STATCOM與新型調(diào)相機(jī)的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性比較

孫鵬偉，姚文峰，黃東啟，張帆，楊健

(直流輸電技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南方電網(wǎng)科學(xué)研究院)，廣州510663)

0 引言

近年來(lái)，電壓穩(wěn)定問(wèn)題已經(jīng)成為大電網(wǎng)安全穩(wěn)定的主要問(wèn)題之一，增加電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)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(qiáng)直弱交”問(wèn)題突出[1 - 3]。且受端負(fù)荷中心直流落點(diǎn)密集、電氣距離較近，單一交流故障往往會(huì)造成多回直流同時(shí)發(fā)生換相失敗[4 - 5]。同時(shí)，隨著以邊遠(yuǎn)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(wèn)題突出，動(dòng)態(tài)無(wú)功功率儲(chǔ)備下降、電壓穩(wěn)定問(wèn)題愈加凸顯[6 - 7]。另一方面，負(fù)荷中心異步電動(dòng)機(jī)負(fù)荷的快速增長(zhǎng)，會(huì)引起母線電壓降低和系統(tǒng)無(wú)功功率進(jìn)一步不足，嚴(yán)重時(shí)會(huì)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(dòng)態(tài)無(wú)功功率來(lái)解決電壓支撐不足的問(wèn)題。

目前動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置類型較多，從技術(shù)性能上來(lái)說(shuō)，STATCOM和同步調(diào)相機(jī)是其中的佼佼者。STATCOM 具有調(diào)節(jié)連續(xù)、諧波小、損耗低、運(yùn)行范圍寬、可靠性高、調(diào)節(jié)速度快等優(yōu)點(diǎn)[8 - 9]。早期為了使STATCOM 裝置的電壓等級(jí)達(dá)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(jià)格昂貴、占地面積大，同時(shí)還有鐵磁非線性等問(wèn)題[10 - 11]。文獻(xiàn)[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(yùn)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(jí)和裝置容量的限制，使其可以無(wú)需變壓器直接接入中高壓交流電網(wǎng)，自提出以來(lái)，經(jīng)過(guò)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(jī)作為一種最早采用的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，是一種專門(mén)的無(wú)功功率發(fā)電機(jī)，具有跟蹤速度快、補(bǔ)償范圍廣(容性、感性均可)、故障率低等優(yōu)點(diǎn)，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(jī)的性能，國(guó)家電網(wǎng)公司組織多家科研院所、重點(diǎn)院校和設(shè)備廠家研究設(shè)計(jì)了新一代調(diào)相機(jī)[15]，現(xiàn)已在國(guó)家電網(wǎng)多個(gè)直流工程中得到了應(yīng)用。

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

1 兩種無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備簡(jiǎn)述

1.1 STATCOM的基本原理和特性

STATCOM一般直接或者經(jīng)過(guò)變壓器并入交流電網(wǎng)。通過(guò)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(wú)功功率(如無(wú)特殊說(shuō)明，本文所述的無(wú)功功率均為感性無(wú)功功率)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)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(tái)100 Mvar的STATCOM占地約0.2 hm2，可實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)的無(wú)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(wú)功功率與系統(tǒng)電壓成正比，也就是說(shuō)無(wú)功電流不會(huì)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(yùn)維成本低、噪音小，是一種性能非常優(yōu)秀的無(wú)功補(bǔ)償裝置。

1.2 新型調(diào)相機(jī)的基本原理和特性

調(diào)相機(jī)本質(zhì)上是不帶機(jī)械負(fù)荷的同步發(fā)電機(jī)，運(yùn)行過(guò)程中不與原動(dòng)機(jī)連接，因此其啟動(dòng)方式需要特殊考慮，通常配置有變頻啟動(dòng)裝置。調(diào)相機(jī)可以通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置來(lái)吸收或發(fā)出無(wú)功功率，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)壓的目的。同時(shí)當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重的電壓跌落故障時(shí)，調(diào)相機(jī)還可以進(jìn)入強(qiáng)勵(lì)狀態(tài)，為系統(tǒng)提供緊急無(wú)功支撐，防止電壓崩潰。調(diào)相機(jī)最大的進(jìn)相能力對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子零勵(lì)磁，考慮到定子端部鐵心放電的安全風(fēng)險(xiǎn)，調(diào)相機(jī)的進(jìn)相運(yùn)行能力和遲相運(yùn)行能力并不對(duì)稱，穩(wěn)態(tài)下其進(jìn)相能力一般為額定容量的1/2至 2/3。

調(diào)相機(jī)屬于旋轉(zhuǎn)設(shè)備，可以為系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，但由于存在轉(zhuǎn)子、定子、冷卻系統(tǒng)等，運(yùn)維也變得更復(fù)雜，運(yùn)維成本較高。調(diào)相機(jī)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(tái)300 Mvar的調(diào)相機(jī)占地0.99 hm2。其建設(shè)投資高于STATCOM，但使用壽命比STATCOM長(zhǎng)。另外，調(diào)相機(jī)噪音大，還需加裝噪音隔離裝置。

本文所述的新型調(diào)相機(jī)比起傳統(tǒng)調(diào)相機(jī)，其參數(shù)做了優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)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(guò)載能力方面有了大幅提升。同樣的電壓等級(jí)和容量下，新型調(diào)相機(jī)的直軸電抗、直軸暫態(tài)電抗、直軸次暫態(tài)電抗、直軸開(kāi)路時(shí)間常數(shù)和直軸短路時(shí)間常數(shù)均小于傳統(tǒng)調(diào)相機(jī)，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(wú)功功率。另外，新型調(diào)相機(jī)的定子繞組承受3.5倍額定電流的持續(xù)時(shí)間不小于15 s，轉(zhuǎn)子繞組承受2.5倍額定勵(lì)磁電流的持續(xù)時(shí)間不小于15 s，這更利于調(diào)相機(jī)強(qiáng)勵(lì)能力的發(fā)揮[16 - 17]。

2 兩種無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備技術(shù)特性比較

為了比較兩種無(wú)功補(bǔ)償裝置在電壓跌落時(shí)的快速無(wú)功功率支撐能力，本文選取兩組相同的單機(jī)單負(fù)荷模型，分別配置同等容量(300 Mvar)的STATCOM和新型調(diào)相機(jī)進(jìn)行機(jī)電暫態(tài)仿真，穩(wěn)態(tài)時(shí)兩種無(wú)功補(bǔ)償裝置的無(wú)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(shí)，新型調(diào)相機(jī)和STATCOM的無(wú)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(jī)和STATCOM無(wú)功電流響應(yīng)對(duì)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(jiàn)，小擾動(dòng)工況下，STATCOM無(wú)功電流很快達(dá)到1.1 p.u.限制值，調(diào)節(jié)速度快。新型調(diào)相機(jī)在系統(tǒng)電壓變化后的無(wú)功電流響應(yīng)主要由兩部分組成：一是基于調(diào)相機(jī)物理特性的自發(fā)無(wú)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(wú)功電流的大小主要與調(diào)相機(jī)的機(jī)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(shí)無(wú)功功率出力越大；二是基于新型調(diào)相機(jī)勵(lì)磁控制的無(wú)功電流響應(yīng)，需要一定的響應(yīng)時(shí)間。圖1(a)中由于電壓跌落幅度較小，新型調(diào)相機(jī)瞬時(shí)無(wú)功電流僅0.5 p.u.左右，在故障發(fā)生后0.6 s左右才達(dá)到1.1 p.u.的額定電流。可以看出，在電壓小擾動(dòng)情況下，STATCOM的無(wú)功補(bǔ)償能力優(yōu)于新型調(diào)相機(jī)。

然而，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生較嚴(yán)重故障時(shí)，新型調(diào)相機(jī)瞬時(shí)無(wú)功輸出特性和短時(shí)過(guò)載能力則會(huì)得到充分的發(fā)揮，如圖1(b)所示，系統(tǒng)電壓跌落30%時(shí)，新型調(diào)相機(jī)瞬時(shí)無(wú)功電流輸出就超過(guò)了1.1 p.u.額定電流，隨后隨著勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)作，無(wú)功電流繼續(xù)增加到3.5 p.u.附近，而STATCOM輸出的無(wú)功電流相比電壓跌落0.1 p.u.時(shí)沒(méi)有增加。由此可見(jiàn)，在電壓跌落較大時(shí)，新型調(diào)相機(jī)的無(wú)功補(bǔ)償能力優(yōu)于STATCOM。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述結(jié)論，將單機(jī)單負(fù)荷模型換成整個(gè)廣東電網(wǎng)的模型。未來(lái)廣東電網(wǎng)將實(shí)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(tuán)構(gòu)網(wǎng)模式。這種方式下莞城-沙角線路N-2故障時(shí)會(huì)發(fā)生電壓失穩(wěn)，為此在東莞片區(qū)加裝新型調(diào)相機(jī)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(shí)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(kāi)，0.1 s后沙莞甲線沙角側(cè)斷開(kāi)，同時(shí)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(jī)后，仿真波形如圖2所示。

通過(guò)圖2可以看出，初始狀態(tài)下，新型同步調(diào)相機(jī)為維持負(fù)荷站點(diǎn)電壓，向交流系統(tǒng)注入約80 Mvar無(wú)功功率，故障發(fā)生后，在勵(lì)磁強(qiáng)勵(lì)作用下最大發(fā)出無(wú)功功率接近600 Mvar，0.8 s左右時(shí)，寒溪站電壓快速恢復(fù)至1.0 p.u.，新型同步調(diào)相機(jī)發(fā)出的無(wú)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(wú)功功率約為0，故障發(fā)生后發(fā)出的最大無(wú)功功率約350 Mvar，1.1 s時(shí)寒溪站電壓快速恢復(fù)至1.0 p.u.，STATCOM發(fā)出的無(wú)功功率逐漸回降至初始值。

對(duì)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(jī)輸出的無(wú)功功率大于STATCOM，無(wú)功支撐峰值是STATCOM的2倍，配置新型同步調(diào)相機(jī)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(shí)，新型同步調(diào)相機(jī)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(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的一個(gè)重要應(yīng)用場(chǎng)合就是為常規(guī)直流弱受端系統(tǒng)提供動(dòng)態(tài)無(wú)功功率來(lái)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(jī)在故障切除后對(duì)交流電壓的支撐能力，本文接下來(lái)將通過(guò)電磁暫態(tài)仿真來(lái)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(jī)時(shí)，近區(qū)交流電網(wǎng)發(fā)生N-1和N-2故障，保護(hù)正確動(dòng)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(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)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(diǎn)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(jī)的工況。這是因?yàn)楣收锨谐蠼涣麟妷夯謴?fù)，隨后的電壓波動(dòng)較小，由之前的分析可知在電壓小擾動(dòng)情況下，STATCOM的無(wú)功補(bǔ)償能力優(yōu)于新型調(diào)相機(jī)，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(jī)和STATCOM在系統(tǒng)交流電壓跌落時(shí)的輸出特性，而當(dāng)交流電壓驟升時(shí)，文獻(xiàn)[4,15]已經(jīng)對(duì)它們的輸出特性進(jìn)行了比較全面的研究，概括來(lái)說(shuō)就是：由于調(diào)相機(jī)最大的進(jìn)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(jī)會(huì)根據(jù)電壓變化幅度自發(fā)吸收無(wú)功電流，當(dāng)電壓驟升幅度較大時(shí)，這部分無(wú)功電流也會(huì)非常大，但隨著低勵(lì)動(dòng)作，調(diào)相機(jī)吸收的無(wú)功功率會(huì)被限制在額定容量的1/2～2/3，而STATCOM吸收的無(wú)功功率卻可以達(dá)到額定容量的1.1倍。因此同等容量下STATCOM的過(guò)電壓抑制能力明顯優(yōu)于新型調(diào)相機(jī)。

最后本文將比較兩種無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備對(duì)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(jī)，采用短路電流計(jì)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(jì)算結(jié)果Tab.1 Short circuit calculation results

計(jì)算結(jié)果表明，新型同步調(diào)相機(jī)會(huì)提高交流系統(tǒng)的短路電流水平，在新型同步調(diào)相機(jī)安裝點(diǎn)寒溪和板橋站分別較STATCOM方案提高了2.6 kA左右，對(duì)近區(qū)500 kV變電站提高了約1 kA。

通過(guò)本節(jié)分析可以得出結(jié)論：在電壓跌落比較嚴(yán)重的場(chǎng)合，新型調(diào)相機(jī)的無(wú)功補(bǔ)償特性優(yōu)于STATCOM，因此新型調(diào)相機(jī)降低常規(guī)直流受端換相失敗風(fēng)險(xiǎn)的能力要比STATCOM強(qiáng)。而STATCOM更適用于電壓跌落較輕以及電壓驟升的場(chǎng)合，例如補(bǔ)償小的電壓擾動(dòng)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(wèn)題比較嚴(yán)重的電網(wǎng)片區(qū)，如果新型同步調(diào)相機(jī)和STATCOM都能解決大部分的電壓失穩(wěn)問(wèn)題，僅從技術(shù)方面考慮本文優(yōu)先推薦STATCOM。

3 兩種無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備經(jīng)濟(jì)性比較

如今實(shí)際工程中的STATCOM多采用鏈?zhǔn)絊TATCOM，即全橋級(jí)聯(lián)鏈?zhǔn)絊TATCOM，也叫角接鏈?zhǔn)絊TATCOM，由三相三個(gè)橋臂首尾相連組成，每個(gè)橋臂又由N個(gè)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(jī)的經(jīng)濟(jì)性。

對(duì)新型調(diào)相機(jī)和鏈?zhǔn)絊TATCOM進(jìn)行經(jīng)濟(jì)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(fèi)用、運(yùn)維費(fèi)用和損耗費(fèi)用等。新型調(diào)相機(jī)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?yàn)閮煞N無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的工作年限不同，所以本文采用等年值法來(lái)比較它們的經(jīng)濟(jì)性。等年值法是按投資方案現(xiàn)金流量和效用期間平均計(jì)算的每年現(xiàn)金流量的現(xiàn)值，對(duì)有關(guān)投資方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)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(lái)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(lái)衡量各該投資方案的優(yōu)劣[18]。具體計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

式中：A為等年值；C1為某項(xiàng)資產(chǎn)的現(xiàn)值；C2為每年的運(yùn)營(yíng)成本；R為每年的現(xiàn)金流入量；S為期滿殘值，本文中默認(rèn)新型調(diào)相機(jī)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(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的投資成本

無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的投資成本包括設(shè)備費(fèi)、安裝費(fèi)、土建費(fèi)、建場(chǎng)費(fèi)以及其他費(fèi)用等。兩臺(tái)300 Mvar的新型同步調(diào)相機(jī)投資大概需要3.3億元人民幣，兩臺(tái)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(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的運(yùn)維成本

由第1節(jié)介紹可知，新型調(diào)相機(jī)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(yùn)行要求比較高，運(yùn)維復(fù)雜，維護(hù)運(yùn)行人員多，年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)較高。而鏈?zhǔn)絊TATCOM屬于靜止設(shè)備，運(yùn)維成本相對(duì)較低。通常，新型調(diào)相機(jī)的年運(yùn)維費(fèi)用按照投資成本現(xiàn)值的5%考慮，鏈?zhǔn)絊TATCOM的年運(yùn)維成本按照投資成本現(xiàn)值的2.2%考慮。

3.3 兩種無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的損耗成本

無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的損耗主要是運(yùn)行期間損耗的電能成本。引入損耗率的概念用于表示無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備每Mvar無(wú)功功率輸出所損耗的有功功率。新型調(diào)相機(jī)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(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的損耗成本=無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的容量×年最大利用小時(shí)數(shù)×損耗率×電價(jià)。

3.4 兩種無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的成本計(jì)算

由以上分析可以得出新型調(diào)相機(jī)和鏈?zhǔn)絊TATCOM的等年值計(jì)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(jī)；下標(biāo)s代表鏈?zhǔn)絊TATCOM；Cinv為投資成本；S為無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備容量；Tmh為年最大利用小時(shí)數(shù)；P為電價(jià)。

選取永富直流受端作為比較場(chǎng)景，方案一為在永富直流受端換流站配置一臺(tái)300 Mvar的新型同步調(diào)相機(jī)，方案二為在永富直流受端換流站配置三臺(tái)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(jià)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(shí)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(shí)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(duì)等年值的影響要強(qiáng)于年最大利用小時(shí)數(shù)，說(shuō)明式(2)—(3)中等號(hào)右邊第一項(xiàng)即設(shè)備的投資成本年值是影響方案經(jīng)濟(jì)性最重要的因素，而損耗成本對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響并不顯著。在整個(gè)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(jì)性更好，即鏈?zhǔn)絊TATCOM的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于新型調(diào)相機(jī)。

以上計(jì)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(jìn)相能力相同，則需要對(duì)上面的方案進(jìn)行調(diào)整。選取扎魯特直流送端作為比較場(chǎng)景，方案三在扎魯特直流送端換流站配置一臺(tái)300 Mvar的新型同步調(diào)相機(jī)，額定進(jìn)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(tái)100 Mvar的鏈?zhǔn)絊TATCOM，額定進(jìn)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(jià)取0.6元/kWh，易知方案四的經(jīng)濟(jì)性更好，即此時(shí)鏈?zhǔn)絊TATCOM的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于新型調(diào)相機(jī)。

4 結(jié)論

本文對(duì)新型調(diào)相機(jī)和STATCOM進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較，由比較結(jié)果可得以下結(jié)論。

1)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備接入常規(guī)直流逆變站時(shí)，逆變站近區(qū)發(fā)生交流故障，新型調(diào)相機(jī)的無(wú)功補(bǔ)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(qiáng)。

2)STATCOM在補(bǔ)償小的電壓擾動(dòng)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(jī)。

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

4)對(duì)于用地緊張的場(chǎng)合，優(yōu)先考慮安裝STATCOM。

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