门极可关断晶闸管控制串联电容器

1992年Karady等人提出的基于门极可关断GTO晶闸管的可控串联电容器（GCSC）如图6-5a所示，它由固定电容器与门极可关断GTO晶闸管并联组成。

GCSC直接通过对GTO通断延迟角的相控，控制电容的串联补偿电压，改变等效补偿电容，而不必像晶闸管控制串联电容补偿器（TCSC）那样采用相控电抗器，当然必须采用全控型开关管如GTO。

图6-5a所示的GCSC的功能目标是在给定线路电流I时控制电容器上的交流电压v_C。很明显，如果在电源线路电流的整个正半周期和整个负半周期GTO都处于通态（GTO的导通角γ=180°），电容器上的电压为零（v_C≡0），则GCSC等效容抗为零。如果在电源线路电流的整个正、负半周期GTO都处于断态时，电容器上电压则为滞后电流i（t）90°的完整正弦波v_C（γ=0），GCSC的等效容抗为最大值1/ωC这时v_C最大（v_C=I/ωC），如图6-5c的vC（γ=0）所示，这时GCSC的等效容抗为1/ωC。为了控制电容器电压，应在每半个工频周期内对GTO的开通和关断进行控制。图6-5a、b中，若在F点开通VT₁，经过γ角时期后到达0点，再经过γ角时期后到达A点关断VT₁，则在FA的2γ期间VT₁处于通态流过线路正电流，电容被VT₁短接，v_C=0，从A点关断VT₁后，到H点开通VT₂前的AH期间，VT₁、VT₂都为断态。在AB期间线路正电流i对C充电，v_C从零上升至最大值，在BH期间，i反向，i使C放电，v_C从正最大值放电至零。在AH期间电容C充电、放电，v_C≠0，历时为。同理，在H点开通VT₂，经历γ时期到达π点再经γ时期到达D点时关断VT₂，则在HD的2γ期VT₂处于通态，VT₂短接电容C，v_C=0，线路反向电流-i流过VT₂。在随后DF₁期间VT₂已关断，VT₁尚未开通，VT₁、VT₂又都处于断态，使DE₁期间负电流i对电容C反向充电，v_C从零升到最大负值，在随后的E₁ F₁期间正电流i又使C放电，v_C又从负最大值变为零，使DF₁期间得到负半波电压v_C（γ）。从图6-5a、b可知，只要检测电容电压v_C（γ）从负值变为零时（图6-5b中的F、F₁点）触发开通VT₁，在线路电流达到最大正值（0点，2π点）后再延迟一个延迟角γ后，在A、A₁点关断VT₁；在检测v_C（γ）从正值变为零（H点、H₁点）时触发开通VT₂，在线路电流为最负值（π点）再延迟一个延迟角γ后在D、D₁点关断VT₂。这样即可得到图6-5b所示的电压波形v_C（γ），v_C（γ）是补偿器串入线路的补偿电压。图中开关管一旦被触发开通，随即转入通态，流过线路电流，一旦被施以关断信号随即转入断态，线路电流转到电容，产生v_C（γ），在每半个周波内，关断瞬间由关断延迟角γ（0≤γ≤π/2）控制，关断延迟角γ是以线路电流峰值为零点（见图6-5b中的0、π点），即关断角γ是GTO的关断起始点比电流

图6-5 基本GTO控制的串联电容器（GCSC）

峰值滞后的角度。在γ=0（0、π点）和任意关断延迟角γ（A点、D点）下的线路电流i和电容器电压v_C（γ）曲线如图6-5c所示。若GTO在线路电流正弦波瞬时值最大时（γ=0）断开，则GTO在随后的半个周期将完全关断，使线路电流i全部流过电容，电容电压v_C就如图6-5b中的电压v_C（0）所示。当GTO在关断延迟角为γ断开时，图6-5a、b中由线路电流i=Icosωt产生的电容器电压v_C（t）为

图6-5a中的V₁在延迟角为γ（即图6-5b中的A点ωt=γ）时断开，在随后的v_C（t）正值半波期间（即γ≤ωt≤π-γ期间），V₁、V₂都断开，电容C首先流过正向电流正向充电，v_C为正值上升至B点后，电流i为负值。线路反向电流流经电容C使其放电，v_C减小，到H点v_C=0。在ωt=π+γ的D点V₂关断后的（π+γ）≤ωt≤（2π-γ）的DF₁（π-2γ）期间得到负半波电压v_C。很明显，通过控制关断延迟角这种方法能够实现连续改变电容器电压的幅值和持续时间，如图6-5c所示。类似并联补偿时对TCR电感电流的调控，在图6-5c中串联补偿时对电容器电压的调控也只能在每半个周期调控一次。

比较图6-5b中的v_C（t）和图5-7c中的i（t）波形不难发现：晶闸管相控电抗器的电流波形和GTO控制串联电容器电压v_C（t）的波形是一样的，这也证实了GCSC和TCR之间的对偶性。TCR是用晶闸管开关控制与它串联的电抗器中的补偿电流，而GCSC是用门极关断（GTO）晶闸管控制与GTO并联电容器上的线路串联补偿电压。TCR由电网节点电压提供能量，而GCSC则由线路电流提供能量。TCR的晶闸管在电抗器电流i（t）过零点时断开，而GCSC的门极关断GTO晶闸管在电容电压v_C（t）过零点时开通。TCR由触发延迟角α（决定了晶闸管的导通范围，晶闸管导通、电抗器有电流的导通角θ=π-2α。）控制，α被控的起点对应电网节点峰值电压，而GCSC由其关断延迟角γ（决定了GTO的断态期范围，GTO关断，线路电流流过电容，电容有补偿电压v_C（t）的角度为π-2y）控制，γ被控的起点对应线路峰值电流。TCR在电网电压一定时调控电抗器的电抗、电流来提供可变的并联补偿电流，而GCSC在线路电流一定时通过调控电容器上的电压、电抗来提供可变的等效串联补偿电压。

图6-6 串联电容电压的基波分量和关断延迟角γ的关系

上述对偶性理论使得可将TCR的 式（5-30）、式（5-31）和式（5-33）的分析结果用于GCSC。所以类似式（5-30），电容电压v_CF（γ）的幅值V_CF（γ）应是

式中，I是线路电流；C是GTO控制电容器的电容；ω是交流系统的角频率。用标幺值表示（规格化相对值）的电容电压变化曲线如图6-6所示。基于图6-6，改变γ，可如式（6-8A）所示产生一个可控的串联补偿电压v_C（γ），GCSC也可作为一个可变的容性串联补偿电抗。等效的容性补偿电抗X_C是γ的函数，电容器的等效电抗应为

在实际应用中，GCSC要么控制补偿电压V_CF（γ）跟踪其指令值，要么控制等效补偿电抗X_C（γ）跟踪其指令值。在电压补偿模式下，在线路电流I_min≤I≤I_max范围内，即使线路电流减小，GCSC通过增大等效补偿电抗也能维持额定补偿电压，如图6-7a所示。在电压补偿模式下，选择电容电抗X_C和最小线路电流I=I_min产生额定补偿电压V_CR，V_CR=V_Cmax=X_CI_min，当电流从I_min增大到I_max时，调控关断延迟角γ增大，减少电容器接入线路电流的时间，使X_C（γ）减小，以此来维持补偿电压V_C（γ）=IX_C（γ）=V_CR=I_minX_C不变。当I<I_min时控制γ=0，X_C（γ）=1/ωC（最大值），V_C（γ）=IX_C随I的下降而下降，如图6-7a所示。(www.xing528.com)

图6-7 GCSC的V-I（补偿电压和线电流）特性曲线

在电抗补偿模式下，当电流小于最大限值I_max的任意值时，不论线路电流多大，GCSC都维持最大补偿电抗不变。如图6-7b所示。在这种补偿模式下，选择电容电抗提供额定（最大允许）电流I_max下的最大串联补偿，X_C=V_Cmax/I_max，通过控制电容器有效电压V_CF（γ），GCSC的电抗能在0≤X_C（γ）≤X_C范围内变化。当然，电抗补偿和电压补偿两种模式可以通过控制手段互换。

在GCSC的实际应用中，要求GCSC中的GTO具有在线路故障和其他大扰动下承受比正常最大额定容量要高的过负荷能力。有些故障可能会产生太大的故障电流以至于GTO不能承受，所以在实际中，有必要通过外部的过电压抑制器、电压限制装置或者适当的旁路开关装置来保护GCSC。这些保护装置可确保GCSC的电压和电流不会超过其允许的运行范围。这些保护装置不仅用于GCSC，事实上所有串联连接的补偿装置，包括传统不控的串联电容器，也要求有类似的保护。

GCSC的关断延迟角控制，就像TCR的开通延迟角相位控制一样，会产生谐波。当电压正、负半周波形相同时，只有奇数谐波产生。类似于式（5-31），谐波电压是γ的函数，即

式中，n=2k+1，k=1、2、3、…。

谐波电压的相对百分值与关断延迟角γ的关系曲线如图6-8所示。

GCSC产生的电压谐波也能够采用类似图5-11中分组控制TCR的“连续控制”方法有效地减弱或抑制。回顾这个方法：采用m（m≥2）个并联链接TCR，每个额定容量为整个额定容量的1/m，电抗器采用“连续控制”，即这m个电抗器中只有一个采用延迟角度控制，其他各个电抗器保持全通或全断（从电路切除）。这种连续控制法也适合GCSC，从对偶性可知，要求m（m≥2）个串联的GCSC，每个承担额定补偿电压的1/m。如图6-9所示，m个电容器中的仅有一个GTO采用关断延迟角控制来实现整个输出电压的连续电压控制，而其他的m-1个GCSC则要么运行于γ=0，要么运行于γ=90°，使其GTO对应的电容要么整个电源周期接入线路，要么完全被GTO短路。采用这种方式，整个GCSC产生的谐波电压相对值可以明显减小。

与图5-11中大容量TCR应用中采用多个TCR并联一样，实际应用中大容量GCSC也采用图6-9所示多个GCSC串联应用，其技术、经济性更好。技术上偏向于把高压门极关断（GTO）晶闸管分成4个或者更多的串联连接模块来实现大容量GCSC的实用化。

图6-8 以最大基波电容电压幅值百分比表示的谐波电压幅值与关断延迟角γ的关系

图6-9 顺序控制4个串联GCSC组减少谐波的方法

采用连续控制的GCSC的损耗与无功输出I²_ratedX_GCSC成反比例。GCSC的所有电容器都被GTO旁路，电容电压和输出无功为零时，全部GTO都投入工作，损耗最大，当各组GCSC中的GTO全都断态，电容C全部串入线路时，输出无功功率最大，而GTO的损耗几乎为零，仅有很小的电容损耗，这些损耗是微不足道的。