可控硅控串联电容补偿器(tcsc)的结构、原理及应用研究报告

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可控硅控串联电容补偿器(TCSC)的结构、原理及应用研究报告

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)。

2可变阻抗型串联补偿器TCSC(V-I特性)

SSSC的容量是最大线路电流和最大串联补偿电压的乘积；电压补偿模式：串联补偿电压越大，损耗越高，通常不到1％，0电压
补偿时损耗最低；阻抗补偿模式：串联补偿阻抗越大，损耗越高，通常不到1％，0阻抗
补偿时损耗最低。
20
3 开关变换器型串联补偿器：FC＋SSSC混合补偿
在只需要容性串联补偿，或者已有或计划串联电容器的应用场合，可以考虑采用FC＋SSSC混合补偿方案，性能好、损耗小、耐量低、造价省，特别有竞争力；
方法1：锁相线路电流的基波分量，滤除超同步和次同步分量，进行相角校正，保持合适的同步关系；
TCR触发控制：把TCR电流指令变换成相应的开通延迟角； 11
调节器：指令和反馈信号比较形成误差进行闭环调节。
2 可变阻抗型串联补偿器：内部控制2（TCSC）
方法2：相角校正电路根据当前电容电压和线路电流估计电容电压的实际过0点，由期望的开通延迟角与校正的相角决定实际的开通延迟角，确保TCR导通角关于电容电压过0点对称；
调节器相对较慢，相角校正电路非常快，理论上比方法1响应更快1。2
3 开关变换器型串联补偿器：同步电压源SVS
SVS：生成幅值和相角可控的三相交流同步正弦电压，产生或吸收可控的无功，如直流侧有电源或储能元件，还可与电力系统交换独立可控的有功；
串联电容的作用是注入与线路电流正交的合适电压以提高输电压降，
3 开关变换器型串联补偿器：SSSC的V-I特性
电压补偿模式：只要线路电流在工作范围之内，SSSC都维持额定容性或感性补偿电压；
阻抗补偿模式：只要线路电流在工作范围之内， SSSC都维持额定容抗或感抗；
SSSC可通过控制进行模式之间的互相切换。

FACTS_串联补偿

一、概述
串联补偿的作用： P302 1. 改变系统的阻抗特性； 2. 进行潮流控制，优化潮流分布，减少网损； 3. 提高系统静态稳定性； 4. 改善系统动态特性提高输送能力，增加联络线振荡阻尼）； 5. 提高系统传输能力； 6. 控制节点电压，改善无功平衡条件； 7. 阻尼系统震荡，抑制次同步振荡； 8. 快速可控串补提高系统暂态稳定性提高电磁功率外送； 9. 短路瞬间减小短路电流。
一、可控串补概述
4.串联补偿器分类 P307 a.固定串补：断路器投切的电容器或电抗器； b.静止串补：晶闸管投切或控制的电容器或电抗器。 c.有源串补：基于DC/AC 换流技术的补偿器。 b、c皆为FACTS控制器。
二、可控串补控制器

FACTS串联补偿器以晶闸管投切串联电容器（TSSC： Thyristor swithed series capacitor）和晶闸管控制串联电容器（TCSC： Thyristor controlled series capacitor）应用最广。有学者基于TCR的原理，提出可关断晶闸管控制串联电容器方案（GCSC： GTO controlled series capacitor）。 TCSC最有代表性，常简称可控串补。 P316
2.5 可控串补的两种工作方案
1、晶闸管开关或关或闭，电抗器或并入或切除，实现两点控制，比较简单，不会发生电容和电感并联工频谐振，即分阶控制方式。 2、连续调节晶闸管的导通角，可连续改变串联电容电抗组的电抗。这种可控串补也称先进串补（ASC），目前世界各国研究的重点是这种TCSC串补。在接线形式上两种串补并无差别，因此可以选择两种形式中的一种作为运行方式。研究（ ASC）型可控串补，应用的是静止补偿器（ SVC）中的固定电容器（ FC）和晶闸管控电抗器（TCR）的熟悉技术特性。 TCSC与SVC的主要差别在电源类型方面， SVC是电压源型， TCSC是电流源型。 3、特性分析见P322～P325。

可控串补(TCSC)的特性分析与应用建模仿真

可控串补（TCSC）的特性分析与应用建模仿真
电气3班刘丽娜
指导老师：刘莫尘
论文研究背景及意义
背景：现代电网互联，稳定性问
题突出，柔性输电技术（FACTS）广泛应用，远距离输电对电网输电能力的要求提高。
意义：分析TCSC的特性，并进行
应用仿真，有利于下一步考察应用TCSC装置对现有继电保护系统的影响。
alpha I rm s
控制系统
I abc
TC R _Puls es
Alpha
I rm s
CB
触发单元
A
B
N
C
V2
Pt c s c zt c s c alpha Scopes
功率
仿真电路接线方案阻抗 ztcsc [Ohms] α角 [deg]
主变量mai n vari abl es
TCSC的应用模型搭建图
1、绪论 2、TCSC的运行原理与工作模式
3、TCSC的特性分析 4、TCSC的应用建模仿真
5、小结与展望
题
目
可
控
串
特性
补（
TCSC
分
析
与）
应的
用
建
模
仿
真
TCSC装置
晶闸管截止模式晶闸管旁路模式容性微调模式感性微调模式
TCSC的特性分析
TCSC的阻抗特性与α的关系图
Uc I
IL
Ic
容性微调模式下各分量稳态图
触发角α越大,TCSC置暂态过程越短；
触发角α越小,TCSC装置暂态过程越长。
谐波电压的幅值随着w增加而减小，高次谐波所占的比例很少
TCSC应用建模仿真
A

TCSC无功补偿装置在我国电力系统中的应用

TCSC无功补偿装置在我国电力系统中的应用【摘要】TCSC技术在电力系统中的应用越来越广泛,可控串补由于它的效果良好，有着广泛的发展前途。

技术上比较成熟，可以在大电力系统中担任重要输电任务，对于抑制低频振荡增加暂态稳定有着明显的作用。

【关键词】TCSC；无功补偿；电力系统甘肃碧成可控串补工程是由我国自主设计、制造、安装和调试的第一套国产化可控串补工程。

该工程的主要技术参数如下：系统额定电压（线间）252kV；固定电容器组电容值146.6μF；容抗21.7Ω（1.0pu）；电容器组基本容量95.4Mvar(三相)；电容器容抗21.7Ω（1.0pu）；长期运行容抗23.9Ω（1.1pu）；最大补偿容抗54.3Ω（2.5pu）；额定电流1.1kA；TCSC额定无功功率86.6Mvar(三相)；TCSC额定电压26.3kV（1.0pu）；阀控电抗器工频电抗值 3.45Ω（10.98mH）；保护方式M；MOV容量10MJ/相；保护水平2.3pu（峰值37.2kV）。

甘肃碧成TCSC工程具有以下技术特点：（1）根据业主对可靠性的要求，该工程将带有保护间隙的整套固定串补装置布置于大平台，晶闸管阀组布置于小平台，2个平台之间用隔离开关连接，每个平台用围栏围起来，相控电抗器放置2个平台之间。

可采用一次电气或控制系统切换实现按可控串补（TCSC）模式与串补（FSC）模式之间的转换，提高了整套装置的可靠性，便于运行维护，降低了造价。

一旦晶闸管阀或辅助系统故障，可以通过隔离开关将其退出维修，控制系统将可控串补模式切换为固定串补模式，保证线路正常运行。

碧成TCSC工程的基本补偿度为50％，最大容抗提升系数为2.5。

碧成TCSC工程装置的布局图见图。

碧成TCSC工程的装置布局图（２）通过一套控制系统装置可分别运行在FSC模式、TCSC模式和晶闸管保护电容器(TPSC)模式。

控制、保护、调节和测量系统采用独立双系统设计，便于在线相互校验、可靠切换，提高了保护控制系统的可靠性。

可控串补(TCSC)的分析与研究

输电能力。图ＩＴＣ结构图ＣＳ
为了解决电力系统存在的以上问题，出了可控串联提补偿（ｈｒｔｒｏｔｏｌｄＳｒｅＣｍｐｎａｉｎ，ＴｙｉｏＣｎｒｌｅｉｓｏｅｓｔｓｅｏ即ＴＣＣ）电容器，可控串联补偿电容器是灵活交流输电系Ｓ
制，可使ＴＣＣ置快速而平滑地调节串接在输电线路中Ｓ装的有效容抗值，从而达到提高系统传输能力，灵活控制系统潮流，改善系统暂态稳定性等目的。基于ＴＣＣ的多种Ｓ
控制功能及良好的工业效益，它成为最早实现工业应用使
可控串（ＣＳ）的分析与研究用背景
一
二、可控串￣．ＣＣ的结构（Ｓ）Ｔ
（可控串补（ＣＣ的结构特点一）ＴＳ）
一
般来说，电力系统的安全稳定运行受到多种因素
的影响，要包括静态稳定、动态稳定、暂态稳定、电压主稳定和热稳定极限的限制，上述影响因素中前四种因素在是限制电网输送能力的主要因素。因此在实际的电网运行中，过采取一系列措施在增大电网输送能力的同时还必通须保持系统的安全稳定运行。目前常用的一些措施主要包括串联电容、联电容、并联电抗以及同步调相机等设并备，这些设备在改善系统运行条件、提高电力系统的稳定性、增强电网输电能力等方面起到了一定的作用。但这些设备都是采用机械式控制方式，在实际应用中有很大的局限性：（）控制速度慢，本上只能在静态情况下控制系１基

可控串联电容补偿在电力系统中_1

可控串联电容补偿在电力系统中的应用T h y r i s t o r c o n t r o l l e d s e r i e s capacitor(TCSC) in power system Abstract: With the rapid growth of the power system load and the development of the opening electricity market, electricity relevant departments are paying more and more attention to increasing the capacity of existing transmission lines and improving the stability of the power system, the controlled series capacitor compensation can improve the performance of power system in many ways, so it has more evident applications potential in the power system. This compensation has analyzed and introduced the superiority to the grid of the controlled series capacitor compensation, which are applied in the power system, and elaborated practical application problems that may arise, and proposed related control measures at the same time.Keywords: TCSC, power system摘要：随着电力系统负荷的快速增长和电力市场开放的发展，增加既有输电线路的容量和提高电力系统的稳定性越来越受到电力相关部门的重视，可控串联电容补偿(TCSC)由于其连续控制性可以在很多方面改善电力系统的性能，因此在电力系统中的应用潜力越显突出。

亚洲首个500kV 可控串补(TCSC)工程天广交流输变电平果变电站可控串补

• MOV 过电流：MOV 强电流保护被用来瞬时发出触发放电间隙的信号，使间隙导通（≤ 1ms），以减少在严重内部故障时 MOV 的能量吸收。是否触发火花间隙和合上旁路断路器仅根据流经 MOV 电流的大小作判断。
(A) 固定串补线路电流保护功能（LCU）
• 间隙延长导通：如果一段时间后，间隙电流超过预设值，视为间隙延长导通。
1
TCSC 段和 FSC 段都可以通过一个单独的旁
可以在各种负荷情况下都能正常工作。
路断路器分别投入和退出。通过人机操作系统 HMI 测量原理见图 2：
可进行单相或三相自动投入和退出操作。隔离开关（DS1/DS2）和接地开关（ES1 和
图 2：光电测量原理
ES2）以及主旁路开关（MBS）都可以就地操作或
电容器组由使用瓷外套金属氧化物避雷器 MOV 保护，避免承受过电压。每相 MOV 的容量为 37MJ。
此外，还用到双室火花间隙保护方案，在出现线路区内故障时，这个火花间隙会在 1ms 之内被保护系统触发，它可以承受高达 40kA 的短路电流，持续时间为 1 秒。在外部的线路保护发出触发指令时，间隙也可以按要求在一毫秒内完成选相触发，并发出临时旁路串补的操作指令。
入），平台故障保护，阀监视 • MOV：MOV 过负荷保护，MOV 过电流保
护 • CAP：电容器不平衡，电容器过负荷保
护，断路器失灵监控
（A） TCSC 线路电流保护功能（LCU）
• 阀过流：出现故障时如果由于旁路断路器出现内部故障无法合上，则故障电流将持续通过阀。为了保护阀不至于过热，保护系统将发出线路跳闸命令。
（C）固定串补电容器的保护功能（CAP）：
3
• CAP 不平衡报警：如果不平衡电流超过低定值，2 秒后（默认值）会有报警。

TCSC晶闸管控制串联电容器补偿技术

可控串补与固定ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ补的比较
优点：在网型电网中，可控串补可用于控制线路潮流。优化系统运行方式、降低网损。利用短时过载能力，提高系统稳定性和传输能力。阻尼系统低频振荡。
缺点：技术复杂程度增加；造价高；可靠性稍低。
退出运行6次，发出警告20次
TCSC对继电保护的影响
• 对距离保护的影响 • 对零序/负序保护的影响 • 对纵联保护的影响
输电线路
e 等值系统
输送功率
E∠0
U∠δ
e
EU
未补偿输送功率 =
Sin XL
补偿后输送功率 =
EU XL - XC
Sin
降低系统阻抗 ===> 提高输送功率
线路压降
提高功率输送能力
改善系统的稳定性
控制环网中的潮流分布降低网损避免建设新的输电线路
P
HA UA A PGA
PLA
PGA=PLA+P
TCSC的结构
解决方法
器件模型
优点
解决问题的器件
↓↓
解决方法
器件模型
优点
解决方法
器件模型
优点
控制输电线的串联补偿度
提高输电线的输电容量
潮流控制
低频功率振荡
抑制次同步振荡
降低直流偏移电压
电压支持
降低短路电流
提高了串联电容器的保护水平
TCSC的工作原理
TCSC通过对触发脉冲的控制改变晶闸管的触发角，继而改变由其控制的电感支路中电流的大小，连续改变总的等效电抗。
TCSC有四种工作模式： ◎晶闸管截止。
此时，TCSC等同于固定串联补偿。
◎晶闸管旁路。

可控硅控串联电容补偿器的结构原理及应用研究报告

可控硅控串联电容补偿器的结构原理及应用研究报告可控硅控串联电容补偿器（Thyristor-Controlled Series Capacitor，TCSC）是一种用于电力系统中的无功补偿装置。

它由可控硅、串联电容、保护电路等组成，可通过改变串联电容的电压来控制电力系统中的无功功率流。

以下是对TCSC的结构、原理及应用的研究报告。

一、结构TCSC由可控硅、串联电容、保护电路等组成。

可控硅用于控制串联电容的电压，它可以通过调节触发角来改变电容电压。

串联电容则用于电力系统的无功补偿。

保护电路则用于监测TCSC的工作状态，一旦发生故障，及时切断TCSC以保护电力系统的安全。

二、原理TCSC的原理是通过改变串联电容的电压来控制无功功率流。

当电力系统中需要补偿无功功率时，可控硅触发角控制电容电压的大小，以达到所需的功率补偿效果。

当电力系统中需要减少无功功率时，可控硅触发角控制电容电压的大小，以达到无功功率的吸收效果。

三、应用1.潮流控制：TCSC能够根据电力系统的需求来调整电流的流向，从而在电力系统中实现潮流控制。

2.无功补偿：TCSC能够根据电力系统的需求来调整无功功率的大小，从而实现无功功率的补偿。

3.电压稳定：TCSC可以通过调节电压大小来稳定电力系统的电压，减少电力系统中的电压波动。

4.功率调节：TCSC可以根据电力系统的需求来调整功率大小，实现电力系统的功率调节。

四、总结可控硅控串联电容补偿器（TCSC）是一种用于电力系统的无功补偿装置，通过改变串联电容的电压来控制无功功率流。

它具有潮流控制、无功补偿、电压稳定和功率调节等应用。

TCSC在电力系统中具有重要的作用，能够提高电力系统的稳定性和可靠性。

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国际研究与应用状况 345kV 1991年美国345kV Kanawha river输电工程（1991年）美国500kVSlatt输电工程（1993年） 2002年西门子公司得到了中国南方电网公司的天生桥-广东500kV交流输变电天广平果站可控串补(TCSC)工程 ……

国内研究与应用状况 2003年7月，国内第一套500kV可控串补在天广线平果站投入运行，完全由Siemens公司供货，承受电压等级为500kV，可控部分补偿度为5％。 2004年,由中国电力科学研究院自主研制的TCSC 装置在西北电网220kV某变电站建成投入运行，可控部分补偿度50%，是目前世界上可控部分补偿度最大的工程。 2007年，由国内自主开发的TCSC装置在东北电网500kV某变电站投入运行，补偿容量为 652MTCSC的阻抗
为防止TCSC产生谐振，在容性控制区要求α不得小于某一值。X（α）随着触发延迟角α的变化过程如下图所示，表明 TCSC通过适当控制TCR 支路的触发延迟角可以获得一个连续可变的等效阻抗。

触发角α调节TCSC的阻抗
触发角在90°处为旁路状态； 180°处为闭锁状态；在143°附近为谐振区，运行时应避开，以免产生谐振，危及设备。由于存在谐振区，从感性区到容性区的平滑过渡是不可能的。不管在容性区域还是在感性区域，运行点通常都被限制在最小电抗极限和最大电抗极限之间。
小组成员：谢毓毓杨荟琳张宇航张志庄勤俊

在实际的电网运行中，应尽可能增大电网输送能力的同时还必须保持系统的安全稳定运行。目前常用的一些措施主要包括串联电容、并联电容、并联电抗以及同步调相机等设备，这些设备在改善系统运行条件、提高电力系统的稳定性、增强电网输电能力等方面起到了一定的作用。但这些设备都是采用机械式控制方式，在实际应用中有很大的局限性：控制速度慢、不能在短时间内频繁操作、装置老化快，寿命短等问题都制约了潮流控制的灵活性和系统稳定性的提高,难以充分利用电力设备的输电能力。

为了解决电力系统存在的以上问题，提出了可控串联补偿电容器TCSC (Thyristor Controlled Series Compensation)，可控串联补偿电容器是柔性交流输电系统(FACTS)的重要组成部分,在交流输电系统中利用串联电容器的容性阻抗补偿输电线的部分感性阻抗，可以缩短输电线路的等效电气距离，减小功率输送引起的电压降和功角差，从而提高线路输送能力和系统稳定性，同时增加线路输送容量，提升电网输电能力。在不改变原有输电网络结构的前提下，利用TCSC装置提高系统输电能力无疑是一种经济、有效的方法。

1.
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6. 7. 8.
具有以下优点：快速连续地调节输电线路串联补偿度；动态控制输电线路潮流，优化电网潮流分布和减少网损；通过控制线路潮流，阻尼功率振荡；能提高线路串联补偿度并抑制SSR；提高电力系统的静态和暂态稳定性；有助于调节母线电压，缓解电压不稳定问题；可以转人可控感性模式，降低线路短路电流。当线路输送的功率相同时，即使串联电容器每千乏（kVar）的成本由于其较高的运行电压是并联电容器的两倍，串联电容器补偿的总体成本要比并联补偿要低一些。
组成元件：固定的串补电容C、并联一个由晶闸管控制的电抗器L、金属氧化物压敏电阻(M0V)、晶闸管阀及旁路开关等元件组成。

TCSC通过对触发脉冲的控制改变晶闸管的触发角，继而改变由其控制的电感支路中电流的大小，连续改变总的等效电抗。
TCSC有四种工作模式： ◎晶闸管截止。此时，TCSC等同于固定串联补偿。 ◎晶闸管旁路。此时，VT1、VT2全导通，线路电流大部分通过L，整个TCSC呈现小电抗特性。 ◎容性微调模式。此时，VT1、VT2的导通角较小，整个TCSC的阻抗呈现大于C本身容抗的容性电抗特性。 TCSC通常都是运行在容性微调模式 ◎感性微调模式。此时，VT1、VT2的导通角较大，整个TCSC的阻抗呈现感性电抗特性。

触发角α调节TCSC的阻抗
晶闸管控制串联电容器的单相电路结构如图1所示，由电容器与晶闸管控制的电抗器并联构成，实际应用中需要将多个 TCSC单元串联起来组成一个特定容量的装置。

触发角α调节TCSC的阻抗
TCSC的稳态基波阻抗

触发角α调节TCSC的阻抗

触发角α调节TCSC的阻抗

综合来看可控串联补偿的出现是电力工业发展的必然趋势。TCSC在现代电网中的应用正在逐渐推广，目前全世界有多个TCSC工程在投入运行。

TCSC的电抗与有功功率的关系
传输功率可表示为
等效电路图

TCSC的电抗与有功功率的关系
P是母线l流向母线2的有功功率； V1，V2分别是母线l和母线2的电压幅值； XL是线路感抗； XTCSC是包括固定串联容抗在内的TCSC电抗；δ1, δ2是母线1 和母线2的电压相角。从上式可以明显地看出，通过改变TCSC的电抗值可以实现有功功率的调节，即：当TCSC呈容性补偿时，有功功率随着线路有效电抗的减小而增加；感性补偿时，则有功功率随着线路有效电抗的增加而减小。

串补度s
取串补度s=XC/XL 则推导可得，传输功率是串补度的函数，即：
TCSC的功角特性如下图所示。

串补度s
可以看出，在0°～90° 之间，随着s的增加，传输功率也不断增加，但随着δ值的减小，传输功率的提高是逐渐减小的。另外，TCSC的补偿是容性补偿，只能增加线路的传输功率。

可控硅控串联电容补偿器(tcsc)的结构、原理及应用研究报告

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