基本工作原理：TCSC各个模式下基波电流

5.3.2.1 基本原理

TCSC中TCR支路的等效电抗值X_L（α）是触发延迟角α的连续函数，因此TCSC的等效电抗X_TCSC可以看作是一个固定的容抗X_C和一个可变的感抗X_L（α）并联而成，其值为

因此，通过控制TCR的触发延迟角α可以改变X_L（α）的大小，进而达到调节TCSC的等效电抗X_TCSC的效果。由式（5-1）可知，当X_C-X_L（α）＞0时，TCSC对外呈现为一个可变的感抗；当X_C-X_L（α）＜0时，TCSC对外呈现为可变的容抗；而当X_C-X_L（α）=0时，TCSC等效电抗为无穷大，对外电路来说相当于开路，因此，应避免此种情况出现。

本章中晶闸管的控制角定义为：触发延迟角α为电容电压正或反向过零点到相应晶闸管阀触发脉冲之间的电角度差；触发越前角β为晶闸管导通时刻相对于随后的电容电压过零点的电角度差；晶闸管导通角σ表示晶闸管导通区间的电气角度。在稳态工况下，β=π-α，σ=2β。

5.3.2.2 运行模式

根据晶闸管导通状况的不同，TCSC有三种基本运行模式，即晶闸管闭锁模式、晶闸管旁通模式以及晶闸管部分导通模式，即微调模式。图5-8为各个模式下各支路电流基波分量的分布示意图，其中I_L、I_C和I_TCR分别表示线路、电容支路和TCR支路电流基波分量。图中，箭头方向相同表示相位相同，相反表示相位相差180°；箭头粗细形象地代表基波电流幅值的大小。

图5-8 TCSC各个模式下基波电流分布

1.晶闸管闭锁模式

这种模式通常称为等待模式，如图5-8a所示。在这种运行模式下，晶闸管的触发延迟角α=180°，晶闸管的触发脉冲被闭锁，X_L（α）取得最大值∞，TCR支路电流I_TCR=0，I_C=I_L。TCSC装置就退化为一个FSC装置，其等效电抗就是电容器的标称容抗X_C。

2.晶闸管微调模式

微调模式下，TCR支路在半个周波内可以部分导通，由此产生的电流I_TCR作用于电容器的充电过程，从而改变了TCSC的等效电抗。按照触发延迟角的大小，晶闸管微调模式可以分为晶闸管容性微调模式和晶闸管感性微调模式两种。

容性微调模式下，由于I_TCR与I_L反相，两者共同作用的结果使得I_C与I_L同相，幅值大于I_L，如图5-8b所示。由于电容器电压基波分量滞后于线路电流90°，幅值大于线路电流单独通过电容器时产生电压的基波分量幅值，因此，这时的TCSC等效为一个容性电抗，其数值大于电容器的标称容抗X_C。导通角σ在一定的变化范围内，TCSC的等效电抗表现为连续变化的容抗特性。

晶闸管微调模式的另一种是感性微调模式。此模式下，I_TCR幅值大于I_L，其相位与I_L相同，两者的共同作用会使I_C与I_L反相，如图5-8c所示。这时电容器电压基波分量超前I_L90°，TCSC等效电抗为感抗。在一定的区间内，连续改变导通角σ，TCSC的等效感抗也发生连续变化。TCSC的这种运行方式称为感性微调运行方式。

3.晶闸管旁通模式(www.xing528.com)

如图5-8d所示，此种模式下，晶闸管的触发延迟角为α=90°两只反并联的晶闸管导通角各为180°，TCR支路持续导通，这时TCSC装置就等效于电容器和电抗器的并联运行。I_TCR与IL同相，数值上略大于I_L，结果使I_C在数值上远小I_L，产生的电容器两端的电压在相位上超前I_L，TCSC呈现小值的等效感抗。

这种模式主要是用来达到某些控制和保护目的，但它与图5-6中通过断路器CB闭合的断路器旁路模式有所不同。晶闸管旁路运行模式的作用是向TCSC装置提供快速的控制和保护手段，而断路器旁路模式是用来退出TCSC或者因为TCSC内部故障而采取的保护措施^[10]。5.3.2.3 基频等效电抗特性

TCSC基频等效电抗X_TCSC与晶闸管触发越前角β之间的关系如式（5-2）所示：

式中，为电容器和电抗器环路的谐振角频率，ω₀为工频角频率。

图5-9 TCSC的基频电抗特性

按照式（5-2）计算得到的TCSC在稳态工况下基频电抗特性如图5-9所示，其中横坐标是TCR支路的触发延迟角α；纵坐标是TCSC的基频等效电抗X_TCSC，采用标么值表示，其基准值为串联电容器C标称容抗。

1）α控制范围是90°～180°，在该范围内，TCSC的稳态阻抗特性分为容性运行区和感性运行区。在感性运行区和容性运行区之间的转换过程中，要经过一个谐振点，对应的触发延迟角用α_r表示。α_r的大小由电容C和电感L的参数共同决定。由于在谐振点附近运行时会产生过电压，因此必须将α限制在一定的范围内。在感性运行区，α不允许超过最大触发延迟角α_Lmax；在容性区运行时，α不小于最小触发延迟角α_Cmin。

2）当α位于区间（α_Cmin，180°]时，TCSC呈现容性等效电抗运行特性。α为180°时对应于晶闸管全关断运行模式，此时的等效容抗数值最小，即等于电容器标称容抗X_C。从180°开始逐渐减小α，TCSC等效容抗逐渐增大，对应于容性微调运行模式。

3）当α位于区间[90°，α_Lmax）时，TCSC呈现感性等效电抗运行特性。α为90°时等效感抗X_TCSC数值最小，对应于晶闸管旁路运行模式，等效感抗在数值上等于电容电抗和电感电抗的并联。从90°开始逐渐增大触发延迟角，在达到谐振角α_r之前，TCSC等效感抗逐渐增大，对应于感性微调运行模式^[2]。5.3.2.4 控制方式

实际的TCSC装置通常采用图5-10的分层式控制结构，包括上层控制、中层控制和底层控制。每层控制具有不同的输入量和输出量，完成不同的控制目的。不同控制层之间既有主从性，又有一定的独立性以完成特定的控制任务。高一层的控制目标最终还需要通过下一层的控制来实现。上层控制主要用于电力系统控制，根据系统调度要求选择TCSC不同的控制目标，如潮流控制、暂态稳定控制、增加功率摇摆阻尼等，并根据相关的控制策略，得出TCSC装置所需的输出阻抗。中层控制即阻抗控制，其主要任务是根据系统控制要求的命令阻抗，制定相关控制策略，使其输出阻抗迅速准确地跟踪命令阻抗。底层控制采集线路电流和电容电压的瞬时值，并根据中层控制的命令阻抗，计算得到晶闸管的触发时刻，使TCSC装置的输出阻抗达到中层控制的要求^[2]。在底层或中层控制中采用适当的控制方法可有效抑制SSO，下面将对此进行详细阐述。

图5-10 TCSC分层控制框图