STATCOM与新型调相机的技术性和经济性比较

孙鹏伟，姚文峰，黄东启，张帆，杨健

(直流输电技术国家重点实验室(南方电网科学研究院)，广州510663)

0 引言

近年来，电压稳定问题已经成为大电网安全稳定的主要问题之一，增加电网的动态无功储备迫在眉睫。一方面，以南方电网为例，随着直流输电技术的推广应用，电网“强直弱交”问题突出[1 - 3]。且受端负荷中心直流落点密集、电气距离较近，单一交流故障往往会造成多回直流同时发生换相失败[4 - 5]。同时，随着以边远地区风电、光伏为主的大规模新能源基地的建设，直流送端电网薄弱、短路容量不足问题突出，动态无功功率储备下降、电压稳定问题愈加凸显[6 - 7]。另一方面，负荷中心异步电动机负荷的快速增长，会引起母线电压降低和系统无功功率进一步不足，严重时会导致电压崩溃，引起大面积停电事故，必须匹配大规模动态无功功率来解决电压支撑不足的问题。

目前动态无功补偿装置类型较多，从技术性能上来说，STATCOM和同步调相机是其中的佼佼者。STATCOM 具有调节连续、谐波小、损耗低、运行范围宽、可靠性高、调节速度快等优点[8 - 9]。早期为了使STATCOM 装置的电压等级达到10 kV甚至35 kV，普遍采用变压器多重化结构。变压器多重化结构能显著改善输出波形的质量，但多重化结构变压器结构复杂、价格昂贵、占地面积大，同时还有铁磁非线性等问题[10 - 11]。文献[12]提出了一种链式结构的STATCOM，其占地面积小，易于模块化生产和冗余运行，可靠性高，能够在现有的器件耐压条件下，轻易突破电压等级和装置容量的限制，使其可以无需变压器直接接入中高压交流电网，自提出以来，经过十几年的发展，目前已得到了广泛的工业化应用[13]。

同步调相机作为一种最早采用的无功补偿设备，是一种专门的无功功率发电机，具有跟踪速度快、补偿范围广(容性、感性均可)、故障率低等优点，可以有效支撑电网电压和提高电网的稳定性[14]。为全面提升调相机的性能，国家电网公司组织多家科研院所、重点院校和设备厂家研究设计了新一代调相机[15]，现已在国家电网多个直流工程中得到了应用。

在无功补偿设备的特性比较方面，文献[4]对比了调相机和SVC的运行特性，文献[15]对新一代调相机、SVC和STATCOM在特高压交直流电网中应用进行了比较，但没有考虑系统电压变化幅度对比较结果的影响，也没有比较新型调相机和STATCOM对系统短路电流的影响。因此，本文在技术性比较的时候考虑了上述两项因素，并且采用等年值法对比了新型调相机和链式STATCOM的经济性。

1 两种无功补偿设备简述

1.1 STATCOM的基本原理和特性

STATCOM一般直接或者经过变压器并入交流电网。通过IGBT的导通和关断可以控制STATCOM交流侧的电压幅值和相位，或者直接控制其吸收或发出的无功功率(如无特殊说明，本文所述的无功功率均为感性无功功率)，实现动态无功补偿的目的。

STATCOM一般安装于变压器第三绕组侧，占地规模较小，两台100 Mvar的STATCOM占地约0.2 hm2，可实现毫秒级的无功功率的快速连续调节。STATCOM具有恒电流源特性，其输出的无功功率与系统电压成正比，也就是说无功电流不会随着电压的降低而减小，仅受IGBT的电流容量的限制。另外，STATCOM不提供短路电流、有功损耗小、运维成本低、噪音小，是一种性能非常优秀的无功补偿装置。

1.2 新型调相机的基本原理和特性

调相机本质上是不带机械负荷的同步发电机，运行过程中不与原动机连接，因此其启动方式需要特殊考虑，通常配置有变频启动装置。调相机可以通过调节励磁装置来吸收或发出无功功率，从而实现调压的目的。同时当系统发生严重的电压跌落故障时，调相机还可以进入强励状态，为系统提供紧急无功支撑，防止电压崩溃。调相机最大的进相能力对应于转子零励磁，考虑到定子端部铁心放电的安全风险，调相机的进相运行能力和迟相运行能力并不对称，稳态下其进相能力一般为额定容量的1/2至 2/3。

调相机属于旋转设备，可以为系统提供转动惯量，但由于存在转子、定子、冷却系统等，运维也变得更复杂，运维成本较高。调相机占地规模较大，祁连-韶山特高压直流输电工程韶山换流站配置的两台300 Mvar的调相机占地0.99 hm2。其建设投资高于STATCOM，但使用寿命比STATCOM长。另外，调相机噪音大，还需加装噪音隔离装置。

本文所述的新型调相机比起传统调相机，其参数做了优化设计，同时增加了一些附加控制，例如高压母线电压附加控制等，使得其暂态响应和过载能力方面有了大幅提升。同样的电压等级和容量下，新型调相机的直轴电抗、直轴暂态电抗、直轴次暂态电抗、直轴开路时间常数和直轴短路时间常数均小于传统调相机，使其具有更快的暂态响应速度，在故障瞬间可以立即发出大量无功功率。另外，新型调相机的定子绕组承受3.5倍额定电流的持续时间不小于15 s，转子绕组承受2.5倍额定励磁电流的持续时间不小于15 s，这更利于调相机强励能力的发挥[16 - 17]。

2 两种无功补偿设备技术特性比较

为了比较两种无功补偿装置在电压跌落时的快速无功功率支撑能力，本文选取两组相同的单机单负荷模型，分别配置同等容量(300 Mvar)的STATCOM和新型调相机进行机电暂态仿真，稳态时两种无功补偿装置的无功出力均设为0，当系统电压在0.1 s阶跃-10%和-30%时，新型调相机和STATCOM的无功电流响应如图1所示。

图1 系统电压跌落后新型调相机和STATCOM无功电流响应对比Fig.1 Reactive current response comparison of new generation synchronous condenser and STATCOM after the system voltage drops

由图1(a)可见，小扰动工况下，STATCOM无功电流很快达到1.1 p.u.限制值，调节速度快。新型调相机在系统电压变化后的无功电流响应主要由两部分组成：一是基于调相机物理特性的自发无功电流响应，在电网电压变化的瞬间产生，并随后衰减，这部分无功电流的大小主要与调相机的机端电压变化幅度和次暂态电抗有关，电压变化幅度越大，次暂态电抗越小，瞬时无功功率出力越大；二是基于新型调相机励磁控制的无功电流响应，需要一定的响应时间。图1(a)中由于电压跌落幅度较小，新型调相机瞬时无功电流仅0.5 p.u.左右，在故障发生后0.6 s左右才达到1.1 p.u.的额定电流。可以看出，在电压小扰动情况下，STATCOM的无功补偿能力优于新型调相机。

然而，当系统发生较严重故障时，新型调相机瞬时无功输出特性和短时过载能力则会得到充分的发挥，如图1(b)所示，系统电压跌落30%时，新型调相机瞬时无功电流输出就超过了1.1 p.u.额定电流，随后随着励磁调节系统动作，无功电流继续增加到3.5 p.u.附近，而STATCOM输出的无功电流相比电压跌落0.1 p.u.时没有增加。由此可见，在电压跌落较大时，新型调相机的无功补偿能力优于STATCOM。

为了进一步验证上述结论，将单机单负荷模型换成整个广东电网的模型。未来广东电网将实行异步分区，其中一种方案为珠三角东、西区域之间采用柔直异步联网方式，分区内部保持500 kV交流组团构网模式。这种方式下莞城-沙角线路N-2故障时会发生电压失稳，为此在东莞片区加装新型调相机或STATCOM，比较两者的电压支撑能力。

仿真设置如下：在0.1 s时500 kV沙莞甲线莞城侧发生三相短路故障，0.09 s后沙莞甲线莞城侧断开，0.1 s后沙莞甲线沙角侧断开，同时沙莞乙线双侧跳闸。在220 kV寒溪和板桥站分别加装300 Mvar的STATCOM或新型同步调相机后，仿真波形如图2所示。

通过图2可以看出，初始状态下，新型同步调相机为维持负荷站点电压，向交流系统注入约80 Mvar无功功率，故障发生后，在励磁强励作用下最大发出无功功率接近600 Mvar，0.8 s左右时，寒溪站电压快速恢复至1.0 p.u.，新型同步调相机发出的无功功率快速回降至初始值左右；而STATCOM在故障发生前与交流系统交换的无功功率约为0，故障发生后发出的最大无功功率约350 Mvar，1.1 s时寒溪站电压快速恢复至1.0 p.u.，STATCOM发出的无功功率逐渐回降至初始值。

对比两者的响应特性可以清晰地看出：故障瞬间新型同步调相机输出的无功功率大于STATCOM，无功支撑峰值是STATCOM的2倍，配置新型同步调相机的寒溪站220 kV交流母线电压恢复速度快于配置STATCOM的工况。因此，在电压跌落幅度较大时，新型同步调相机较STATCOM更能提高系统的稳定性，与前面得出的结论相符。

图2 沙莞线路N-2故障仿真结果Fig.2 Simulation results of N-2 fault on Shajiao-Guancheng line

动态无功补偿设备的一个重要应用场合就是为常规直流弱受端系统提供动态无功功率来支撑交流电压，防止交流故障导致直流发生持续换相失败。在交流系统故障能够满足快切要求的前提下，为了比较STATCOM和新型同步调相机在故障切除后对交流电压的支撑能力，本文接下来将通过电磁暂态仿真来比较常规直流受端换流站配置相同容量的STATCOM和新型同步调相机时，近区交流电网发生N-1和N-2故障，保护正确动作后直流输送功率和交流电压的恢复情况。稳态下直流输送功率为3 000 MW，动态无功补偿设备容量为200 Mvar，且均采用典型工程参数。

图3是受端换流母线不同电压跌落水平下N-1故障的仿真结果。图4是受端近区交流电网某节点不同电压跌落水平下N-2故障的仿真结果。从图中可以看出，不同电压跌落水平下，故障切除后配置STATCOM的直流功率和换流母线电压恢复速度均快于配置新型调相机的工况。这是因为故障切除后交流电压恢复，随后的电压波动较小，由之前的分析可知在电压小扰动情况下，STATCOM的无功补偿能力优于新型调相机，其调节速度快的特性可以得到发挥。

图3 直流受端换流母线N-1故障仿真结果Fig.3 Simulation results of N-1 fault on HVDC receiving-end converter station bus

图4 直流受端近区交流电网N-2故障仿真结果Fig.4 Simulation results of N-2 fault on AC grid near to HVDC receiving-end converter station

上文比较了新型调相机和STATCOM在系统交流电压跌落时的输出特性，而当交流电压骤升时，文献[4,15]已经对它们的输出特性进行了比较全面的研究，概括来说就是：由于调相机最大的进相能力只有额定容量的1/2～2/3，因此交流电压骤升瞬间，虽然调相机会根据电压变化幅度自发吸收无功电流，当电压骤升幅度较大时，这部分无功电流也会非常大，但随着低励动作，调相机吸收的无功功率会被限制在额定容量的1/2～2/3，而STATCOM吸收的无功功率却可以达到额定容量的1.1倍。因此同等容量下STATCOM的过电压抑制能力明显优于新型调相机。

最后本文将比较两种无功补偿设备对短路电流的影响，同样选用上文所述的广东电网模型，在220 kV寒溪和板桥站分别加装300 Mvar的STATCOM或新型同步调相机，采用短路电流计算程序得出东莞近区的短路电流水平，结果如表1所示。

表1 短路电流计算结果Tab.1 Short circuit calculation results

计算结果表明，新型同步调相机会提高交流系统的短路电流水平，在新型同步调相机安装点寒溪和板桥站分别较STATCOM方案提高了2.6 kA左右，对近区500 kV变电站提高了约1 kA。

通过本节分析可以得出结论：在电压跌落比较严重的场合，新型调相机的无功补偿特性优于STATCOM，因此新型调相机降低常规直流受端换相失败风险的能力要比STATCOM强。而STATCOM更适用于电压跌落较轻以及电压骤升的场合，例如补偿小的电压扰动或抑制直流闭锁导致的交流电压骤升。另外，在短路电流问题比较严重的电网片区，如果新型同步调相机和STATCOM都能解决大部分的电压失稳问题，仅从技术方面考虑本文优先推荐STATCOM。

3 两种无功补偿设备经济性比较

如今实际工程中的STATCOM多采用链式STATCOM，即全桥级联链式STATCOM，也叫角接链式STATCOM，由三相三个桥臂首尾相连组成，每个桥臂又由N个结构相同的全桥子模块和两端的桥臂电抗器相互连接而成。本节主要比较的就是这种链式STATCOM和新型调相机的经济性。

对新型调相机和链式STATCOM进行经济性比较，就是要比较两者在全寿命周期内的成本，包括投资费用、运维费用和损耗费用等。新型调相机的使用年限一般为30 a，而链式STATCOM的使用年限一般只有20 a，因为两种无功补偿设备的工作年限不同，所以本文采用等年值法来比较它们的经济性。等年值法是按投资方案现金流量和效用期间平均计算的每年现金流量的现值，对有关投资方案进行经济评价的一种决策分析方法。在这种方法下，首先应将有关投资方案在未来效用期间内的全部现金流量，按年金现值系数或年金终值系数统一折算成每年平均的即等值金额; 然后根据年均等值金额的性质和大小，来衡量各该投资方案的优劣[18]。具体计算公式如式(1)所示。

(1)

式中：A为等年值；C1为某项资产的现值；C2为每年的运营成本；R为每年的现金流入量；S为期满残值，本文中默认新型调相机和链式STATCOM的期满残值为0；n为期数；I为利率。

3.1 两种无功补偿设备的投资成本

无功补偿设备的投资成本包括设备费、安装费、土建费、建场费以及其他费用等。两台300 Mvar的新型同步调相机投资大概需要3.3亿元人民币，两台100 Mvar的链式STATCOM装置投资大概需要1亿元人民币。

3.2 两种无功补偿设备的运维成本

由第1节介绍可知，新型调相机属于旋转设备，由于存在转子、定子、冷却系统等，安全运行要求比较高，运维复杂，维护运行人员多，年运行维护费较高。而链式STATCOM属于静止设备，运维成本相对较低。通常，新型调相机的年运维费用按照投资成本现值的5%考虑，链式STATCOM的年运维成本按照投资成本现值的2.2%考虑。

3.3 两种无功补偿设备的损耗成本

无功补偿设备的损耗主要是运行期间损耗的电能成本。引入损耗率的概念用于表示无功补偿设备每Mvar无功功率输出所损耗的有功功率。新型调相机的损耗率约为1.5%(包括专用变压器损耗和配电系统损耗)，链式STATCOM的损耗率约为1%(包括专用变损耗和配电系统损耗)[19]。无功补偿设备的损耗成本=无功补偿设备的容量×年最大利用小时数×损耗率×电价。

3.4 两种无功补偿设备的成本计算

由以上分析可以得出新型调相机和链式STATCOM的等年值计算公式如式(2)—(3)所示。

(2)

(3)

式中：下标c代表新型调相机；下标s代表链式STATCOM；Cinv为投资成本；S为无功补偿设备容量；Tmh为年最大利用小时数；P为电价。

选取永富直流受端作为比较场景，方案一为在永富直流受端换流站配置一台300 Mvar的新型同步调相机，方案二为在永富直流受端换流站配置三台相同的100 Mvar的链式STATCOM，方案一的投资为1.65亿元，方案二的投资为1.5亿元，电价取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与利率和年最大利用小时数的关系曲线，自变量利率的取值区间为4%～18%，自变量最大利用小时数的取值区间为0～3 000 h，如图5所示。

图5 方案一和方案二比较结果Fig.5 Comparison results of scheme 1 and scheme 2

从图5可以看出，自变量利率对等年值的影响要强于年最大利用小时数，说明式(2)—(3)中等号右边第一项即设备的投资成本年值是影响方案经济性最重要的因素，而损耗成本对经济性的影响并不显著。在整个自变量取值区间内，方案一的等年值均小于方案二，即方案二的经济性更好，即链式STATCOM的经济性优于新型调相机。

以上计算分析是建立在保证2种方案迟相能力相同的基础上，假如要保证2种方案进相能力相同，则需要对上面的方案进行调整。选取扎鲁特直流送端作为比较场景，方案三在扎鲁特直流送端换流站配置一台300 Mvar的新型同步调相机，额定进相能力为-200 Mvar，方案四在在扎鲁特直流送端换流站配置两台100 Mvar的链式STATCOM，额定进相能力也为-200 Mvar。方案三的投资为1.65亿元，方案四的投资为1亿元，电价取0.6元/kWh，易知方案四的经济性更好，即此时链式STATCOM的经济性优于新型调相机。

4 结论

本文对新型调相机和STATCOM进行了技术经济性比较，由比较结果可得以下结论。

1)动态无功补偿设备接入常规直流逆变站时，逆变站近区发生交流故障，新型调相机的无功补偿能力优于同等容量的STATCOM，因此其在抑制常规直流换相失败方面的能力比STATCOM强。

2)STATCOM在补偿小的电压扰动和抑制直流闭锁导致的交流电压骤升方面的性能优于同等容量的新型同步调相机。

3)在短路电流问题比较严重的电网片区，如果新型同步调相机和STATCOM都能解决大部分的电压失稳问题，仅从技术方面考虑本文优先推荐STATCOM。

4)对于用地紧张的场合，优先考虑安装STATCOM。

5)链式STATCOM的经济性优于同等容量的新型同步调相机。