第五章晶闸管可控串联补偿器TCSC

基本原理
� � � � � 或者写作 定义 TCSC 支路的自然角频率 则 TCSC 自然角频率与电网工频之比为 易知 ，从而 考虑到
� 借用关于TCR的分析结论来简单介绍 TCSC 通过控制触发延迟角α 来达到调节串联补 偿阻抗的基本原理。
基本原理
TCR 支路的阻抗值由触发延迟角α 决定，即 控制α的改变， TCSC 的阻抗 值发生变化，从而调节 ；
基本原理
TCSC 的单相电路结构
基本原理
� 由前面分析可知， TCR 的基波电抗值是触发延迟角α 的连续函数，因此 TCSC 的稳态基波阻抗可看作是由 一个不变的容性阻抗 和一个可变的感性阻抗 并联 组成的，即 TCSC 的基波阻抗为（感性为正） ：
� 其中 为TCSC承受电压的基波分量有效值，I 为 线路电流（假设为纯正弦波）的有效值， 分电容和电感的阻抗值，一般
TCSC的电路分析
� (5) ，晶闸管关断，TCR 支路退出，只有串联电容支路 “串入”传输 线，其电压按照下式变化 � 其中 � 而 TCR 支路电流为
TCSC的电路分析
� 上述对于一个工频周期 TCSC 的5 个工作 阶段的分析，对于 TCSC 的稳态和暂态过 程都适用。
稳态基波阻抗模型
� 当处于稳态工作时，TCSC 在正负半波采用对 称控制，电容电压和 TCR 支路电流为工频周 期信号，即 � 且 � 进而，通过一定的计算，可以解得：
TCSC的电路分析
TCSC的电路分析
� 同理，TCR 支路电流是两个频率分别为电 源频率（工频）ω和自然频率ω0 =kω的 正（余）弦波之和， �在 ， 与电容电压 符号相反，在 时刻， 下降或上升为 0，导通的晶闸管自然关断， TCR 支路退出， 称为晶闸管的后半波导通 角，它由以下方程组决定：
TCSC的电路分析
� （3） ，晶闸管关断，TCR 支路退出，只有串联电容支路 “串入”传输 线，其电压按照下式变化
而 TCR 支路电流为
TCSC的电路分析
� （4） ，在 时 刻，晶闸管第二次导通， TCR 支路与串联 电容并联工作，类似对第（ 2）阶段的分 析，可得到这一时间内电容电压、 TCR 支 路电流和电容电流的表达式如下
�
感性控制区
� 重写晶闸管开通时的电容电压 为
� 当α较小时， ，则 TCR 前半波导通 时， ； � 后半波导通时， 。 � 相应的串联电容和 TCR支路的电压、电流 波形如下图所示。可见，此时，电容电压基 波相位超前线路电流 ，TCSC 表现为 电感特性（在感性控制区） 。
TCSC 工作于感性控制区时的稳态电容和 TCR 支路的电压、电流
或者说感性控制区的触发延迟角
基本原理
� 当 时，TCR 的阻抗取得最大值∞，相当于 TCR 支路断开，TCSC 的阻抗仅为 串联容性产生的阻抗，其值为 （容性）。 � 当α 从 逐渐减小，在达到并联谐振点之前， 逐渐减小，从而使得 TCSC容性阻抗 （即 ）逐渐增大。为防止 TCSC 产生谐 振，在容性控制区要求α 不得小于某一值 ， 即 ，或者说容性控制区的触发延迟 角 。
� 可见，TCR 支路电流是两个频率分别为电源频率 （工频）ω和自然频率ω =kω的正（余）弦波之 和。
0
TCSC的电路分析
�在 即 时刻，两正弦波之和为 0， ；此后， 与初始电容电压 符号相反，绝对值经历先增大后减 小的过程，直至 时刻，再次达到 0，使得导通的晶闸管自然关断， TCR 支路 退出， 称为晶闸管的前半波导通角，它 由以下方程组决定：
暂态过程中电容电压 α :50°→ 67°
暂态过程中电容电压 α :67°→ 50°
V-I 工作区与损耗特性
TCSC 在正常运行中有两种控制模式： � 以补偿线路电压为目标的电压控制模式 � 以补偿线路阻抗为目标的容抗控制模式
电压补偿的模式
� 在电压补偿的模式下，TCSC 根据线路电流 的大小调节触发延迟角α 以维持电容基波 电压恒定为某目标值，如 ；易知：在 线路电流最大时 ，如果工作在容 性区，则触发延迟角α 最大（90°） ，对 应的容抗最小（ ） ；而如果工作在感 性区，则触发延迟角α 最小（0°） ，对应 的感抗最小（ ）
基本原理
� TCSC 的并联谐振点有 得
基本原理
� 可见，TCSC 通过适当控制 TCR支路的触 发延迟角α ，可以获得一个可变的串联阻 抗，且感性阻抗的可控范围为 � 容性阻抗的可控范围为
TCSC的电路分析
� 作为 SVC 的TCR 与 TCSC 中的 TCR 其工作环境是有差别的：分析作为 SVC 的 TCR 时，假设其接入母线的电压为理想的 恒幅正弦波形，但是 TCSC 中的 TCR 两端 电压并不满足这一条件，故 TCSC 中式并不 总是成立。简单分析对于理解 TCSC 的功 能是有用的，但其结论不够精确，需要进一 步研究电容器和 TCR 之间的动态交互作 用，才能准确地理解 TCSC的内在机理和行 为动态。
TCSC的电路分析
� 详细分析 TCSC 在一个工频周期内的电路 工作过程，假设晶闸管为理想的无损开关， 且线路电流为理想的纯正弦波，即 � 如果没有 TCR 支路，则电容上电压的变化 规律为 � 即幅值为 正弦波。 、相位滞后 线路电流 的
TCSC的电路分析
� 由于 TCR 支路的存在，电容电压波形发 生畸变，设 0 时刻，电容电压为 � 在一个工频周期内，根据 TCSC 的电路 状态，分为 5 个阶段，依次分析如下：
串补和可控串补技术
王华昕 张美霞
晶闸管可控串联补偿器（TCSC）分析 TCSC控制保护系统 甘肃成碧线国产可控串补工程介绍
基本原理
晶闸管可控串联补偿器（Thyristor Controlled Series Capacitor，TCSC） 最早是在 1986年由 Virhayathil 等人作为 一种快速调节网络阻抗的方法提出的。由电 容器与晶闸管控制电抗器（ TCR）并联组成。 实际应用中，需要将多个 TCSC 单元串联 起来构成一个具有所需容量的 TCSC 装置。
容性控制区
� 当α较大时， ，则 TCR 前半波导通 时， ； � 后半波导通时， 。 � 相应的串联电容和 TCR支路的电压、电流 波形如下图所示。 � 可见，此时，电容电压基波相位滞后线路电 流 ，TCSC 表现为电容特性。
容性控制区
� TCSC 的感性控制区为： ， � 其中感性控制区最大延迟触发角限制 � TCSC 的容性控制区为： � 其中容性控制区最小延迟触发角限制
基本原理
在 TSSC 电路结构中，如果在晶闸管支 路中加入限流电抗器，即得到 TCSC 电路。 也就是说，如果 TCSC 中的电抗 XL 远小 于电容 XC ，则它也能像 TSSC 一样工作 于投切串联电容模式。然而， TCSC的基本 思路是用 TCR 去部分抵消串联电容的容抗 值以获得连续可控的感性或容性阻抗。
� 当存在多个谐振点时（k >3） ，触发延迟 角α 的有效控制范围大大减小，且给晶闸 管脉冲发生带来一定的困难。 � 因此， 在实际工程中， 通常选取适当的电 容、 电感值， 使得 k < 3，即只存在一个 谐振点，即 。 � 在电路参数（L、C 等）确定后，TCSC 的 稳态基波阻抗唯一决定于 TCR 支路的触发 延迟角α ；通过动态改变触发延迟角，即 可达到调节串联补偿阻抗的目的。
谐波特性
实用的TCSC电路结构及其参数选择
� 实用 TCSC通常采用多组 TCSC 模块串联 构成，每个TCSC 模块除了其基本构件：串 联电容和 TCR 支路之外，往往还包括保护 用 MOV、旁路隔离开关或断路器，以及阻 尼电路，并常与固定串联补偿电容（ FSC） 结合起来应用。
美国 Kayenta 变电站 FSC＋TCSC的主电路结构
� 当 α =0 时，TCR的阻抗取得最小值 ，由 于 ，TCSC的阻抗呈感性，且感性阻 抗为
基本原理
� 当α 从 0 逐渐增大，在达到并联谐振点之前， 大，从而使得 TCSC 的感性阻抗逐渐增大。 � 并联谐振点对应于方程 在 区间的解（设为 ） ，对应TCSC的阻抗为∞； 逐渐增
为防止TCSC产生并联谐振， 在感性控制区要求α 不 得超过某一值 ，即 ， 。
Slatt 变电站的 TCSC
� Slatt 变电站的 TCSC 是由 6 组参数相同 的 TCSC 模块串联构成的，每个 TCSC 模 块包括： � 串联电容组（XC＝1.33Ω）、 � TCR支路（XL＝0.18Ω）和MOV； � 6 组 TCSC模块串联后与旁路电感及其短路 器并联，再经隔离开关接入线路， � 另外还设置了一个隔离开关可以将整个 TCSC 装置旁路。
� 而当线路电流不在 范围之内时， 触发延迟角α 维持为 （感性工作区） 或 不变，此时 TCSC 表现为恒阻抗 特性，不能维持补偿电压恒定了。可见，在 电压控制模式下，TCSC 能根据线路电流的 大小，最大提供 的感性补偿电压 和 的容性补偿电压，其中 。
TCSC 的损耗主要是由 TCR 支路产生 的，包括晶闸管的导通和开关损耗，以及电 感的杂散电阻损耗。
TCSC的动态特性
� TCSC 在一个周期内的工作过程可以简单总 结为： � （1）TCR 支路断开，线路电流对串联电容 充电； � （2）触发 TCR支路导通一定时间，对串联 电容放电，使其电压反向； � （3）TCR 支路电流过零而自然断开后， 线路电流对串联电容反向充电；
TCSC的动态特性
（1） ，晶闸管关断，只有串联电容支 路“串入”传输线，其电压按照下式变化
TCR 支路电流为
TCSC的电路分析
� （2）
时刻，晶闸管 导通，TCR 支路与串联电容并联工作，则电容 电压和 TCR 支路电流由以下动态方程决定
TCSC的电路分析
� 其中 �令
TCSC的电路分析
� 则改写为：
� 对应地，电容电流的表达式为
美国 Kayenta 变电站 FSC＋TCSC的主电路结构
� Kayenta 变电站的串联电容补偿分为两部分： � S1 部分为安装在 Kayenta－Glen Canyon 230kV线路上的 FSC，阻抗为 55Ω； � S2 部分包括 40ΩFSC和15ΩTCSC，安装在 Kayenta－Shiprock 230kV线路上； � 电容器组是多个电容器通过串并联构成的，容量各 为 165Mvar，电容器组两端都并联有防止过电压 的 MOV；TCSC 的 TCR 支路电感等分成两部分 接在晶闸管阀的两侧，晶闸管阀是由两串晶闸管组 反并联构成的；两部分串联补偿都配置了阻尼电路 和旁路隔离开关
� （4）TCR 支路再次触发导通一定时间，对串联电 容反向放电，使其电压再次反向； � （5）TCR 支路电流过零而自然断开后，线路电流 对串联电容充电。在上述工作过程中，TCR 支路 导通使得 TCSC 形成一个内部 L-C 谐振电路，进 而导致电容电压反向，具有关键的作用。TCR 支 路导通的时间（对应导通角σ ）决定于 L-C 回 路的自然振荡频率、导通时的电容电压、线路电流 等诸多因素。在稳态过程中，TCR 每次导通结束 时，都能使电容电压变为导通初始时刻的相反值， 从而经历一个周期后，电容电压维持不变。
TCSC的动态特性
� 在暂态过渡过程中，TCR将电容电压和电感电流的 变化曲线亦将变得复杂，难以用简单的表达式来描 述。 � 当触发延迟角α 根据控制需要发生变化时， TCSC 的电容电压将经历一段暂态过程从一个稳态 过渡到另一个稳态。以下图 1 所示为触发延迟角 从 50°阶跃上升到 67°时电容电压的暂态过程，图 2 所示为触发延迟角从 67°阶跃下降到 50°时电容 电压的暂态过程，对应的 TCSC 参数为：L＝ 10mH，C＝247μF，忽略电力电子的开关时间和 损耗。
工作在感性区
� 随着线路电流的逐渐减小，如果工作在容性 区，触发延迟角α 逐渐减小以增加容抗； 而如果工作在感性区，触发延迟角α 将逐 渐增大以增加感；从而维持补偿电压不变。 当线路电流达到最小时（ ）， 如果工作在容性区，则触发延迟角α 最小 （ ） ，对应的容抗最大；而如果工作 在感性区，则触发延迟角α 最大（ ） ， 对应的感抗最大