随着全球能源结构向可再生能源加速转型，传统火电厂等提供惯性的发电单元逐步退出历史舞台，电网稳定性正面临前所未有的挑战。然而，技术的进步为这一问题提供了切实可行的解决方案——同步调相机（Synchronous Condenser，又称同步补偿机）正成为电网稳定的“定海神针”。本文将深入探讨电网惯性下降的成因、影响以及同步调相机如何助力电网迎接新能源时代。
电网惯性的重要性与新能源的挑战
在电力系统中，惯性是指传统同步发电机（如燃煤、燃气、核电和水电设备）旋转部件中储存的动能。这种动能能在电网频率发生快速变化时，自动提供瞬时响应。例如，当大型发电机突然掉线或工业负荷骤增时，旋转部件通过释放或吸收能量，减缓频率变化速度，为控制系统争取宝贵的反应时间，从而维持电网稳定。
历史上，惯性一直是电网稳定的核心支柱。它不仅能有效限制频率变化速率（ROCOF），防止保护继电器误动作，还能为调速器等主频率响应机制提供缓冲时间。此外，同步发电机的短路功率（Short Circuit Power）也至关重要。在发生短路故障时，发电机能够迅速提供高电流，触发保护继电器和断路器，快速隔离故障，避免系统崩溃。
然而，随着风能、太阳能等可再生能源的广泛应用，电网惯性面临严峻挑战。这些新能源通过电力电子变流器接入电网，本身不具备自然惯性响应。随着传统发电机组逐步退役，系统惯性、短路响应能力以及无功功率支持均显著下降，电网更容易受到频率波动和不稳定性的威胁。
同步调相机：稳定电网的“利器”
面对惯性下降的难题，同步调相机成为一种高效、成熟的解决方案。西门子能源欧洲和非洲FACTS产品线销售负责人鲁迪格·詹森（Ruediger Jansen）表示：“同步调相机是解决现代电网惯性问题的精妙方案。它们本质上是无需连接原动机（如涡轮机）或机械负载的同步电机-发电机。”
同步调相机通过直接连接电网，依靠其旋转质量提供惯性响应。它能在电网频率扰动时，迅速注入或吸收电能，稳定系统频率。同时，通过调节励磁状态，同步调相机可提供或吸收无功功率，助力电压稳定。此外，它还能增强短路电流能力，提升电网应对故障的能力。最重要的是，同步调相机能无缝融入现有电网基础设施，与保护系统兼容。
同步调相机的部署方式灵活多样：
1. 新建同步调相机：在电网关键节点新建定制化设备，适合长期投资规划。
2. 改造退役发电机：将退役火电机组的涡轮机移除，改造成同步调相机，充分利用现有资产。
3. 混合解决方案：通过在现有燃气或蒸汽轮机与发电机之间加装同步自换相（SSS）离合器，实现发电与同步调相机模式的灵活切换。还可通过飞轮增加额外惯性。
西门子能源全球蒸汽电厂现代化与转型销售负责人诺伯特·亨克尔（Dr. Norbert Henkel）表示：“通过将可能废弃的电厂资产转化为同步调相机，我们的旋转电网稳定器（RGS）解决方案能为电网提供必要的惯性、短路功率和无功支持，性价比极高。”
全球实践：同步调相机的成功案例
同步调相机已在全球范围内证明了其价值，以下是几个典型案例，展现其如何助力电网稳定和新能源整合。
1.爱尔兰Moneypoint电站：从燃煤到绿色枢纽
位于爱尔兰香农河口的Moneypoint电站曾是该国最大的燃煤电厂，装机容量915兆瓦，长期为爱尔兰提供约25%的电力需求。随着爱尔兰加速脱碳，Moneypoint将在2025年底前停止燃煤发电，转型为可再生能源中心。其“Green Atlantic@Moneypoint”项目通过安装同步调相机，开启了新篇章。
该同步调相机配备全球最大的130吨飞轮和66吨转子，以3000转/分钟运行，提供4000兆瓦秒的惯性。这一设备投资5000万欧元，有效稳定电网频率波动，避免潜在停电风险。未来，Moneypoint还将整合1400兆瓦海上风电、风电设备制造中心及绿色氢能设施，为爱尔兰的低碳目标提供强力支持。
2.澳大利亚Townsville电站：混合模式创新
澳大利亚昆士兰州Townsville电站（TPS）是一座242兆瓦的联合循环电厂，近期通过西门子能源的改造，新增了混合旋转电网稳定器（RGS）。通过在燃气轮机与发电机之间加装SSS离合器，TPS可在发电与同步调相机模式间快速切换，提供约350-400兆伏安的短路功率和250-1000兆瓦秒的惯性。
图5：Townsville发电站在燃气轮机和同步发电机之间的轴上加装同步自换挡(SSS)离合器是提高系统强度的最低成本方案。该离合器可实现从发电模式到同步调相机模式的近乎瞬时切换。
这一改造不仅成本比新建同步调相机低50%，而且工期从三年缩短至18个月，为业主创造了新的收入来源，同时增强了澳大利亚国家电力市场（NEM）的稳定性。
3.美国Intermountain电力项目：新能源与传统融合
美国犹他州的Intermountain电力项目（IPP）自1986年起通过两台燃煤机组每年发电超13太瓦时。面对能源转型，IPP启动“IPP Renewed”项目，新增可使用30%氢燃料的燃气发电机组，并计划到2045年实现100%氢能发电。同时，项目利用地下盐穹储存绿色氢能，结合西门子能源提供的三台SGen-2000P系列同步调相机，确保高压直流输电线路满负荷运行。
这是美国乃至全球规模最大的单一地点同步调相机项目，为加州和犹他州的电力稳定提供了关键支持。
4.英国Killingholme电站：退役设备再利用
英国Killingholme电站曾是英国最大的燃气电厂之一。2017年转为开式循环电厂后，其蒸汽轮机退役。Uniper与西门子能源合作，将退役发电机改造成同步调相机，并加装飞轮，提供最大惯性。该项目为英国国家电网提供关键稳定服务，支持可再生能源的进一步整合。
面向未来的有效解决方案
同步调相机作为一项“古老而又新潮”的技术，正在全球能源转型中扮演重要角色。它不仅能提供惯性、短路强度和无功支持，还能通过改造现有基础设施，降低成本、减少资源浪费。无论是新建、改造还是混合模式，同步调相机都为电网提供了灵活、高效的解决方案。
在新能源占比不断提高的背景下，同步调相机不仅是技术手段，更是电网运营商和政策制定者的战略投资。它将传统电网的稳定性与现代脱碳目标相结合，为构建安全、可靠、可持续的电力系统铺平道路。
原文链接：
https://www.powermag.com/how-decreasing-inertia-is-affecting-power-grids-and-what-to-do-about-it/
作者：Aaron Larson
本文已进行编译。
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