用和推广将推动国内电网控制技术向更高水平发展。基于此背景，该项目顺利实行具备重要意义。国内外研究水平综述改革开放以来，国内电气化铁路（如下简称“电铁”）获得迅速发展。当前，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。随着电气化铁道迅速发展和迅速进入人口稠密经济发达地区，牵引供电系统电能质量问题受到日益广泛关注。据不完全记录，自电铁投运三十近年以来，电铁谐波与负序已引起过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，顾客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、电力部门和顾客蒙受了巨大经济损失。随着电铁运量增长和电铁向东部发达地区扩展，如电铁谐波依然不能得到及时治理，其产生危害将会更加严重。电力工业部指出为认真贯彻《电力法》，保证供电电能质量，保障电网安全和广大顾客利益，在保证电铁安全供电同步，必要尽早尽快治理好铁路牵引系统电能质量。当前，国内电气化铁路无功补偿及谐波治理，重要是从作为污染源机车自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，另一办法是采用轮流换相技术来平衡负荷治理负序。提高机车自身功率因数并减少谐波办法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、减少谐波：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种广泛采用办法，其长处是在变电站集中补偿，需要补偿设备总容量较小，投资节约；可补偿接触网线路电感产生无功功率；依照供电臂无功电流而调节补偿量，变电站有较高功率因数，流入电力网无功电流与谐波电流相对较小。缺陷是它不能细调且响应慢，由于开关投切时间随机性，投切是有很大电流冲击与很高过电压，易使开关与电容器损坏。作为开关投切电容器升级，TSC是一种不错选取。它自身不产生谐波，但是它最大局限性就是不可以持续调节，只能分级调节。这种办法特别合用于行车密度低，且列车为重载区间。从日本经验看所占比例仅为7％。绝大某些场合仍采用TCR型SVC。治理电铁所带来不平衡、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。重要体现为如下几点：响应更加迅速。SVC响应时间为60～100ms，STATCOM响应时间≤10ms；电压闪变抑制能力倍增。SVC对电压闪变抑制最大可以达到2:1，STATCOM对电压闪变抑制很容易达到4:1甚至5:1。SVC受到响应速度限制，虽然增大装置容量，其抑制电压闪变能力不会增长；而STATCOM不受响应速度限制，增大装置容量可以继续提高抑制电压闪变能力；运营范畴更宽。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，体现为恒流源特性；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。因而，STATCOM电压－无功特性优于SVC，即当系统电压变低时，同容量STATCOM可以比SVC提供更大补偿容量；可靠安全，维护管理简朴。在故障条件下，STATCOM比SVC具备更好控制稳定性，SVC使用了大量电容器和电抗器，因而当外部系统支撑变弱时，SVC会产生不稳定性，而STATCOM对外部系统运营条件和构造变化不敏感；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，不但自身产生谐波含量很低，并且可以在一定限度上消弱负荷产生谐波。SVC自身是一种很大谐波源，要考虑避免所有谐振状况，匹配完全适当滤波器是非常困难而不也许；占地面积减小。由于无需高压大容量电容器和电抗器做储能元件，STATCOM占地面积普通只有相似容量SVC50％；功率损耗低，节电效果明显。STATCOM由于不存在大容量电容，电感器件，因而功率损耗比较低。且由于模块化设计，STATCOM功率调节更灵活，超过调节需求某些模块可以实现暂时闭锁，处在热备用状态，此时其功耗接近于0；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也许。 【国外STATCOM研究水平现状和发展趋势】静止同步补偿器（STATCOM）是FACTS技术一种重要方面。STATCOM作为一项前瞻性研究新技术，当今国外研制成功并投入运营大容量STATCOM装置局限性十套，重要涉及：（1）日本关西电力与三菱电机共同研制于1980年1月投运世界上首台STATCOM样机。装置容量为20MVA，母线电压77kV，采用了晶闸管强制换相电压型逆变器。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。主电路构造采用三相桥六重化方案，逆变器由六个单元逆变器构成，每个单元逆变器输出电压波形相似，依次相差10°，六个单元逆变器输出经由输出变压器合成为具备36阶梯阶梯波。（2）美国EPRI和西屋公司研制于1986年10月投入运营±1MVASTATCOM装置。这是世界上首台采用大功率GTO作为逆变器元件静止无功补偿器。由于研制目是验证STATCOM基本原理，因此装置容量较小，主电路选取了两个三相桥移相30°简朴多重化方案。（3）日本关西电力公司与三菱电机共同研制于1991年投运采用GTO±80MVASTATCOM装置。该装置初次实现了自励式起动。主电路采用了三相桥八重化方案，各个桥之间移相角相差7.5°。单相桥中每一种开关由三只4500V、3000AGTO串联构成（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上动态均压，不但每只GTO并联了RCD动态均压电路，并且在每只GTO驱动电路中串联了可调电感，用来补偿各GTO关断时间差别。（4）东京电力公司分别与东芝公司和日立公司开发了两台±50MVASTATCOM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。三相桥中每个开关由12只GTO串联而成（3个模块串联，每个模块由4只GTO构成）。同步，为了提高响应速度并减少谐波含量，两台STATCOM装置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、西屋电气公司合伙研制了±100MVASTATCOM装置，于1996年投运。该装置采用了三相桥八重化方案，三相桥中每个开关由五只4500V、4000AGTO串联构成（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84MVA开关投切式并联电容器组，扩大了STATCOM装置有效控制范畴。（6）德国西门子公司于1997年开发研制了8MVASTATCOM装置，又称GT-SVC，由两个STATCOM构成，它们可以分别在±4MVA范畴内进行持续调节。由于单个STATCOM容量比较小，采用了普通三电平构造。（7）美国电力公司和西屋公司以及美国EPRI合伙研制了世界上唯一UPFC装置，该装置由共享直流侧电压并联和串联两个基于大功率GTO电压型逆变器构成，容量各为±160MVA。装置并联某些，即STATCOM于1997年7月完毕，和TVA±100MVASTATCOM装置不同，该装置采用了三电平构造多重化方案。（8）Alstom公司为英国国家电力公司研制±75MVASTATCOM于1999年投运。与其他STATCOM装置相比，该装置有两个特别之处。一方面，该装置是由±75MVASTATCOM装置和老式SVC（TSC容量为127MVA，滤波器容量为23MVA）共同构成可移动静止补偿器；另一方面，该装置初次采用了链式构造，即逆变桥串联方案。在国外，STATCOM除用于电力系统稳定控制以外，更多是用在负荷侧治理冶金等公司电压波动。 【国内STATCOM研究水平现状】当前，国内STATCOM研究也引起了电力部门与某些院校和科研单位高度注重，并已开展了多方面工作，获得一定成绩：（1）1994年电力部重点科技攻关项目±20MVarSTATCOM，清华大学与河南省电力局合伙，1999年投运，通过部级鉴定，当选全国高校十大科技成就之一，获国家奖；（2）11月国家电网公司重点科技攻关项目：“上海电网黄渡分区±50MVarSTATCOM示范工程”通过立项评审。项目分为两某些：电力系统暂态电压稳定控制—±50MVarSTATCOM核心技术问题研究——1月通过评审西郊变电站±50MVarSTATCOM装置研制——.3-.3±50MVarSTATCOM装置2月28日并网运营，3月7日完毕所有现场实验，4月10日通过国家电网公司组织验收，以为核心技术达到国际水平。项目理论和实践根据[项目原理简述]STATCOM（StaticSynchronousVarCompensator）是一种基于大功率换流器技术静止无功补偿装置，是FACTS技术产品领域中核心设备之一。STATCOM是并联无功补偿装置，在运营时相称于一种电压、相位和幅值均可调三相交流电源，通过控制电力电子系统特定参数可以变化输出，可以发出或者吸取无功。STATCOM以电压型逆变器为核心，由系统通过联系变压器和变流器整流后向电容器充电，同步在电容器上直流电压通过变流器逆变成三相交流。STATCOM等效原理图上图为STATCOM等效原理图，图中US为系统电压，UC为逆变器输出工频交流电压，两个电抗器XS和XC分别表达系统阻抗和STATCOM与系统之间连接电抗器及变压器。STATCOM和系统之间无功互换可以通过变化逆变器三相输出电压UC幅值实现。通过恰当闭环控制，使逆变电压UC与系统电压US同相位，那么电流I将是一种纯无功电流，表达式如下：变化逆变电压UC幅值就可以变化电流I性质：●当逆变器输出电压幅值增大超过系统母线电压，即UC﹥US时，电流从逆变器侧通过电抗器流向系统，STATCOM相称于系统容性负载，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UC﹤US时，电流从交流系统流向STATCOM，STATCOM相称于系统感性负载，从系统吸取感性无功，见下图（b）；（a）UC﹥US时，I为容性（b）UC<US时，I为感性无功互换原理图●如果逆变器输出电压等于系统交流电压，逆变器既不吸取无功也不发出无功，无功互换为零。逆变器正常运营必要靠直流侧电压支撑，在逆变器接入交流电源开始运营时，由各可关断器件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营后，直流电容器储能将会用来满足逆变器内部损耗，电容电压会下降，必要不断对电容器充电补能使电压保持在正常工作范畴。这可以通过使逆变器输出电压滞后交流系统电压一种很小角度来实现，逆变器从系统吸取少量有功满足其内部内部损耗，保持电压水平。依照同样原理，只要变化逆变器中电力电子器件触发脉冲同步时间，从而调节逆变器输出电压与系统电压间相角差，就可以控制她们之间有功功率互换，提高或减少电容器电压，这样就会变化逆变器输出电压幅值，达到控制发出或吸取无功目。如果系统电压领先于装置电压，系统向STATCOM电容充电，使电容器上电压Udc提高，因而通过逆变器输出电压高于系统电压，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，电容器只得用电压减少输出电能，于是STATCOM将处在吸取无功功率状态下。STATCOM和交流系统之间无功和有功互换可以彼此独立控制，实既有功发出或吸取与无功发出或吸取任意组合。通过这个能力，就可以获得无功和有功输出非常有效控制方略，从而提高系统暂态和动态稳定性。[技术核心和难点]1）结合多电平与PWM技术换流器构造与开关方略优化设计，可以有效地减少STATCOM注入系统谐波。2）针对电铁不平衡负载控制算法，这种算法可以充分发挥STATCOM特点，有效地减少负序电流影响。3）直流电压平衡控制与自平衡反馈线性化控制方略实现。4）采用全数字式控制器，具备多微解决器协调控制功能。控制器采用CAN现场总线技术，实现各子系统之间可靠、迅速数字信号传播，为实时记录系统故障、动态刷新人机界面提供保障；调节器采用DSP迅速数字信号解决技术，可以迅速跟踪负荷无功需求变化进行补偿。5）控制系统具备多重监控及保护功能，完毕在系统各种异常状况下可靠保护；监控系统采用一体化工作站，并具备和谐人机界面，便于控制和查询故障类型和故障位置；控制器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，具备较高自动化限度，免维护。7）阀构造设计与型式实验。项目研究内容和实行方案[研究办法]应用电力系统分析软件建立STATCOM装置模型，对STATCOM装置接入系统先后电压稳定性，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，并依照实际状况制定出STATCOM装置控制方略；应用理论分析和计算机仿真计算相结合办法，进行STATCOM装置参数设计，及控制器实现；应用先进电力电子实验设备进行STATCOM装置调试实验。[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，拟定STATCOM装置安装容量；第二步：进行STATCOM装置参数配备及布置方案设计；第三步：依照系统实际运营状况和STATCOM装置运营特点分析制定STATCOM控制方略；第四步：进入工程实行阶段，进行设备订货与采购；第五步：进行装置调试实验和现场安装，并投入运营。[项目详细内容]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；进行STATCOM装置在220kV小营变电站中应用初步设计方案，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，治理谐波等方面作用，提出STATCOM安装容量；依照电能质量测试数据，拟定STATCOM装置配备参数及布置方式；依照系统运营方式及STATCOM运营特点，制定控制方略方案；STATCOM产品技术条件研究，必要产品设计研究；STATCOM主回路及其有关保护、冷却等技术研究与装备研制；STATCOM系统集成技术研究与实现。拟在小营220kV变电站110kV侧安装静止同步补偿器（STATCOM）补偿方案。系统构造示意图如下：预期目的和成果形式在小营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较好治理效果。重要技术经济指标：1）减少电铁负荷冲击对系统110kV母线电压波动影响，使其满足国标规定；2）减少电铁负荷产生负序对系统影响限度，使其满足国标规定；3）减少电铁负荷产生谐波对系统设备和其他顾客设备影响，使其满足国标规定；4）该装置兼做无功补偿，满足系统运营各电压级别功率因数规定，使其符合国标和华北电网有限公司规定。提供STATCOM装置系统设计方案、装置参数、布局方式；依照STATCOM运营特点，并结合电铁负荷特性，提供STATCOM装置控制方略方案，重点解决电压波动、负序和谐波问题；最后研发一套用于110kVSTATCOM装置，实际应用于小营220kV变电站。合伙单位或依托工程单位贯彻状况编写规定：如需同其她单位进行合伙，阐明合伙单位贯彻状况，并出具合伙单位承诺进行合伙证明文献；如需结合依托工程进行试点研究，阐明依托工程及其与本项目结合状况，出具依托工程单位承诺提供有关条件证明文献。项目承担单位条件1、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，有较为丰富无功、电压运营经验，在生产中可以解决相应系统电压及无功补偿设备运营中存在问题，组织安排全公司电能质量测试，参加顾客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方略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行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行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行12北京兴鸿信科技有限公司3、实验室条件1)具备STATCOM系统物理模型实验条件；2)主回路实验条件；3)STATCOM系统仿真实验条件。4、理论研究环境1）项目构成员有较丰富无功补偿设备运营经验，并成功运营维护了侉子庄110kV变电站SVC装置。2）合伙单位（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SVC研制、生产经验，并具备STATCOM设计能力。3）项目构成员对电铁负荷有相称限度熟悉和理解，并多次参加电铁负荷接入系统评估及其他谐波源负荷谐波治理方案研究与制定。

八、项目进度安排序号时间段内容1～6月收集资料、国内调研7～9月系统背景测试、分析评估、仿真计算10～12月无功补偿和谐波治理方案技术设计1～7月装置设计、硬件设备采购、调试8～11月装置现场安装、调试以及试运营12月试运营后装置运营参数测试，系统运营参数测试，进行初步验收，出具验收报告

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10．00（1）研究机构人员费10．00（2）暂时工工资2.设备及软件费1228．00预算明细表（1）购买1148.0（2）试制80.03.业务费68．00预算明细表（1）材料费30．00（2）资料费2．00（3）外协测试实验及加工费30．00（4）会议费3．00（5）差旅费3．004.其她直接费用预算明细表（二）间接费用预算明细表1.既有仪器设备使用费2.直接管理费用3.其她间接费用（三）协作研究支出预算明细表协作支出1合计1306．00注：1、与项目关于前期研究(涉及阶段性成果)支出各项经费不列入本项目预算；2、项目下设每个子项目（子合同）均需单独填报各自项目预算表，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究任务预算表。协作研究支出预算汇总后填入子项目经费预算“协作研究支出”栏内。

十、关于证明文献1、承担单位业务主管对项目意见2、合伙单位和依托工程单位对项目意见及盖章3、自筹经费来源及保证证明4、经费预算表编写规定：各承担单位业务主管对项目意见；依托工程单位对项目意见；自筹经费来源及保证证明；协作单位意见及盖章。

十一、申请单位领导审查意见（对经费预算与否合理，有无其她经费来源，能否偿还贷款，能否保证研究筹划实行所需人力，工作时间等基本条件提出详细意见）公司以为该项目申请经费合理，并能为项目研究保证所需人力、物力和工作时间，