如何提高电力系统稳定性，

在TSSC电路结构中若晶闸管串一个电抗X_L=ωL再与电容C并联接在线路上则构成图6-13所示的晶闸管控制串联电容补偿器（TCSC），这可以实现串联补偿新的控制策略，对图中的电抗X（ωL）进行相控，既可使L、C总的等效并联电抗连续调控为容性，也可为感性，扩大了调控范围，从而大大改善了运行特性。

晶闸管控制串联电容补偿器TCSC，作为一种快速调节线路等效电抗的方法，其方案原型最初由Vithayathil等人在1986年提出，如图6-13所示。它包括串联电容器及其并联的晶闸管控制电抗器（TCR）。实际TCSC应用时，为了获得期望的补偿电压和运行特性，需要串联若干个这样基本的补偿装置，这种电路结构与TSSC的结构类似。假定晶闸管控制电抗器的电抗为X_L，电容器的容抗为X_C，X_L小于X_C，X_C与X_L并联后等效电抗为容抗。TCSC中的晶闸管当然也可以像TSSC中一样采用开/关的方式运行，但是TCSC方案的基本思想是通过电抗支路晶闸管的触发延迟角控制使TCSC提供连续平滑的等效电容器补偿，采取这种方式能够一定程度上抵消串联电容C的补偿量。TCR通过对触发延迟角α的控制，它在系统基频下可以表现为一个连续变化的感性电抗X_L（α）。TCSC的等效电抗X_TCSC（α）是TCR的相控感抗X_L（α）与固定的容性电抗X_C的并联电抗，即

根据式（5-32），上式中的晶闸管相控电抗X_L（α）为

图6-13 晶闸管控制的串联电容器TCSC

上式中X_L=ωL，α是以电容器电压峰值点（或者等同于线路电流的过零时刻）为起点开始计量的触发延时角（参见图6-20）。图6-14画出了X_C=1/ωC（与α无关）、X_L（α）和X_TCSC（α）的关系。因此，TCSC是一个可控并联的LC电路，串联在线路上流过线路电流I，实际上可以将其看作一个恒定的交流电流源。由式（6-9）、式（6-10）和图6-14可知，当相控电抗器的触发延迟角α从0增加到90°时，电抗值X_L（α）从X_L=ωL增大到X_L90°为无限大（即晶闸管不导通，L支路开路）。而图6-14中TCSC的等效容性电抗在α=90°时，由于TCR在α=90°时、X_L90=∞，X_TCSC的容性电抗为其最小值X_TCSCmin=X_C=1/ωC（串联电容C的补偿容抗），α从90°减小，X_L（α）减小，容性电抗X_TCSC增大。直到TCR在α=α_r，X_L（α）=X_C时达到图6-14所示的并联谐振状态，此时X_TCSCmax理论上是无穷大，此后当TCR的触发延迟角α再从α_r减小，X_L（α）减小，X_L（α）<X_C，TCSC的等效电抗X_TCSC（α）变为感性电抗。在α<α_r的感性电抗区，α从α_r减小，X_L（α）减小，X_TCSC（α）也减小，直到α=0时，TCR的电抗X_L0=ωL，X_TCSC达到其感抗最小值X_LX_C/（X_C-X_L），此时TCSC的实际作用等同于C与L并联。实际的TCSC电路结构中，TCR的感抗X_L小于电容器的容抗X_C，TCSC在其内部电流谐振附近点左、右是两种运行范围，其中一个范围为α_Clim≤α≤π/2，此时X_TCSC（α）为容性电抗。另外一个运行范围为0≤α≤α_Llim，此时X_TCSC（α）为感性电抗，如图6-14所示。在α_Llim<α<α_Clim区间的并联谐振点附近区，由于LC并联等效阻抗X_TCSC（α）很大，V_C=V_L过大而不允许运行。

图6-14 TCSC阻抗-延迟角特性曲线

在图6-13中，开关管开通后，LC电路形成谐振电流，实际应用中，当X_C一定时，X_L大小的选择对串联补偿的特性、补偿范围影响很大，电抗器的设计应仔细考虑需求和对应的得失（优、缺点）。在国外f=60Hz的交流系统中，图6-14中的典型应用是取X_L/X_C=0.133，X_C≈7.5X_L0=7.5ωL，α_r=50°，TCSC电流自然谐振频率为基频60Hz的2.74倍。一般而言，实际应用中，X_L/X_C的比值应为0.1～0.3，其取决于具体的应用需求和约束条件。

TCSC也有电压补偿控制模式和电抗补偿控制模式两种。电压补偿模式时补偿电压随线路电流变化的特性曲线（V-I）如图6-15a所示，图中，电容电压、电感电压被限制在V_Cmax、V_Lmax以内，以防开关器件过电压损坏。在图6-14所示允许的容性区运行时，TCR的触发延迟角α必须大于α_Clim，容抗X_TCSC（α）必须小于X_TCSC（α_Clim），即最大的容抗受限于α=α_Clim时的X_TCSC（α_Clim）。如果要求按电压补偿控制模式运行，补偿电压最大值为V_Cmax=IX_TCSC（α），当电流为I_min时，X_TCSC（α）被控为最大值X_TCSC（α_Clim），这时V_Cmax=I_minX_TCSC（α_Clim），当I>I_min时，应调控TCR的触发延迟角α（增大α），使X_L（α）增大，容抗X_TCSC（α）减小，即可实现图6_-15中AB线段的补偿电压V_C恒定为V_C=IX_TCSC（α）=V_Cmax=I_minX_TCSC（α_Clim），直到I=I_max为止。而当I<I_min时，由于在容性运行区不允许X_TCSC（α）>X_TCSC（α_Clim）只能是X_TCSC固定为X_TCSC（α_Clim），因此图6^-15a中电压补偿模式补偿电压V_C随I的减小（A→O）而线性减小。图中OA是α=α_Clim时的V_C-I特性，因此容性运行区的补偿特性如图6-15a中所示的OAB所示。图中OB是α=90°即电感L支路晶闸管完全不导通、仅有电容C时的V_C-I特性，V_C=I/ωC。

在图6-14所示的感性允许的运行区TCR的触发延迟角α≤α_Llim，TCR的α=0时，X_L=ωL，由于L不大，X_L<X_C，这时的并联电抗为感性，X_TCSC（α=0）=X_CX_L0/（X_C-X_L0）=1.15X_L0为最小感抗值，如图6-14中的D点。α≡0时的V_L=IX_TCSC（α=0）特性为图6-15a中的OE。直线OF则为α≡α_Llim时的V_L-I特性。图6-15a中F点α=α_Llim，F点的感性电抗为感性区允许的最大感抗。这时V_L已达到V_Lmax，I=I_F（F点的电流），故此后I更大时（I>I_F）为了使V_L≡V_Lmax不再增大，随着I从F点的I_F处进一步增大，应减小TCR的α角，使X_L（α）减小，从而使L、C并联的感抗X_TCSC减小，使V_C=IX_TCSC=I_FX_TCSC（α_Llim）=V_Lmax不变，所以由于感性区运行受限于V_Lmax和α≤α_Llim，则其运行特性应是图6-15a中的OFE。图中OE是α=0、X_L（α）=ωL时感性运行区最小等效感抗X_TCSC（0）时的V-I特性。(www.xing528.com)

当以补偿电抗的模式运行时，TCSC的应用是为了在任意线路电流直至额定最大电流的条件下获取最大额定的补偿电抗。对于这种补偿模式，TCSC需要选择合适的电容和晶闸管控制电抗器，从而在α=α_Clim、线路电流最大或低于最大额定值时保持最大的容性电抗，如图6-15b所示。TCSC能够提供的最小的容性电抗补偿当然是电容器本身的电抗，理论上在α=90°时获得（晶闸管不导通）。读者可能还记得前面提到的补偿电压和补偿电抗的运行模式可以通过控制措施相互切换，但是器件额定值的限制可能会限制期望的运行模式所能达到的范围。例如，图6_-15a中补偿电压随线路电流变化的特性曲线可以变换为图6_-16中补偿电抗随线路电流变化的特性曲线。从图中观察可以得出，要求有恒定的补偿电压必然导致补偿电抗的变化，与之相反的是，要求有恒定的补偿电抗将导致补偿电压随着线路电流的变化而变化。

图6-15 TCSC V-I特性

晶闸管、电抗器和电容器组都有其设计好的额定值，其最大的电压和电流限制应满足应用要求。通常要求TCSC具有暂态电压和电流的额定值，以及定义的确定的持续时间。TCSC由于其内部产生的谐波而使设计变得极其复杂，谐波电流也会在晶闸管内和电抗器里产生额外损耗和相应的温升。谐波电流在电容器上产生的谐波电压使电容器峰值电压升高，危害TCSC中电力开关器件的安全运行，因此必须考虑在最恶劣的运行情况下谐波的危害，并以此来确定TCSC主部件必要的最大电压和电流的额定值，以满足安全运行要求。此外，TCSC应有外部保护（例如MOV避雷器，脉冲放电间隙，旁路断路器）的支路，或者有预防严重过电压和电流浪涌的保护措施。

图6-16 电压补偿模式的V-I特性曲线对应的TCSC补偿电抗和线电流的特性曲线

带有TCR相控的TCSC会给线路带来谐波电压。这些谐波电压由TCR谐波电流产生，谐波电流在串联补偿电容器内形成环流。如第5章中介绍的，TCR产生所有奇次频率的谐波电压，其幅值是触发延迟角α的函数。在TCSC电路中，这些谐波电流产生的谐波电压仅与α角有关，与TCR电抗器与串联电容器电抗比值X_L/X_C无关。当X_L/X_C=0.133时（已在已有的TCSC中应用），在容性运行区间，最主要的谐波电压3次、5次和7次谐波电压对V_C0（其中V_C0是无TCR时且流过额定电流时电容电压）的百分比，如图6-17所示。在图6-17中，谐波电压的幅值随谐波频率的升高而快速下降，并且7次以上的谐波电压几乎可以忽略不计。低次的奇数谐波尽管看起来有相对大的幅值，但不大可能显著增大已有的线路谐波电流。由于这些谐波实质上是电压源，且TCSC通常应用于长距离输电高阻抗电路，此时产生的线路谐波电流将相对较小（在已有的实际应用工程中，由测量得知TCSC产生的线路谐波电流比电力系统中其他原因产生的系统谐波电流小得多）。

图6-17 TCSC在X_L/X_C为0.133时产生的主要谐波电压

由图6-14和图6-16可见，TCSC在容性工作区内X_rcsc<X_Cmin和在感性工作区内X_rcsc<X_Lmin的区域内不能工作，没有控制作用。如果TCSC是一个大型的单一设备，失控的容性区将很大。巨大的失控区将使得在使用TCSC控制动态稳定性和电力系统阻尼时变得很困难。如果应用中将TCSC整个装置分成几个模块串联，并按要求依序插入不同数量的模块，则可使失控区变窄。

由于GCSC的等效容抗在f=0至系统频率下可以连续控制，如果在TCSC（或者TSSC）多个串联的模块中有一个模块是GCSC，则总的等效容抗也可能在整个区间上连续可控，并减小谐波影响。