TCSC的原理与应用实例

TCSC 的原理与应用实例
一、TCSC 的基本原理
晶闸管控制串联电容器（Thyristor Controlled Series Capacitor, TCSC ）应用了电力电子技术，利用对晶闸管阀的触发控制，来实现对串联补偿电抗的平滑调节和动态响应的控制，使整个输电线的参数成为动态可调的，实现了对线路补偿度的灵活调节，使得系统的静态、暂态和动态性能得改善。

下图为TCSC 的单相电路结构图。

TCSC 的单相电路结构
上图中，基本TCSC 的单相结构由电容器与晶闸管控制电抗器（TCR ）并联组成，其中晶闸管用SW 表示。

TCR 支路的阻抗值由触发延迟角α决定，控制α的改变，晶闸管控制感抗X L 的值发生变化，从而调节TCSC 的阻抗X TCSC 。

当α=0时，TCR 的阻抗取得最小值X L ，由于X L <X C ，TCSC 的阻抗程感性， 且感性阻抗为
C L TCSC C L
X X X 0=X X -（） 当α从0 逐渐增大，在达到并联谐振点之前，X L 逐渐增大，从而使得TCSC 的感性阻抗逐渐增大。

并联谐振点对应于方程X C −X L =0在α∈[0,1800]区间的解，设为αr , 对应于TCSC 的阻抗为无穷大；为防止TCSC 产生并联谐振，在感性控制区要求α不得超过某一数值αLlim , 即α≤αLlim <αr ，或者说感性控制区的触发延迟角α∈[0, αLlim ]。

当α=1800时，TCR 的阻抗取得最大值无穷大，相当于TCR 支路断开，TCSC 的阻抗仅为串联容性产生的阻抗，为−X C （容性）。

当α从1800逐渐减小，在达到并联谐振点之前，X L 逐渐减小，从而使得TCSC
容性阻抗逐渐增大。

为防止TCSC产生谐振，在容性控制区要求α不得小于某一数值αClim，即αr<αClim<α，或者说容性控制区的触发延迟角α [αClim,1800]。

TCSC通过适当控制TCR支路的触发延迟角，可以获得可变的串联阻抗，且感性阻抗的可控范围为[X TCSC(0), X TCSC(αLlim)]，容性阻抗的可控范围为[−X TCSC(αClim), −X C]。

下图为X TCSC的值与触发延迟角α的关系。

TCSC的阻抗值与触发延迟角α的关系
TCSC的基本思路就是用TCR去部分抵消串联电容的容抗值以获得连续可控的感性和容性阻抗。

在实际应用中，需要将多个TCSC单元串联起来构成一个所需容量的TCSC装置。

二、TCSC的应用实例
国外80年代末开始研制可控串补装置，1991年，在美国AEP电网东南部的卡诺瓦河(Kanawha River)345kV线路上投入了由ABB公司制造串联补偿装置，额定容量为132MVar，串补度为10%，用以控制潮流以及提高系统暂态稳定水平。

1992年，在美国阿尼桑那州(Arizona)东北部的卡依安达(Kayenta)230kV变电站安装了由Siemens公司制造的世界上第一台晶闸管控制的串联补偿(TCSC)装置，额定容量为45MVar，串补度为13%。

为研究TCSC装置的特性及其应用提供了现场试验条件，主要目的是为了进一步提高线路的输送能力。

1993年，GE公司在BPA电力系统Slan变电站的500kV侧安装了一套多模块TCSC装置，额定容量为208Mvar，串补度为29%。

与单模块相比，其阻抗可控范
围更大、连续调节能力更强，主要用于阻尼功率振荡和次同步谐振.
1997年，由ABB公司提供的TCSC装置位于瑞典Sundsvall西北方向斯多德(Stode)的400kV输电线上，额定容量为148MVar，串补度达到21%，其中，包括固定串补和可控串补两部分。

该站于1994年在原有固定串补站上进行了TCSC改造，主要目的是将福什马克(ForSmark)核电站的3号机组发生(次同步振荡)SSR 的风险降到最低。

1999年，巴西北方的电气公司Eletronorte在南北电网互联工程的500kV线路上投入了ABB公司提供的串补装置，用于阻尼系统低频振荡和抑制可能发生的SSR 问题，以提高系统的输电能力，其中包含1个13.3Ω的TCSC装置和5个FSC装置，总容量达1100MVar，TCSC装置安装于输电走廊北端的因佩拉特里斯(Imperatriz)处。

2003年，印度Raipur-Rourkela 412km/400kV双线交流线路上安装了ABB公司提供的FSC装置和TCSC装置，主要用于改善系统稳定性及电压特性、提高功率传输能力，实现了东电西送的计划印度又于2004年8月启动了在Kanpur-Ballabhgarh的400kV线路Ballabhgarh处安装FSC和TCSC两个阶段的工程：第1个阶段完成35%的FSC的设计建立，使线路输电容量增加了大约120MW，第2阶段完成8%～20%的TCSC设计安装。

我国自上个世纪五十年代起开始将串补技术用于改善电网的电压质量，六七十年代分别应用于部分220kV和330kV系统来提高系统的稳定能力和输电能力。

后因设备质量问题和系统条件变化串补装置相续退出运行。

直到九十年代，我国又重新将串补技术应用在超高压电网中。

2003年6月，我国第一个可控串补站
在南方电网天广线上天生桥至平果线路的平果侧建成投运，其中固定串补度为35%，补偿量为350MVar，可控串补度为5%，补偿量为55MVar，这也是当时亚洲首个可控串补工程。

以下为国内近年典型的TCSC应用实例。

1) 2003年6月，我国第1个TCSC工程(平果TCSC)在南方电网天广线上天生桥至平果段处平果侧建成投运，这也是亚洲首个TCSC工程。

总串联补偿度为40%，可控补偿与固定补偿装在同一个平台上，固定补偿部分的设计额定功率为2*350MVar占35%，可控补偿部分2*50MVar占5%。

加装串联补偿后，相当于将天平段线路缩短40%，天广线TCSC工程的投产，提高了线路输送能
力，可为“西电东送”增加约300Mw的输电容量，能改善系统的暂态稳定性水平及阻尼功率振荡。

2) 2007年，世界上可控补偿容量最大、运行环境最复杂、设计难度最大的国产化超高压可控串补装置——伊冯500kV可控串补装置顺利投入运行；伊冯500kV可控串补工程使伊冯双回378km线路的极限供电能力得到了大幅度提高（每回线加装两套串补，分别为30％固定部分＋15％可控部分），其极限输送能力由1460MW提高到2500MW，相当于增加了1回500kV线路的输送能力。

伊冯500kV可控串补工程使东北电网有限公司少建一条约380km的500kV线路，节省基建投资约3亿元人民币。

按照本装置年平均运行时间为5500小时计算，电网输电利润为0.08元/千瓦时计算，年度新增产值4亿多元。

同时，该工程减少了输电走廊面积1500公顷，减少了大兴安岭原始森林砍伐约750公顷，有效保护了中国大兴安岭原始生态资源。

3) 2008年，中国电科院承担的三堡东三Ⅰ, Ⅱ线500kV进口串补装置控制保护系统自主创新改造获得成功。

安装在从山西阳城电厂到江苏三堡变的500kV 输变电系统中，建设东明开关站到三堡变电所的第三回500kV（线路长约267KM），同时本线路的三堡变电所侧装设1组容量为529Mvar，补偿度为41.4%串补装置。

加装此组串补装置及输电线路后将提高系统稳定水平和提高系统输电容量。

另外，还有甘肃碧成220kV输电线，山西阳城电厂到江苏三堡变的500KV输
变电系统，华北电网大房双回500kV线路，川渝电网与华中主干电网联网工程现有双回500kV线路等均装有串补装置，显著提高了输电系统输电容量以及系统稳定水平。

晶闸管控制的串联电容补偿器(TCSC)是柔性交流输电系统(FACTS) 家族
中重要的一个组成部分, 可以在很多方面改善电力系统的性能。

作为串联补偿装置的TCSC在电力系统中的作用主要包括:
1）潮流控制。

能优化平行输电线路和不同电压等级线路的负载潮流，同时使系统总的损耗最小；
2) 阻尼线路功率振荡增加电压稳定性。

能增加系统容量，提高已有线路和新建线路的输电能力，从而用更少的线路输送更多电力，节省资金，对环境保护也有一定好处；
3) 消除次同步振荡。

次同步振荡是输电线路在一定运行条件下和串联补偿相关的一种谐振现象，消除次同步谐振的危险意味着扩大串联补偿的使用范围。

随着电力工业的发展，我国电网将成为世界上最庞大、资源优化配置能力最强和技术最先进的电网。

“西电东送、全国联网”是我国电网发展的，必然趋势，大规模、远距离输电是我国电网的发展特点。

我国电力需求持续、快速增长，土地资源紧张，电网稳定问题突出、电网建设投资巨大，急需有利于保护环境，适合我国大容量、远距离输电特点。

经济高效、建设周期短的先进交流输电技术。

可控串补技术是解决电网发展上述问题的重要关键技术之一。

但同时，在高压输电线路中，可控串补的绝缘问题需要考虑，以及并联谐振等问题都是制约可控串补大规模应用的原因。

因此，如何降低可控串补绝缘的投资水平，以及解决好并联谐振问题是今后可控串补的技术发展方向。