STATCOM與新型調(diào)相機的技術(shù)性和經(jīng)濟性比較

孫鵬偉，姚文峰，黃東啟，張帆，楊健

(直流輸電技術(shù)國家重點實驗室(南方電網(wǎng)科學(xué)研究院)，廣州510663)

0 引言

近年來，電壓穩(wěn)定問題已經(jīng)成為大電網(wǎng)安全穩(wěn)定的主要問題之一，增加電網(wǎng)的動態(tài)無功儲備迫在眉睫。一方面，以南方電網(wǎng)為例，隨著直流輸電技術(shù)的推廣應(yīng)用，電網(wǎng)“強直弱交”問題突出[1 - 3]。且受端負荷中心直流落點密集、電氣距離較近，單一交流故障往往會造成多回直流同時發(fā)生換相失敗[4 - 5]。同時，隨著以邊遠地區(qū)風(fēng)電、光伏為主的大規(guī)模新能源基地的建設(shè)，直流送端電網(wǎng)薄弱、短路容量不足問題突出，動態(tài)無功功率儲備下降、電壓穩(wěn)定問題愈加凸顯[6 - 7]。另一方面，負荷中心異步電動機負荷的快速增長，會引起母線電壓降低和系統(tǒng)無功功率進一步不足，嚴(yán)重時會導(dǎo)致電壓崩潰，引起大面積停電事故，必須匹配大規(guī)模動態(tài)無功功率來解決電壓支撐不足的問題。

目前動態(tài)無功補償裝置類型較多，從技術(shù)性能上來說，STATCOM和同步調(diào)相機是其中的佼佼者。STATCOM 具有調(diào)節(jié)連續(xù)、諧波小、損耗低、運行范圍寬、可靠性高、調(diào)節(jié)速度快等優(yōu)點[8 - 9]。早期為了使STATCOM 裝置的電壓等級達到10 kV甚至35 kV，普遍采用變壓器多重化結(jié)構(gòu)。變壓器多重化結(jié)構(gòu)能顯著改善輸出波形的質(zhì)量，但多重化結(jié)構(gòu)變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴、占地面積大，同時還有鐵磁非線性等問題[10 - 11]。文獻[12]提出了一種鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的STATCOM，其占地面積小，易于模塊化生產(chǎn)和冗余運行，可靠性高，能夠在現(xiàn)有的器件耐壓條件下，輕易突破電壓等級和裝置容量的限制，使其可以無需變壓器直接接入中高壓交流電網(wǎng)，自提出以來，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，目前已得到了廣泛的工業(yè)化應(yīng)用[13]。

同步調(diào)相機作為一種最早采用的無功補償設(shè)備，是一種專門的無功功率發(fā)電機，具有跟蹤速度快、補償范圍廣(容性、感性均可)、故障率低等優(yōu)點，可以有效支撐電網(wǎng)電壓和提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性[14]。為全面提升調(diào)相機的性能，國家電網(wǎng)公司組織多家科研院所、重點院校和設(shè)備廠家研究設(shè)計了新一代調(diào)相機[15]，現(xiàn)已在國家電網(wǎng)多個直流工程中得到了應(yīng)用。

在無功補償設(shè)備的特性比較方面，文獻[4]對比了調(diào)相機和SVC的運行特性，文獻[15]對新一代調(diào)相機、SVC和STATCOM在特高壓交直流電網(wǎng)中應(yīng)用進行了比較，但沒有考慮系統(tǒng)電壓變化幅度對比較結(jié)果的影響，也沒有比較新型調(diào)相機和STATCOM對系統(tǒng)短路電流的影響。因此，本文在技術(shù)性比較的時候考慮了上述兩項因素，并且采用等年值法對比了新型調(diào)相機和鏈?zhǔn)絊TATCOM的經(jīng)濟性。

1 兩種無功補償設(shè)備簡述

1.1 STATCOM的基本原理和特性

STATCOM一般直接或者經(jīng)過變壓器并入交流電網(wǎng)。通過IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷可以控制STATCOM交流側(cè)的電壓幅值和相位，或者直接控制其吸收或發(fā)出的無功功率(如無特殊說明，本文所述的無功功率均為感性無功功率)，實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康摹?/p>

STATCOM一般安裝于變壓器第三繞組側(cè)，占地規(guī)模較小，兩臺100 Mvar的STATCOM占地約0.2 hm2，可實現(xiàn)毫秒級的無功功率的快速連續(xù)調(diào)節(jié)。STATCOM具有恒電流源特性，其輸出的無功功率與系統(tǒng)電壓成正比，也就是說無功電流不會隨著電壓的降低而減小，僅受IGBT的電流容量的限制。另外，STATCOM不提供短路電流、有功損耗小、運維成本低、噪音小，是一種性能非常優(yōu)秀的無功補償裝置。

1.2 新型調(diào)相機的基本原理和特性

調(diào)相機本質(zhì)上是不帶機械負荷的同步發(fā)電機，運行過程中不與原動機連接，因此其啟動方式需要特殊考慮，通常配置有變頻啟動裝置。調(diào)相機可以通過調(diào)節(jié)勵磁裝置來吸收或發(fā)出無功功率，從而實現(xiàn)調(diào)壓的目的。同時當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重的電壓跌落故障時，調(diào)相機還可以進入強勵狀態(tài)，為系統(tǒng)提供緊急無功支撐，防止電壓崩潰。調(diào)相機最大的進相能力對應(yīng)于轉(zhuǎn)子零勵磁，考慮到定子端部鐵心放電的安全風(fēng)險，調(diào)相機的進相運行能力和遲相運行能力并不對稱，穩(wěn)態(tài)下其進相能力一般為額定容量的1/2至 2/3。

調(diào)相機屬于旋轉(zhuǎn)設(shè)備，可以為系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)動慣量，但由于存在轉(zhuǎn)子、定子、冷卻系統(tǒng)等，運維也變得更復(fù)雜，運維成本較高。調(diào)相機占地規(guī)模較大，祁連-韶山特高壓直流輸電工程韶山換流站配置的兩臺300 Mvar的調(diào)相機占地0.99 hm2。其建設(shè)投資高于STATCOM，但使用壽命比STATCOM長。另外，調(diào)相機噪音大，還需加裝噪音隔離裝置。

本文所述的新型調(diào)相機比起傳統(tǒng)調(diào)相機，其參數(shù)做了優(yōu)化設(shè)計，同時增加了一些附加控制，例如高壓母線電壓附加控制等，使得其暫態(tài)響應(yīng)和過載能力方面有了大幅提升。同樣的電壓等級和容量下，新型調(diào)相機的直軸電抗、直軸暫態(tài)電抗、直軸次暫態(tài)電抗、直軸開路時間常數(shù)和直軸短路時間常數(shù)均小于傳統(tǒng)調(diào)相機，使其具有更快的暫態(tài)響應(yīng)速度，在故障瞬間可以立即發(fā)出大量無功功率。另外，新型調(diào)相機的定子繞組承受3.5倍額定電流的持續(xù)時間不小于15 s，轉(zhuǎn)子繞組承受2.5倍額定勵磁電流的持續(xù)時間不小于15 s，這更利于調(diào)相機強勵能力的發(fā)揮[16 - 17]。

2 兩種無功補償設(shè)備技術(shù)特性比較

為了比較兩種無功補償裝置在電壓跌落時的快速無功功率支撐能力，本文選取兩組相同的單機單負荷模型，分別配置同等容量(300 Mvar)的STATCOM和新型調(diào)相機進行機電暫態(tài)仿真，穩(wěn)態(tài)時兩種無功補償裝置的無功出力均設(shè)為0，當(dāng)系統(tǒng)電壓在0.1 s階躍-10%和-30%時，新型調(diào)相機和STATCOM的無功電流響應(yīng)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)電壓跌落后新型調(diào)相機和STATCOM無功電流響應(yīng)對比Fig.1 Reactive current response comparison of new generation synchronous condenser and STATCOM after the system voltage drops

由圖1(a)可見，小擾動工況下，STATCOM無功電流很快達到1.1 p.u.限制值，調(diào)節(jié)速度快。新型調(diào)相機在系統(tǒng)電壓變化后的無功電流響應(yīng)主要由兩部分組成：一是基于調(diào)相機物理特性的自發(fā)無功電流響應(yīng)，在電網(wǎng)電壓變化的瞬間產(chǎn)生，并隨后衰減，這部分無功電流的大小主要與調(diào)相機的機端電壓變化幅度和次暫態(tài)電抗有關(guān)，電壓變化幅度越大，次暫態(tài)電抗越小，瞬時無功功率出力越大；二是基于新型調(diào)相機勵磁控制的無功電流響應(yīng)，需要一定的響應(yīng)時間。圖1(a)中由于電壓跌落幅度較小，新型調(diào)相機瞬時無功電流僅0.5 p.u.左右，在故障發(fā)生后0.6 s左右才達到1.1 p.u.的額定電流。可以看出，在電壓小擾動情況下，STATCOM的無功補償能力優(yōu)于新型調(diào)相機。

然而，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生較嚴(yán)重故障時，新型調(diào)相機瞬時無功輸出特性和短時過載能力則會得到充分的發(fā)揮，如圖1(b)所示，系統(tǒng)電壓跌落30%時，新型調(diào)相機瞬時無功電流輸出就超過了1.1 p.u.額定電流，隨后隨著勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)動作，無功電流繼續(xù)增加到3.5 p.u.附近，而STATCOM輸出的無功電流相比電壓跌落0.1 p.u.時沒有增加。由此可見，在電壓跌落較大時，新型調(diào)相機的無功補償能力優(yōu)于STATCOM。

為了進一步驗證上述結(jié)論，將單機單負荷模型換成整個廣東電網(wǎng)的模型。未來廣東電網(wǎng)將實行異步分區(qū)，其中一種方案為珠三角東、西區(qū)域之間采用柔直異步聯(lián)網(wǎng)方式，分區(qū)內(nèi)部保持500 kV交流組團構(gòu)網(wǎng)模式。這種方式下莞城-沙角線路N-2故障時會發(fā)生電壓失穩(wěn)，為此在東莞片區(qū)加裝新型調(diào)相機或STATCOM，比較兩者的電壓支撐能力。

仿真設(shè)置如下：在0.1 s時500 kV沙莞甲線莞城側(cè)發(fā)生三相短路故障，0.09 s后沙莞甲線莞城側(cè)斷開，0.1 s后沙莞甲線沙角側(cè)斷開，同時沙莞乙線雙側(cè)跳閘。在220 kV寒溪和板橋站分別加裝300 Mvar的STATCOM或新型同步調(diào)相機后，仿真波形如圖2所示。

通過圖2可以看出，初始狀態(tài)下，新型同步調(diào)相機為維持負荷站點電壓，向交流系統(tǒng)注入約80 Mvar無功功率，故障發(fā)生后，在勵磁強勵作用下最大發(fā)出無功功率接近600 Mvar，0.8 s左右時，寒溪站電壓快速恢復(fù)至1.0 p.u.，新型同步調(diào)相機發(fā)出的無功功率快速回降至初始值左右；而STATCOM在故障發(fā)生前與交流系統(tǒng)交換的無功功率約為0，故障發(fā)生后發(fā)出的最大無功功率約350 Mvar，1.1 s時寒溪站電壓快速恢復(fù)至1.0 p.u.，STATCOM發(fā)出的無功功率逐漸回降至初始值。

對比兩者的響應(yīng)特性可以清晰地看出：故障瞬間新型同步調(diào)相機輸出的無功功率大于STATCOM，無功支撐峰值是STATCOM的2倍，配置新型同步調(diào)相機的寒溪站220 kV交流母線電壓恢復(fù)速度快于配置STATCOM的工況。因此，在電壓跌落幅度較大時，新型同步調(diào)相機較STATCOM更能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，與前面得出的結(jié)論相符。

圖2 沙莞線路N-2故障仿真結(jié)果Fig.2 Simulation results of N-2 fault on Shajiao-Guancheng line

動態(tài)無功補償設(shè)備的一個重要應(yīng)用場合就是為常規(guī)直流弱受端系統(tǒng)提供動態(tài)無功功率來支撐交流電壓，防止交流故障導(dǎo)致直流發(fā)生持續(xù)換相失敗。在交流系統(tǒng)故障能夠滿足快切要求的前提下，為了比較STATCOM和新型同步調(diào)相機在故障切除后對交流電壓的支撐能力，本文接下來將通過電磁暫態(tài)仿真來比較常規(guī)直流受端換流站配置相同容量的STATCOM和新型同步調(diào)相機時，近區(qū)交流電網(wǎng)發(fā)生N-1和N-2故障，保護正確動作后直流輸送功率和交流電壓的恢復(fù)情況。穩(wěn)態(tài)下直流輸送功率為3 000 MW，動態(tài)無功補償設(shè)備容量為200 Mvar，且均采用典型工程參數(shù)。

圖3是受端換流母線不同電壓跌落水平下N-1故障的仿真結(jié)果。圖4是受端近區(qū)交流電網(wǎng)某節(jié)點不同電壓跌落水平下N-2故障的仿真結(jié)果。從圖中可以看出，不同電壓跌落水平下，故障切除后配置STATCOM的直流功率和換流母線電壓恢復(fù)速度均快于配置新型調(diào)相機的工況。這是因為故障切除后交流電壓恢復(fù)，隨后的電壓波動較小，由之前的分析可知在電壓小擾動情況下，STATCOM的無功補償能力優(yōu)于新型調(diào)相機，其調(diào)節(jié)速度快的特性可以得到發(fā)揮。

圖3 直流受端換流母線N-1故障仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of N-1 fault on HVDC receiving-end converter station bus

圖4 直流受端近區(qū)交流電網(wǎng)N-2故障仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of N-2 fault on AC grid near to HVDC receiving-end converter station

上文比較了新型調(diào)相機和STATCOM在系統(tǒng)交流電壓跌落時的輸出特性，而當(dāng)交流電壓驟升時，文獻[4,15]已經(jīng)對它們的輸出特性進行了比較全面的研究，概括來說就是：由于調(diào)相機最大的進相能力只有額定容量的1/2～2/3，因此交流電壓驟升瞬間，雖然調(diào)相機會根據(jù)電壓變化幅度自發(fā)吸收無功電流，當(dāng)電壓驟升幅度較大時，這部分無功電流也會非常大，但隨著低勵動作，調(diào)相機吸收的無功功率會被限制在額定容量的1/2～2/3，而STATCOM吸收的無功功率卻可以達到額定容量的1.1倍。因此同等容量下STATCOM的過電壓抑制能力明顯優(yōu)于新型調(diào)相機。

最后本文將比較兩種無功補償設(shè)備對短路電流的影響，同樣選用上文所述的廣東電網(wǎng)模型，在220 kV寒溪和板橋站分別加裝300 Mvar的STATCOM或新型同步調(diào)相機，采用短路電流計算程序得出東莞近區(qū)的短路電流水平，結(jié)果如表1所示。

表1 短路電流計算結(jié)果Tab.1 Short circuit calculation results

計算結(jié)果表明，新型同步調(diào)相機會提高交流系統(tǒng)的短路電流水平，在新型同步調(diào)相機安裝點寒溪和板橋站分別較STATCOM方案提高了2.6 kA左右，對近區(qū)500 kV變電站提高了約1 kA。

通過本節(jié)分析可以得出結(jié)論：在電壓跌落比較嚴(yán)重的場合，新型調(diào)相機的無功補償特性優(yōu)于STATCOM，因此新型調(diào)相機降低常規(guī)直流受端換相失敗風(fēng)險的能力要比STATCOM強。而STATCOM更適用于電壓跌落較輕以及電壓驟升的場合，例如補償小的電壓擾動或抑制直流閉鎖導(dǎo)致的交流電壓驟升。另外，在短路電流問題比較嚴(yán)重的電網(wǎng)片區(qū)，如果新型同步調(diào)相機和STATCOM都能解決大部分的電壓失穩(wěn)問題，僅從技術(shù)方面考慮本文優(yōu)先推薦STATCOM。

3 兩種無功補償設(shè)備經(jīng)濟性比較

如今實際工程中的STATCOM多采用鏈?zhǔn)絊TATCOM，即全橋級聯(lián)鏈?zhǔn)絊TATCOM，也叫角接鏈?zhǔn)絊TATCOM，由三相三個橋臂首尾相連組成，每個橋臂又由N個結(jié)構(gòu)相同的全橋子模塊和兩端的橋臂電抗器相互連接而成。本節(jié)主要比較的就是這種鏈?zhǔn)絊TATCOM和新型調(diào)相機的經(jīng)濟性。

對新型調(diào)相機和鏈?zhǔn)絊TATCOM進行經(jīng)濟性比較，就是要比較兩者在全壽命周期內(nèi)的成本，包括投資費用、運維費用和損耗費用等。新型調(diào)相機的使用年限一般為30 a，而鏈?zhǔn)絊TATCOM的使用年限一般只有20 a，因為兩種無功補償設(shè)備的工作年限不同，所以本文采用等年值法來比較它們的經(jīng)濟性。等年值法是按投資方案現(xiàn)金流量和效用期間平均計算的每年現(xiàn)金流量的現(xiàn)值，對有關(guān)投資方案進行經(jīng)濟評價的一種決策分析方法。在這種方法下，首先應(yīng)將有關(guān)投資方案在未來效用期間內(nèi)的全部現(xiàn)金流量，按年金現(xiàn)值系數(shù)或年金終值系數(shù)統(tǒng)一折算成每年平均的即等值金額; 然后根據(jù)年均等值金額的性質(zhì)和大小，來衡量各該投資方案的優(yōu)劣[18]。具體計算公式如式(1)所示。

(1)

式中：A為等年值；C1為某項資產(chǎn)的現(xiàn)值；C2為每年的運營成本；R為每年的現(xiàn)金流入量；S為期滿殘值，本文中默認新型調(diào)相機和鏈?zhǔn)絊TATCOM的期滿殘值為0；n為期數(shù)；I為利率。

3.1 兩種無功補償設(shè)備的投資成本

無功補償設(shè)備的投資成本包括設(shè)備費、安裝費、土建費、建場費以及其他費用等。兩臺300 Mvar的新型同步調(diào)相機投資大概需要3.3億元人民幣，兩臺100 Mvar的鏈?zhǔn)絊TATCOM裝置投資大概需要1億元人民幣。

3.2 兩種無功補償設(shè)備的運維成本

由第1節(jié)介紹可知，新型調(diào)相機屬于旋轉(zhuǎn)設(shè)備，由于存在轉(zhuǎn)子、定子、冷卻系統(tǒng)等，安全運行要求比較高，運維復(fù)雜，維護運行人員多，年運行維護費較高。而鏈?zhǔn)絊TATCOM屬于靜止設(shè)備，運維成本相對較低。通常，新型調(diào)相機的年運維費用按照投資成本現(xiàn)值的5%考慮，鏈?zhǔn)絊TATCOM的年運維成本按照投資成本現(xiàn)值的2.2%考慮。

3.3 兩種無功補償設(shè)備的損耗成本

無功補償設(shè)備的損耗主要是運行期間損耗的電能成本。引入損耗率的概念用于表示無功補償設(shè)備每Mvar無功功率輸出所損耗的有功功率。新型調(diào)相機的損耗率約為1.5%(包括專用變壓器損耗和配電系統(tǒng)損耗)，鏈?zhǔn)絊TATCOM的損耗率約為1%(包括專用變損耗和配電系統(tǒng)損耗)[19]。無功補償設(shè)備的損耗成本=無功補償設(shè)備的容量×年最大利用小時數(shù)×損耗率×電價。

3.4 兩種無功補償設(shè)備的成本計算

由以上分析可以得出新型調(diào)相機和鏈?zhǔn)絊TATCOM的等年值計算公式如式(2)—(3)所示。

(2)

(3)

式中：下標(biāo)c代表新型調(diào)相機；下標(biāo)s代表鏈?zhǔn)絊TATCOM；Cinv為投資成本；S為無功補償設(shè)備容量；Tmh為年最大利用小時數(shù)；P為電價。

選取永富直流受端作為比較場景，方案一為在永富直流受端換流站配置一臺300 Mvar的新型同步調(diào)相機，方案二為在永富直流受端換流站配置三臺相同的100 Mvar的鏈?zhǔn)絊TATCOM，方案一的投資為1.65億元，方案二的投資為1.5億元，電價取0.6元/kWh，代入式(2)—(3)中可以得到方案一和方案二的等年值與利率和年最大利用小時數(shù)的關(guān)系曲線，自變量利率的取值區(qū)間為4%～18%，自變量最大利用小時數(shù)的取值區(qū)間為0～3 000 h，如圖5所示。

圖5 方案一和方案二比較結(jié)果Fig.5 Comparison results of scheme 1 and scheme 2

從圖5可以看出，自變量利率對等年值的影響要強于年最大利用小時數(shù)，說明式(2)—(3)中等號右邊第一項即設(shè)備的投資成本年值是影響方案經(jīng)濟性最重要的因素，而損耗成本對經(jīng)濟性的影響并不顯著。在整個自變量取值區(qū)間內(nèi)，方案一的等年值均小于方案二，即方案二的經(jīng)濟性更好，即鏈?zhǔn)絊TATCOM的經(jīng)濟性優(yōu)于新型調(diào)相機。

以上計算分析是建立在保證2種方案遲相能力相同的基礎(chǔ)上，假如要保證2種方案進相能力相同，則需要對上面的方案進行調(diào)整。選取扎魯特直流送端作為比較場景，方案三在扎魯特直流送端換流站配置一臺300 Mvar的新型同步調(diào)相機，額定進相能力為-200 Mvar，方案四在在扎魯特直流送端換流站配置兩臺100 Mvar的鏈?zhǔn)絊TATCOM，額定進相能力也為-200 Mvar。方案三的投資為1.65億元，方案四的投資為1億元，電價取0.6元/kWh，易知方案四的經(jīng)濟性更好，即此時鏈?zhǔn)絊TATCOM的經(jīng)濟性優(yōu)于新型調(diào)相機。

4 結(jié)論

本文對新型調(diào)相機和STATCOM進行了技術(shù)經(jīng)濟性比較，由比較結(jié)果可得以下結(jié)論。

1)動態(tài)無功補償設(shè)備接入常規(guī)直流逆變站時，逆變站近區(qū)發(fā)生交流故障，新型調(diào)相機的無功補償能力優(yōu)于同等容量的STATCOM，因此其在抑制常規(guī)直流換相失敗方面的能力比STATCOM強。

2)STATCOM在補償小的電壓擾動和抑制直流閉鎖導(dǎo)致的交流電壓驟升方面的性能優(yōu)于同等容量的新型同步調(diào)相機。

3)在短路電流問題比較嚴(yán)重的電網(wǎng)片區(qū)，如果新型同步調(diào)相機和STATCOM都能解決大部分的電壓失穩(wěn)問題，僅從技術(shù)方面考慮本文優(yōu)先推薦STATCOM。

4)對于用地緊張的場合，優(yōu)先考慮安裝STATCOM。

5)鏈?zhǔn)絊TATCOM的經(jīng)濟性優(yōu)于同等容量的新型同步調(diào)相機。