220kV站STATCOM系统的开发与应用可行性研究报告

1 220 统的开发与应用 可行性研究报 告 2 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（ 并应用于小营 220电站 110，重点解决电压波动、负序和谐波问题。 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，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 220电站属枢纽变电站，主变容量为 540功备用容量不足，电压稳定 性问题突出。同时，站内两台主变的 110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 往称为 是当今无功补偿领域最新技术的代表。 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， 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。 3 该项目在小营变电站 110母线安装 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 110装设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 置的应用对其它同类型变电站具有指导意义。同时，由于此项目是在秦皇岛地区实施的首套 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 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。 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 200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，由于开关投切时间的随机性，投切是有很大的电流冲击与很高 4 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， 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 的 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， 有优 势。主要体现为以下几点： 1） 响应更加迅速。 响应时间为 60 100应时间 10 2） 电压闪变抑制能力倍增。 电压闪变的抑制最大可以达到 2:1， 电压闪变的抑制很容易达到 4:1 甚至 5:1。 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 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。 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； 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， 电压无功特性优于 当系统电压变低时，同容量的 以比 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， 有更好的控制稳定性，用了大量电容器和电抗器，因此当外部系统的支撑变弱时， 产生不稳定性，而外部系统运行的条件和结构变化不敏感； 5） 谐波含量很低。 用了高频脉宽调制（ 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。 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， 占地面积通常只有相同容量 50； 7） 功率损耗低，节电效果显著。 于不存在大容量的电容，电感器件，因此功率损耗比较低。且由于模块化设计， 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。 联 滤波器，容易引起谐波发大甚至并联谐振问题。 工作原理上避免了产生并联谐振的可能。 【国外 究水平的现状和发展趋势】 5 静止同步补偿器（ 术的一个重要方面。 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 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 置容量为 20线电压 77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 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 西屋公司研制的于 1986 年 10 月投入运行的 1置。这是世界上首台采用大功率 为逆变器元件的静止无功补偿器。因为研制的目的是验证基本原理，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）日本关西电力公司与三菱电机共同研制的于 1991 年投运的采用 80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 单相桥中的每一个开关由三只 4500V、 3000A 的 联组成（其中一只作为冗余），直流侧电压 4150V， 联电路中，为了保证各只 的动态均压，不仅每只 联了 态均压电路，而且在每只 驱动电路中串联了可调电感，用来补偿各 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 50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 16相桥中的每个开关由12 只 联而成（ 3 个模块串联，每个模块由 4 只 成）。同时，为了提高响应速度并降低谐波含量，两台 置的三相逆变器分别采用了双脉冲和三脉冲 制。 （ 5）美国 田纳西电力公司、西屋电气公司合作研制了 100 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 联组成（其中一只为冗余），直流侧电压 同一变电站，还安装了由4大了 （ 6）德国西门子公司于 1997 年开发研制了 8置，又称 两个成，它们可以分别在 4范围内进行连续调节。因为单个 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 作研制了世界上唯一的 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 压型逆变器组成，容量各为 6 160置的并联部分，即 1997 年 7 月完成，和 100 置不同，该装置采用了三电平结构的多重化方案。 （ 8） 司为英国国家电力公司研制的 75 1999 年投运。与其它的 置相比，该装置有两个特别之处。首先，该装置是由 75 置和传统的 量为 127波器容量为 23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， 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 究水平的现状】 目前，国内 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 20华大学与河南省电力局合作， 1999 年投运， 2000 年通过部级鉴定，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 50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 50键技术问题的研究 2004 年 1 月通过评审 （ b） 西郊变电站 50置的研制 50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 一种基于大功率换流器技术的静止无功补偿装置，是 术产品领域中关键设备之一。 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。 电压型逆变器为核心，由系统通 7 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。 等效原理图 上图为 等效原理图，图中 个电抗器 系统之间的连接电抗器及变压器。系统之间的无功交换可以通过改变逆变器三相输出电压 经过适当的闭环控制，使逆变电压 么电流 I 将是一个纯无功电流，表达式如下： 改变逆变电压 的性质： 当逆变器输出电压幅值增大超过系统母线电压，即 流从逆变器侧经过电抗器流向系统， 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 流从交流系统流向当于系统的感性负载，从系统吸收感性无功，见下图（ b）； （ a） I 为容性 （ b） I 为感性 无功交换原理图 8 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 电容充电，使电容器上的电压 此通过逆变器输出的电压高于系统电压， 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 处于吸收无功功率的状态下。 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 术的 换流器结构与开关策略的优化设计，能够有效地减少入系统的谐波 。 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 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 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 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 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 9 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 置模型，对 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 置的控制策略； 应用理论分析和计算机仿真计算相结合的方法，进行 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 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 理效果，确定置的安装容量； 第二步：进行 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 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，并投入运行。 项目具体内容 1) 对小营 220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 置在 220营变电站中应用的初步设计方案，计算分析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 装容量 ； 3) 根据电能质量测试数据，确定 置配置参数及布置方式； 4) 根据系统运行方式及 行特点，制定控制策略方案； 5) 品技术条件的研究，必要产品设计的研究； 6) 回路及其相关 保护、冷却等技术的研究与装备的研制； 10 7) 统集成技术研究与实现。 拟在小营 220电站 110安装静止同步补偿器（ 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 220 110安装静止同步补偿器（ 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 110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 置的系统设计方案、装置参数、布局方式；根据 行特点，并结合电铁负荷特性，提供 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 110 置，实际应用于小营 220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 11 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、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 1 43 副主任 高工 电力系统 总策划 6 华北电网有限公司 2 38 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 12 3、实验室条件 1)具备 统物理模型试 验条件； 2)主回路试验条件； 3) 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 110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 套及以上的制、生产经验，并具备 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。 13 八、项目的进度安排 序号 时间段 内 容 1 2008 年 1 6 月 收集资料、国内调研 2 2008 年 7 9 月 系统背景的测试、分析评估、仿真计算 3 2008 年 10 12 月 无功补偿和谐波治理方案的技术设计 4 2009 年 1 7 月 装置设计、硬件设备的采购、调试 5 2009 年 8 11 月 装置现场安装、调试以及试运行 6 2009 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 7 8 9 10 11 12 14 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 10 00 （ 1）研究机构人员费 10 00 （ 2）临时工工资 1228 00 预算明细表 （ 1）购置 （ 2）试制 68 00 预算明细表 （ 1）材料费 30 00 （ 2）资料费 2 00 （ 3）外协测试试验及加工费 30 00 （ 4）会议费 3 00 （ 5）差旅费 3 00 预算明 细表 （二）间接费用 预算明细表 （ 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 一项协作研究任务的预算表。协作研究支出预算汇总后填入子项目经费预算的“协作研究支出”栏内。 15 十、有关证明文件 1、承担单位业务主管对项目意见 2、合作单位和依托工程单位对项目的意见及盖章 3、自筹经费来源及保证证明 4、经费预算表 编写要求： 1. 各承担单位业务主管对项目的意见； 2. 依托工程单位对项目的意见； 3. 自筹经费来源及保证证明； 4. 协作单位意见及盖章。 16 十一、申请单位领导审查意见 （对经费预算是否合理，有无其他经费来源，能否偿还贷款，能否保证研究计划实施所需的人力，工作时间等