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 Capacitor，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MSSC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(Thyristor 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。
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i LINE是TCSC的外部激励输入电流，电容器电压u C和晶闸管支路电流i TH是TCSC装置的状态量，电容器电流i C等于线路电流i LINE和晶闸管支路电流i TH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电路中产生环路电流i TH。正是这个环路电流影响了电容器的充电电流i C，从而可以改变电容器两端的电压u C。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
