可控硅控串联电容补偿器(TCSC)的结构、原理及应用研究报告

1、可控硅控串联电容补偿器(TCSC)的结构、原理及应用研究报告摘要可控串联电容器(TCSC)补偿装置是在常规串联补偿技术上发展而来的一种新型电力装置。由于采用晶闸管快速控制，其基频等值阻抗可以在较大范围内连续调节，既可以呈现容性电抗，也可以呈现感性电抗。TCSC的出现为电网运行控制提供了新的手段。除了具有常规串联补偿技术的优点之外，TCSC可以用于电力系统暂态稳定控制、阻尼功率振荡控制、SSR抑制以及动态潮流控制等。TCSC装置是一种结构简单、控制灵活以及容易实现的器件。正因为TCSC具有这些特点，因此在工业中较早投入应用。本文将通过简单介绍TCSC装置的结构及其工作原理，详细讨论TCSC装置的

2、阻抗调节特性，以及考虑装置额定运行参数约束时TCSC装置的工作特性，从而归纳出TCSC装置的控制模式。其中，TCSC作为一项高可靠性和经济性的电力系统调节技术，在现代电网中的应用正在逐渐推广，口前全世界有多个TCSC工程在投人运行。本文还将针对TCSC装置在现代电网中的工程应用做出简要介绍，为从事TCSC的工程人员提供参考。关键字：可控串联电容补偿器；结构原理；工作特性；控制模式；工程应用1 绪论可控串联补偿技术是在常规固定串联补偿技术的基础上为适应电力系统运行控制的需要而发展起来的。早期的可控串联补偿器采用机械开关投切串联电容器(Mechanically Switched Series Ca

3、pacitor，简称MSSC)来实现，它采用分段投切方式改变对线路阻抗的补偿程度。由于机械开关动作速度较慢，因此，这种补偿装置只主要用于电网潮流控制。随着大功率电力电子器件技术的成熟和发展，出现了利用晶闸管控制的串联补偿技术，包括晶闸管控制串联电容补偿器(Thyristor Controlled Series Capacitor，简称TCSC)和晶闸管投切串联电容补偿器(Thyristor Switched Series Capacitor，简称TSSC)。与机械开关控制的补偿装置相比，晶闸管控制补偿装置可以实现串联补偿度的快速调节，其性能可以满足电力系统稳定控制和快速潮流控制的需要。与MSS

4、C和TSSC相比，TCSC具有阻抗连续可调节的优秀性能，因此，该项技术一经提出，就受到了电力工业界和电力系统研究人员的广泛关注。2 TCSC装置的结构原理及其工作特性本章将介绍TCSC装置的基本结构及其工作原理，对TCSC电路的阻抗调节特性、装置工作特性进行了深入分析。2.1TCSC装置的基本结构 TCSC具有结构简单、控制灵活和容易实现的特点，因此是较早投入工业应用的一种FACTS装置。图2.1是一种典型的工程实际应用TCSC的结构，它由一组固定容量的串联电容器和一个TCSC组成。工程上常常采用这样的组合实现输电线路阻抗的可控串联补偿，有的TCSC是通过将现有固定串联电容补偿装置中的一部分改

5、造为TCSC来完成的。由图可以看出，整个TCSC装置的一次设备由主电路模块、操作控制模块和测量模块等三部分组成。图中，断路器CB3及隔离开关DS1、DS2和DS3构成了装置的控制模块，它通过一定的开关顺序控制操作，实现整个装置安全可靠地投入和退出运行，CB1还可以兼作紧急状态下装置的二级保护。主电路模块包括固定串联电容器和TCSC。固定串联电容器用于瞬态电容器过电压保护的MOV和间隙保护元件，以及用于投切固定串联电容器的旁路断路器CB2。旁路断路器CB2支路上设置有用于限制电容器放电电流的阻尼电抗器。和固定串联补偿电路结构相比，TCSC主电路子模块增加了一个由双向晶闸管控制的电抗器支路(Thy

6、ristor Controlled Reactor，简称TCR )。电抗器用于控制TCSC的阻抗，其参数对于TCSC装置的阻抗调节特性具有重要的影响，同时也兼作TCSC旁路断路器支路的阻尼元件。该TCSC电路省去了在固定串联电容补偿中采用的间隙保护元件，这是因为在TCSC晶闸管控制方式下，可以快速实现电容器的保护。在实际工程应用中，可以有多个固定串联补偿子模块和TCSC子模块串联组成整个串联补偿装置。测量系统的任务是为装置工作状态的监测控制和保护提供实时有效的信息，因此，所有与装置工作特性以及保护功能相关的变量都需要由该模块进行测量。用于装置控制功能的输电线路电流，母线电压，以及用于装置保护功

7、能的电容器两端的电压和支路中的电流、电容器组间的不平衡电流、MOV支路电流和晶闸管支路电流等都是需要测量的电气量。注意到电容器的接线采用四组相同的电容器组按照桥型方式连接，其电容参数等效于一组电容器的参数。这样连接的目的是为了方便地实现电容器组的故障监测。通过检测中间桥路上流过的不平衡电流就可以监测是否出现了电容器组的内部故障。测量系统是连接装置中电气主回路和用于控制保护的二次系统的中间环节，出于绝缘和电气隔离的考虑，工程实际TCSC装置中的测量元件通常采用光电转换器件。由于整个TCSC装置将串联接入高压输电系统运行，因此，必须监视主回路安装平台对大地的绝缘状态，这是通过测量泄漏电流来实现的。

8、2.2 TCSC基本运行模式和阻抗调节特性1、TCSC基本运行模式由于TCSC是一种串联运行的FACTS元件，因此，在分析TCSC的运行模式和阻抗调节特性时，将线路电流作为外部激励电源考虑。根据由简单到复杂的原则，先考虑单相TCSC电路，如图2.2所示。图中，线路电流iLINE是TCSC的外部激励输入电流，电容器电压uC和晶闸管支路电流iTH是TCSC装置的状态量，电容器电流iC等于线路电流iLINE和晶闸管支路电流iTH的差。电路中各个电气量的参考方向如图中箭头所示。晶闸管触发控制信号是TCSC的控制输入。由图可以看出，在线路电流不变的情况下，通过周期性地触发导通晶闸管，将在TCSC电路中产

9、生环路电流iTH。正是这个环路电流影响了电容器的充电电流iC，从而可以改变电容器两端的电压uC。最终改变了接入输电线路的阻抗的大小。根据晶闸管导通状况的不同，TCSC电路有三种基本运行模式，即：晶闸管全关断模式(电抗器退出运行)、晶闸管旁路模式(电抗器全值接入)和微调运行模式(电抗器可调接入)。TCSC的微调运行模式又可分为容性微调运行和感性微调运行两种运行方式。图2.3和图2.4是TCSC装置与上述几种基本运行模式对应的电路稳态运行波形图。图中横坐标为时间轴，用电角度表示;纵坐标为各有关电气量，均用标么值表示，其中电流量的基准值为线路电流的峰值，电压量的基准值为基准线路电流单独流过串联电容器

10、时产生的电容电压峰值。图中，和是按照两种不同方式定义的晶闸管控制角。称为触发延迟角，表示电容电压过零点(晶闸管开始承受正向电压)到晶闸管开始导通时刻之间的电角度差：是触发越前角，定义为晶闸管导通时刻相对于随后的电压过零点的超前时间(用电角度表示)。两者之间满足关系式=-。表示晶闸管导通区间的电气角度，即晶闸管导通角。在稳态运行情况下，=2。图2.3(a)的运行方式对应为晶闸管触发延迟角为=180。的情况，相应的触发越前角=0o。在这种运行方式下，晶闸管处于全关断状态，TCR支路电流iTH=0，电容器电流就等于线路电流。这时的TCSC相当于一个固定串联电容器补偿装置，其等效电抗就是电容器的标称容

11、抗Xc。这种运行模式称作晶闸管全关断(以下简称BLOCK)运行模式。当触发延迟角从180o开始减小，即增大触发越前角时，晶闸管开始部分导通，TCSC模块中出现了如图2.3(b)所示的脉冲状环路电流。图中，=150o，=60o;由于环路电流iTH的基波分量与线路电流反相，两者共同作用的结果，使得电容器电流基波分量与线路电流同相，幅值大于线路电流。由于电容器电压基波分量滞后于线路电流90o，幅值大于线路电流单独通过电容器时产生电压的基波分量幅值，因此，这时的TCSC等效为一个容性电抗，其数值大于电容器的标称容抗Xc。在不考虑暂态变化过程的情况下，的导通角变化范围内，如逐渐增大触发越前角，晶闸管的导

12、通角将逐渐增大，在一定TCSC装置的等效阻抗表现为逐渐增大的容抗特性。TCSC的这种运行方式称为容性微调运行方式。随着触发延迟角的进一步减小，晶闸管导通角将继续增大。当导通角大于某一特定值之后，TCSC电路将呈现与图2.3完全不同的运行特性，其运行波形如图2.4所示。在图2.4(a)中，触发延迟角=138o，晶闸管导通角达到一个较大的数值，=840o这时，TCSC模块中的环路电流i。仍然为间断的脉冲电流，但是其基波分量的幅值将大于线路电流的幅值，其相位与线路电流相同，两者的共同作用会使电容器电流的基波分量与线路电流反相。这时，电容器电压基波分量超前线路电流90o，TCSC等效阻抗为感抗。在一定

13、的区间内，连续改变导通角，TCSC的等效感抗也发生连续变化。TCSC的这种运行方式称为感性微调运行方式。图2.4(b)是触发延迟角=90o时的情况，在理想情况下，两只反并联的晶闸管导通角各为180o，使TCR支路连续导通，这时TCSC装置等效于电容器和电抗器的并联运行。环路电流i。基本上是连续的正弦变化量，与线路电流同相，数值上略大于线路电流，结果使电容器电流在数值上远小于线路电流，产生的电容器两端的电压在相位上超前线路电流，幅值很小，TCSC模块呈现小值等效感抗。TCSC的这种运行模式称为晶闸管旁路(以下简称BYPASS)运行模式。图2.5和图2.6分别给出了上述TCSC的三种基本运行模式下

14、的各支路基波电流分布示意图，图中，箭头方向相同表示相位相同，相反则表示相位相差180o;箭头粗细形象地代表基波电流幅值的大小。在TCSC装置的实际应用中，还需要区分如下的两种不同旁路运行模式，即：“断路器旁路运行模式”和“晶闸管旁路运行模式”。除了上述的晶闸管旁路运行模式外，实际TCSC装置中往往包含用断路器旁路TCR的电路，断路器的闭合可以构成TCSC的断路器旁路运行模式。晶闸管旁路运行模式的作用是向TCSC装置提供快速的控制和保护手段，而断路器旁路模式是用来退出TCSC或者因为TCSC内部故障而采取的保护措施。和TSSC和MSSC相比，TCSC的特点是它可以工作在微调运行模式下。在微调运行

15、模式下，TCSC晶闸管支路在半个周波内部分导通，由此产生周期性的环路电流作用于电容器充电过程，从而改变了TCSC电路的等效电抗。由于TCR支路的控制触发角可以连续调节，因而其等效阻抗也可以在一定范围内连续发生变化。而对于TSSC和MSSC来说，电容器的并联支路是通过晶闸管或者机械开关来控制的，该支路要么全导通，要么完全关断，分别只能对应于TCSC的晶闸管旁路运行模式和全关断运行模式。2、TCSC等效基频阻抗与晶闸管控制角之间的关系由上述分析可知，周期性的环路电流是TCSC等效电抗可连续调节的直接原因，这里晶闸管控制触发角的大小成为TCSC装置的控制变量，通过改变晶闸管的控制触发角可以改变TCS

16、C电路中的环路电流，从而改变TCSC的等效电抗。因此，基于对晶闸管电流的分析，可以得到TCSC稳态工频电抗与晶闸管控制角(用触发越前角表示)之间的关系，如公式(2-1)所示55。jXtcsc=1jC1-k2(2+sin2)k2-1+4k2cos2k2-12ktgk-tg (2-1)式中：k=0，0=1LC，为电容器和电抗器环路的谐振角频率。为工频角频率。方程(2-1)表示了恒定正弦电流源激励条件下TCSC的工频等效电抗。可见TCSC的工频等效阻抗特性由图2.2中电容器和电抗器的参数共同决定。公式(2-1表示的微调运行模式下TCSC稳态工频阻抗特性如图2.7所示。图中横坐标是触发延迟角，纵坐标是

17、TCSC工频稳态等效电抗，采用标么值表示，其基准值是串联电容器标称容抗。并且在这里定义容性电抗为正，感性电抗为负。由图可以看出：(1)TCSC晶闸管触发延迟角的控制范围是90o到180o，在该范围内，TCSC的稳态阻抗特性分为容性运行区和感性运行区。在感性运行区和容性运行区之间的转换过程中，要经过一个谐振点。与谐振点对应的控制触发延迟角res的大小由电感和电容的参数决定。(2)当晶闸管触发延迟角位于区间(res,180o内时，TCSC呈现容性等效电抗运行特性。触发延迟角为180o时对应于晶闸管全关断运行模式，对应的等效容抗数值最小，即电容器标称容抗Xc，标么值为1.0p.u.。从180o逐渐减

18、小触发延迟角(增大触发越前角)，TCSC等效容抗逐渐增大，对应于容性微调运行模式。(3)当晶闸管触发延迟角位于区间90o,res)内时，TCSC呈现感性等效电抗运行特性。触发延迟角为90o时等效感抗XBypass数值最小，对应于晶闸管旁路运行模式，等效感抗在数值上等于电容电抗和电感电抗的并联，一般远小于1.0p.u.。从90o开始逐渐增大触发延迟角，在到达谐振角res之前，TCSC感性等效电抗逐渐增大，对应于感性微调运行模式。(4)单模块TCSC的阻抗调节范围具有一定的范围。最小容抗为电容器标称容抗，对应于BLOCK运行模式;最小感抗对应于BYPASS模式时的等效电抗XBypass。TCSC装

19、置的等效阻抗在数值上小于XC的容抗以及小于XBypass的感抗是不可能得到的。另一方面，由于靠近谐振点运行时会产生过大的工作电压和电流，因此，为保证TCSC的稳态运行，必须将触发控制角限制在一定的范围内。在感性运行区，触发延迟角不允许超过最大触发延迟角MAX，对应的最大等效感抗为XLMAX;在容性运行区，最大触发越前角不能超过MAX，对应的最大等效容抗为XCMAX。3、考虑电容器电压时间过载特性的TCSC晶闸管控制角调节范围 线路电流一定的情况下，在容性运行区增加触发越前角，或者在感性运行区增大触发延迟角，电容器电压都会相应地增大，导致TCSC呈现增大的等效阻抗特性。另一方面，相同的晶闸管控制

20、角下，线路电流越大，则电容器上产生的电压越高。考虑到实际电容器的电压承受能力是有限的，因此，对实际运行的TCSC，其阻抗控制范围与线路电流的大小也必须有相应的限制。 图2.8表示的是在不同的线路电流激励条件下，考虑电容器电压承受能力时，TCSC的阻抗调节特性图。横坐标为晶闸管触发延迟角，以电气角度为单位;纵坐标为电容器电压标么值，基准值为额定线路电流(最大连续运行电流)单独流过电容器时产生的压降。图中每一条曲线代表了一种线路电流水平下晶闸管控制角变化与电容工作电压的关系。中间虚线所在的位置为谐振控制角的位置，虚线左侧对应于感性运行区，右侧对应于容性运行区。按照串联电容器产品标准，串联电容器设计

21、具有电压时间过载特性。比较典型的情况是，当工作电压不超过额定电压时，电容器可以24小时连续工作;当工作电压达到额定值的1.5倍时，电容器可以短时间(典型值30分钟)承受过负荷运行，同时必须间隔2小时后方可再次承受同样的过负荷;当工作电压达到额定电压的2倍时，电容器可以过载工作几秒钟(典型值10秒钟)。这些电压限制条件相应地在图中给出，以表明在给定的线路电流水平下，晶闸管控制角的运行限制范围。由图2.8可以形成这样的概念：(1)在线路电流小于最大连续工作电流时，电流值越小，TCSC阻抗在容性运行区的可控运行范围越宽。在连续运行区，线路电流较低时甚至有可能实现输电线路电抗的完全补偿。除了在连续运行

22、区可以以较大的等效阻抗运行之外，还可以通过控制晶闸管，使之主动运行于短时过载状态，这是TCSC区别于固定串联补偿装置只能被动地承受过负荷的一个重要特点。(2)当线路电流超过最大连续工作电流之后，TCSC短时过负载状态下运行，这时在调节TCSC等效阻抗时，必须考虑电容器过载电压时间特性的限制。短时过负载状态下TCSC的等效阻抗仍然在一定范围内可以调节，调节范围与过载电流大小有关。这种工作特性对于提高电力系统在故障后的短时间内电网非正常运行方式的性能具有很重要的作用。(3)在线路电流达到额定值2倍的情况下，仍然有可能保持TCSC在电网中运行，并且它仍然具有一定的阻抗调节能力。这一特性对于平息故障切

23、除后系统功率摇摆的过程非常有用。(4)从感性运行区可以看到，晶闸管旁路状态下，TCSC甚至可以在连续运行状态下，承受几倍于额定电流的故障电流。其承受能力与电容器和电抗器的工频电抗比值有关。充分利用其短时间过载能力，可以使之承受更大的故障电流。由于具有这一特点，TCSC的晶闸管旁路运行模式常常被用于在故障状态下保护串联电容器，并且因为这时TCSC无须退出电网运行，因此可以保证在故障恢复过程中，快速地控制TCSC，使之按照有利于系统稳定运行的目标，转换到需要的运行模式运行。2.3TCSC装置的工作特性受到设备元件电压电流工作特性及其额定参数的限制，TCSC元件必须工作在允许的范围内。由上面的分析知

24、道，TCSC装置元件的工作电压和电流决定于线路电流水平以及触发控制角，而触发控制角的大小也就决定了TCSC运行电抗的大小。因此，TCSC装置的工作能力与运行参数(线路电流和运行电抗)之间存在确定的关系。正确理解这种关系，无论是对于装置参数的设计还是运行参数的确定，以及在系统特性的计算时都是非常必要的。通常采用TCSC装置的对外V-I曲线或者装置的X-I曲线来描述TCSC装置的稳态工作特性。1、TCSC装置的V-I特性曲线图2.9给出了用电容电压(V)和线路电流(I>的关系表示的单模块TCSC工作特性。横坐标为线路电流标么值，以TCSC额定工作线路电流(记为IR，即为TCSC连续运行的最大

25、工作电流)为基准。纵坐标表示电压的标么值，其基准值为额定线路电流在电容器上产生的电压降，即：VB=IR+XC。图中，容性可控运行区域是一个三角形区域。根据运行时间的不同，有不同的电压、电流极限，表示实际装置的运行约束条件。从原点出发的每一条直线代表一个常数电抗值。图中标有“晶闸管全关断”的那根直线代表的是TCSC晶闸管支路电流为零时的容性等值电抗，数值上等于电容器的标称XC。当晶闸管导通时间增加时，电容器电压增加，结果增大了TCSC的等效容性电抗，对应于在图中将常数电抗直线逆时针转动。TCSC的可控容性电抗变化范围是电容电压和线路电流的函数，最大典型值是三倍电容器工频电抗(3p.u.)，如图中

26、标有“最大触发越前角”的直线所示。控制运行区的常数电抗线并不总是延伸到原点，这是因为所有的晶闸管都具有一个最小触发导通电压，低于该电压的时候晶闸管不会触发导通。另外，在工程上晶闸管阀的触发电路电源取自某些阀支路电流，因此当线路电流很低时，限制晶闸管的正确触发受到限制。结果使TCSC具有最小电流和电压限制，低于该值的时候晶闸管触发不可靠。TCSC的电压电流限值限制了其运行区域，TCSC模块调节电抗的能力受装置所能承受相关电压能力的限制。当长期连续运行于容性区域时，电压限值由串联电容器额定连续运行电压确定，如公式(2-2所示：VR=IRXR (2-2)式中：IR是通过TCSC装置的额定(最大)连续

27、运行线路电流的工频有效值;XR是额定连续运行电抗，对应于额定电流IR时允许的最大工频容性电抗;VR是TCSC连续额定运行时的工频电压有效值。在有些应用场合，特别是对于那些在己有的固定串联补偿装置上进行改造的TCSC工程，连续额定运行点可能会定义为BLOCK运行模式，即有XR=XC。然而，实际上TCSC更多地运行于微调控制模式，这时XR不等于XC，如图2.9中虚线所示。 在图2.9中，标有咋的水平线就代表串联电容器的工作电压限制条件。TCSC应该可以连续运行在由电压VR限制的运行区域，即图中标有“I”的运行区域，阻抗可调节范围为lp.u.到3p.u.之间。但是尽管运行电抗可以控制在lp.u.和3

28、p.u.之间变化，如果产生的稳态电压超过了VR，控制器会根据装置短时和动态过载时间限制条件自动减小运行电抗指令XORDER，直到电容电压不大于VR为止。 图2.9中VT代表TCSC串联电容器可以短时承受的过电压值，对应的水平直线代表相应的电压限制条件，它和XORDE。变化范围共同确定的运行区域(图中标有“II"的运行区域)是TCSC短时过载运行区。图中，I表示在额定运行电抗点时TCSC可以承受的最大短时过载电流。TCSC短时承受过负荷的运行时间典型值为30分钟。电容器额定过电压VT一般为VR的1.35到1.5倍。IEEE标准规定，在这样的过载情况下，电容器在其寿命期间应该可以承受大约

29、300次过载。 图2.9中VD表示TCSC暂态过程中TCSC承受过电压的能力，对应的水平线与X ORDE。变化范围共同确定的运行区域(图中标有“III”的运行区域)是TCSC的动态过电压运行区。图中I。表示在额定运行电抗点时TCSC可以承受的最大暂态过载电流。TCSC在暂态过程中承受过载的典型持续时间为10秒钟。凡的典型值为2倍VR。位于由凡确定的水平线上的虚线(标有吹)代表TCSC装置过电压保护水平，对应于MOV或者其他保护设备的动作电压值。 TCSC在感性区运行的情况如图2.9纵轴负方向的多边形区域所示。感性运行受到最大触发延时角(标有“最大触发延迟角”的直线)和最大晶闸管电流(标有“最大

30、晶闸管电流”的直线)的限制。两者之间是与谐波热效应(标有“谐波热极限”的直线)有关的限制，图中近似为一恒定的电压限制。这些谐波将会使晶闸管和电抗器产生热效应，同时会产生接近电容器和氧化锌避雷器的耐受电压能力的电压峰值。出于这种考虑，其影响近似地设定为定值电压限制。 标有“晶闸管旁路”的直线代表晶闸管旁路时TCSC的等效电抗(感性)，它对应于TCSC的最小运行感抗。该直线可能向电流轴线方向延伸到很远，这是因为可能会要求电抗器承受电力系统较大的故障电流。与容性运行区相似，感性运行区也有连续运行、短时过载运行以及暂态过载运行三个区域，分别如图中标记“I、II、III”所指区域所示。需要指出的是，图中

31、的电压限制线认为是有效值电压。尽管实际上大多数设备都对峰值电压敏感，而不是对有效值电压敏感，但是因为TCSC在微调运行方式下，增加XORDER时，工频电压有效值相应成比例地增大，而由于电压畸变随之增大，峰值电压以较小的比例增加。因此这样的表示方法对于理解TCSC的特性没有什么不利的影响。在设计TCSC装置时，需按照峰值电压来考虑。此外，用于表示保护水平的电压是指峰值电压。2、TCSC装置X-I工作特性图2.10是用运行电抗和线路电流之间的关系来表示的TCSC工作特性，它所表示的信息与图2.9相似，只是纵坐标用电抗代替电压。连续容性运行区域如图中标记“I”所指区域所示。运行区下边界即为电容器基频

32、电抗。上限XM典型值是不超过3p.u.的电抗指令。曲线边界(实线所示)表示满足VR=I*X的每一个连续运行点(X,I)。左边的边界是晶闸管能够可靠触发的最小线路电流。从应用的角度出发，TCSC可以运行在容性连续运行区域内的任意一点，以控制系统的稳态潮流。可以是定阻抗控制模式，也可以是定功率传输控制模式。图2.9给出了扩展的短时运行区域，如图中标记“II”所指区域所示，曲线边界(点画线所示)表示满足VT=I*X的所有运行点(X,I)。TCSC可以利用串联电容的短时过流和过压能力(VT=1.351.5VR)，在该区域短时运行。由于具有这种能力，TCSC就可以在电流高于连续额定运行电流时维持恒定电抗

33、，或者根据系统运行情况短时地增大其电抗。在动态过程中(典型持续时间小于10秒)，TCSC可以运行于图2.9所示的最大运行区域内(如图中标记“III”所指区域)的任何一点，曲线边界(虚线所示)表示满足VD=I*X的所有运行点(X,I)。TCSC的这一运行区域对于其阻尼电力系统功率振荡非常重要。当应用稳定分析计算结果确定电力系统对TCSC动态过载能力的要求时必须注意，有些系统稳定分析程序简单地将TCSC用一个可变阻抗代表，而没有考虑到实际TCSC装置的最大过电压与时间限制的约束条件，这是不全面的。图2.10中纵轴负方向的靠近横轴的水平线表示TCSC在BYPASS模式运行时所呈现的纯感性电抗。下方的

34、水平线代表最大触发延迟角时的感性电抗。曲线边界分别代表连续运行(实线)、短时过载运行(点画线)以及动态过载运行(虚线)区域的边界。从图2.10中可以清楚地看到单模块TCSC在容性和感性运行区之间存在阻抗控制断层，同时也能看到随着线路电流的增加，其动态运行范围减小。利用X-I特性曲可以线非常直观方便地确定TCSC的运行范围。3、多模块TCSC的工作特性 在某些实际应用的TCSC装置中，为了可靠地阻尼功率振荡或者调整相邻线路间的潮流，需要相对平滑的电抗控制。在系统输电压力很大的时候，很可能要求具有TCSC的线路能输送比连续额定值高的负荷，这时就可能需要平滑的阻抗控制。为了得到这种特性，可以考虑将整

35、个TCSC装置分成多个相同的模块。以两个模块的TCSC为例，图2.11给出了两模块组合TCSC的三种可能运行区域。这两个模块可以各自独立地在容性范围或者感性范围运行。当两个模块都运行在容性微调模式时，整个TCSC的运行区域如图中标记为“I”的区域所示。当两个模块都运行在感性微调模式时，整个TCSC的运行区域如图中标记为“III”的区域所示。当一个模块运行于感性微调模式而另一个模块运行于容性微调模式的时候，整个TCSC的运行区域覆盖了单模块TCSC固有的阻抗调节断层区，如图中标记为“II”的区域所示。由此可见，采用两个模块的组合结构扩大了TCSC的工作范围，可以消除阻抗调节的跳变区，得到平滑的调

36、节特性。实际上，TCSC划分的模块越多，可用的控制范围就越大。因此，对于相同的装置容量，使用多模块结构可以获得比单模块结构更完整的连续阻抗控制范围。多模块结构不仅可以起平滑阻抗调节的作用，而且在装置的利用率方面还有其优点。合理确定模块数目，把一个模块设置为备用对于提高设备的利用率非常有益，同时可以降低模块备用的费用。2.4 小结TCSC具有BLOCK、BYPASS以及微调运行三种基本运行模式。阻抗微调运行模式是TCSC区别于常规串联补偿以及MSSC和TSSC的重要特点。本章简要介绍TCSC装置的结构及其工作原理，详细讨论了TCSC装置的阻抗调节特性以及考虑装置额定运行参数约束时TCSC装置的工

37、作特性。主要结论如下：(1)在恒定正弦电流激励的条件下，TCSC的稳态工频等效阻抗是触发控制角的函数。以电容电压为参考信号，TCSC触发延迟角的理论调节范围是90O到180O。在该范围内TCSC的稳态阻抗特性分为容性运行区和感性运行区。感性运行区和容性运行区之间的转换要经过一个谐振点。与谐振点对应的触发控制延迟角决定于TCSC装置电感和电容的参数。(2)单模块TCSC的基频等值阻抗具有一定的调节范围。BLOCK运行模式下等效容抗最小；BYPASS模式时的等效感抗最小。两者之间的电抗数值为TCSC的不可能运行区域。另一方面，考虑到靠近谐振点运行时会产生过大的工作电压和电流，以及由于运行在这个区域

38、时，TCSC的等值基频阻抗对触发控制的精度敏感性加剧，而可能导致的触发不稳定性问题，稳态情况下必须限制触发控制角。在感性运行区必须确定一个最大触发延迟角，在容性运行区，必须确定最大触发越前角。(3)由于电容器额定电压参数的限制，实际运行时TCSC的阻抗控制范围与线路电流的大小有关。线路电流小于最大连续工作电流时，电流值越小，TCSC阻抗在容性运行区的可控运行范围越宽。 (4)像常规固定串联补偿一样，TCSC也可以运行在短时过负载状态。通过晶闸管控制可以使TCSC主动运行于短时过载状态，这是TCSC区别于固定串联补偿只能被动地承受过负荷的一个重要特点，。 (5)在晶闸管旁路运行状态下，TCSC甚

39、至可以连续承受几倍于额定电流的故障电流。其承受能力与电容器和电抗器的工频电抗比值有关。因此故障状态下通过晶闸管控制保持TCSC并网运行，可以保证在故障恢复过程中快速地将TCSC转换到所需要的运行模式，使之按照有利于系统稳定运行的目标运行。 (6)TCSC的工作特性表示了各种不同负载情况下TCSC的运行调节范围。影响TCSC工作特性的主要因素包括电容的额定电压、电抗器和晶闸管的额定电流以及晶闸管脉冲触发精度。TCSC的工作特性常用V-I关系和X-I曲线来表示。从X-I曲线可以直观地根据线路工作电流确定TCSC运行电抗可控范围。 (7)单模块TCSC容性和感性阻抗之间存在着阻抗调节断层。为了满足电

40、力系统对于阻抗调节的平滑性要求，可以采用多模块组合的结构。多模块结构扩大了TCSC的阻抗调节范围，提高了阻抗平滑调节性能。3 TCSC装置的控制模式3.1 开环控制 TCSC最基本的控制模式为开环阻抗控制模式，该模式主要应用于控制系统潮流，其控制框图如图3-6所示。图中，Xref、为不包括串联电容器电抗的电抗参考值，Xmax、Xmin为TCSC电抗值的上、下限，Xdes为TCSC的期望值，XT为TCSC输出的可调电抗。由图3-6可知，线路潮流值或稳态串补度期望值为输入信号，以TCSC的参考电抗值Xref。形式被送至控制器，在TCSC等效阻抗上下限值之间，用一个延时环节来模拟控制器，延时环节的时

41、间常数典型值为15ms。经控制器输出的信号是一个电抗值，将该信号线性化可得到所需的触发角，再将触发角信号传输至触发脉冲发生器。最后，由触发脉冲发生器产生触发晶闸管的触发脉冲，从而得到希望的TCSC等效电抗值。3.2 闭环控制1、定电流控制该控制方法中，将线路电流幅值的期望值作为TCSC控制器的参考信号，而控制器的作用就是维持实际线路电流在这个期望值附近较小范围内。典型的TCSC定流控制器模型如图3-7所示。 测量单元测量三相电流并将其整流，整流后的信号被送入滤波环节，滤波环节包含一个50Hz的陷波滤波器、一个100Hz的陷波滤波器以及一个高通滤波器。将滤波后信号规格化，保证它与参考电流信号的单

42、位一致。 典型的控制器是一个比例积分(PI)型控制器，该控制器输出希望的电纳信号，并使其落在预先设定的范围之内。电纳信号经一个线性化环节转化为触发角信号。通常采用一个运行模式选择器来保护TCSC。在短路情况下，当流过金属氧化物变阻器(MOV)的电流超过阀值时，TCSC将被切换到晶闸管旁通模式即晶闸管投切电抗器(TSR)模式。在这种模式下，晶闸管全导通，使TCSC的电压和电流大大减小，从而减小了MOV上的应力。在故障清除期间，执行晶闸管闭锁模式(等待模式)。因为当电容器重新接入到电路中时，会产生一个直流电压偏移，而在等待模式下可使电容器放电以消除这个直流电压偏移。2、定相角控制在还存在其他支路与

43、TCSC的补偿支路并联的情况下，常选择定相角控制法。当系统处于暂态或系统紧急运行状态时，该控制法的目标就是保持与TCSC支路并联的其他支路中潮流保持不变、同时允许TCSC补偿支路中输送功率发生变化24。为了保持并联通道中的潮流不变，该控制方法必须保持并联线路两端相角差恒定，故将其命名为定相角控制。 假定线路两侧电压大小可调节，那么，保持线路两侧相角差恒定即保持线路电压降VL恒定。若忽略线路电阻，则可将控制目标表示为：VL=ILXL-VTCSC=VLref (3-5)也即：IL=1XL(VLref+VTCSC) (3-6)Iref-IL-VTCSCXL=0 (3-7)式中VLref线路电压降参考

44、值，为常数; ILTCSC补偿支路中的电流幅值; XL线路电抗值; VTCSCTCSC支路两侧电压，容性电压为正值，感性电压为负值; Iref线路电流参考值。3、定功率控制该控制方法中，线路功率是通过测量当地电压、电流信号，再经abc0变换后所得，经过计算将所得功率值转化为标么值，经过滤波环节，然后送至控制器的相加点;参考信号Pref、为受TCSC补偿线路的有功功率期望值;功率控制器为PI结构;控制系统其余部分与定相角控制相同。TCSC定功率控制器作为慢速控制器可阻尼功率振荡或次同步振荡。若为提高控制器速度而减小功率控制器的时间常数TP，则会导致响应振荡，通常TP取100ms。4、加强型功率控

45、制 TCSC定功率控制器响应迟钝、延长了故障后系统恢复时间，因此，该控制器对电力系统存在潜在危害。改进的TCSC功率控制器结合了功率控制和电流控制两者的优点。该控制器由两个控制回路组成一一一个快速的内电流控制回路和一个慢速的外功率控制回路，功率控制回路为电流控制回路提供电流参考值。这样，控制器能保证TCSC对系统故障迅速响应，而对机电振荡慢速响应。5、加强型电流控制 为了改善某些振荡模式的阻尼，如次同步谐振，在TCSC控制器中还插入经优化的线路电流微分反馈环节，构成加强型电流控制。在该控制系统中，电压调节器是一个简单的PI控制器，对应于线路串联补偿所有变化范围，优化后电流控制器可以成功阻尼次同

46、步谐振;而传统电流控制器对SSR的阻尼效果十分有限。4 TCSC在现代电网中的工程应用4. 1 TCSC在现代电网中的应用概况 TCSC作为一项高可靠性和经济性的电力系统调节技术，在现代电网中的应用正在逐渐推广，口前全世界有多个TCSC工程在投人运行。由于技术相对比较成熟，国外的应用情况相对较早。1991年，由ABB公司制造的首个机械开关控制的串联电容器补偿装置在美国AEP电网的KanawhaRiver变电站投人运行。1992年，由西门子公司和美国西部电力局联合开发的TCSC装置在Kayenta变电站投人运行，该项口是世界首个可以连续控制的TCSC装置。1997年，为有效解决抑制低频振荡的问题，巴西在南北电网互联工程中的SOOkV高压输电线路上投人TCSC装置。国内正在追赶国外的先进技术，在TCSC工程方