TCSC运行原理及其在电网中的工程应用

张强

（三峡电力职业学院动力工程系，湖北 宜昌 443000）

1 引言

为解决输配电网输电功率瓶颈问题，促进跨流域的水火互济和更大范围的资源优化配置，克服西电东送和区域电网异步互联等工程技术难题［1］，研究与开发灵活交流输电技术及其工程应用，对电网技术的发展具有重大的意义。

依靠电力电子技术、信息技术和控制技术的快速发展，柔性交流输电技术（FACTS）对电力系统的安全稳定运行起到了越来越重要的作用。柔性交流输电系统的控制技术以其响应速度快、无机械运动部件以及较好地提取系统广泛的信息等优点而明显优于传统的电力系统潮流和稳定控制措施。可控串联补偿（TCSC）作为FACTS技术应用的典型装置之一，在超高压线路输送能力和系统稳定性方面发挥着巨大作用［2－4］。本文主要讨论TCSC的运行原理及其在现代电网中的工程应用。

2 可控串联补偿的发展概述

可控串联补偿［5，6］本质上是晶闸管控制串联电容器，它是20世纪70年代提出来的第一代FACTS装置，第一代FACTS装置的典型特征是:由半控型器件即传统晶闸管组成的调节装置。晶闸管控制型的FACTS装置是利用了传统的并联或串联电路排列中的具有快速固态开关的电容器或电抗器阵列。晶闸管开关控制着固定电容器和电抗器阵列的开和关过程，从而实现一个可变的无功阻抗。

采用串联电容器补偿线路感抗的补偿方式可以缩短输电线路的等效电气距离，减小功率输送引起的电压降和功角差，从而提高线路输送能力和系统稳定性。常规串联电容器补偿装置的补偿电抗固定，它不能灵活地调整线路电抗以适应系统运行条件的变化。晶闸管控制串联电容器应用现代电力电子技术，通过对晶闸管阀的触发控制，来实现对串联补偿电容器容抗值的平滑调节，使输电线路的阻抗参数成为动态可调，实现了对线路补偿度的灵活调节，使系统的动态性能得到改善［4］。

随着常规固定串联电容器应用的增加，带来了一些新的挑战［7，8］。当输电线路采用固定串联补偿时，会引入一个次同步频率的电气振荡，特别在补偿度较高时，电气谐振与机组谐振之间相互作用导致出现电气振荡与机械振荡相互促进增强的现象即次同步谐振（SSR），还有固定串联电容器补偿线路时对故障响应灵敏度增加，可能使其在已增加的输电能力上出现过负荷运行。而可控串联补偿的出现正好弥补了这些不足，而且可控串联补偿可以方便地调节系统的有功和无功潮流，有效地控制电力系统的电压水平和功率平衡，从而具有多种良好的性能［1］:快速连续地调节输电线路串联补偿度；动态控制输电线路潮流，优化电网潮流分布和减少网损；通过控制线路潮流，阻尼功率振荡；能提高线路串联补偿度并抑制SSR；提高电力系统的静态和暂态稳定性；有助于调节母线电压，缓解电压不稳定问题；可以转入可控感性模式，降低线路短路电流。另外，从经济成本最优的角度考虑，当线路输送的功率相同时，即使串联电容器每千乏的成本由于其较高的运行电压是并联电容器的两倍，串联电容器补偿的总体成本要比并联补偿要低一些，综合来看可控串联补偿的出现是电力工业发展的必然趋势。

3 可控串联补偿运行原理

晶闸管控制串联电容器的单相电路结构如图1所示，由电容器与晶闸管控制的电抗器并联构成，实际应用中需要将多个TCSC单元串联起来组成一个特定容量的装置［5］。晶闸管控制电抗器的基波电抗值是触发延迟角的连续函数，TCSC的稳态基波阻抗可看作由一个不变的容性阻抗XC与一个可变的感性阻抗XL（α）并联组成即TCSC的基波阻抗为:

图1 TCSC的单相电路结构

式中，UTCSC为TCSC承受电压的基波分量有效值；I为线路电流的有效值；XFC=1/ωC为固定电容的阻抗值；XL（0）=XL=ωL为电感的阻抗值。

图2 TCSC的等效阻抗与触发延迟角的关系

4 TCSC在现代电网中的工程应用

4.1 TCSC在现代电网中的应用概况

TCSC作为一项高可靠性和经济性的电力系统调节技术，在现代电网中的应用正在逐渐推广，目前全世界有多个TCSC工程在投入运行［1］。由于技术相对比较成熟，国外的应用情况相对较早。1991年，由ABB公司制造的首个机械开关控制的串联电容器补偿装置在美国AEP电网的KanawhaRiver变电站投入运行。1992年，由西门子公司和美国西部电力局联合开发的TCSC装置在Kayenta变电站投入运行，该项目是世界首个可以连续控制的TCSC装置。1997年，为有效解决抑制低频振荡的问题，巴西在南北电网互联工程中的500kV高压输电线路上投入TCSC装置。

国内正在追赶国外的先进技术，在TCSC工程方面也取得了一定的成绩［9］。2003年，中国第一套TCSC装置在南方电网某变电站投入运行，承受电压等级为500kV，可控部分补偿度为5%。2004年，由中国电力科学研究院自主研制的TCSC装置在西北电网220kV某变电站建成投入运行，可控部分补偿度为50%，是目前世界上可控部分补偿度最大的工程。2007年，由国内自主开发的TCSC装置在东北电网500kV某变电站投入运行，补偿容量为652Mvar。

4.2 现代电网的TCSC工程施工步骤［1］

（1）TCSC系统设计与工程建设:设计使用寿命一般要求为30年以上，同时要考虑未来电网的规划及系统运行方式的改变情况。一般TCSC的施工建设分两期完成，第一期为土建施工和一次设备安装，第二期为电气二次设备的安装。

（2）TCSC装置实验技术:现场试验的主要项目有火花间隙现场检验、旁路断路器功能测试和二次系统功能测试等，在此基础上进行分系统测试，以保证各电气设备是可靠无故障的。

（3）TCSC工程调试:包括系统调试和系统调试两部分，分系统测试主要测试可控串补的保护功能是否正常，系统测试是保证TCSC投入系统后能正常运行，要求系统带电调试。

（4）TCSC运行与维护:为保证TCSC的长期安全运行，依据电力设备预防性试验规程和电力行业标准制订编写可控串联补偿的一次设备、二次设备的试验和检验大纲，按照检验大纲定期对TCSC装置进行巡视与检查。

5 结论

在保证电网可靠安全稳定运行的同时，最大地提高现有电网资源的利用效率是目前电网急待解决的关键技术，而大功率灵活交流输电技术为此提供了有效途径。鉴于此，本文详细分析可控串联补偿的工作原理及在电网中的工程应用，为从事TCSC的工程人员提供参考。

［1］国家电网公司建设运行部，中国电力科学研究院.灵活交流输电技术在国家骨干电网中的应用［M］.北京：中国电力出版社，2008.

［2］王辉，韦泽垠，王耀南.可控串补自适应模糊阻尼控制策略研究［J］.电力自动化设备，2006，26（10）：13 －16.

［3］孙元章，焦晓红，申铁龙.电力系统非线性鲁棒控制［M］.清华大学出版社，2007.

［4］韩绪鹏.基于神经滑模理论的可控串联补偿非线性控制研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.

［5］谢小荣，姜齐荣.柔性交流输电系统的原理与应用［M］.清华大学出版社，2006.

［6］Khederzadeh M.Application of TCSC to enhance power quanlity.42nd International University Power Enqineering Conference［C］.2007：607 －612.

［7］Othman H A，Anrquist L.Analytical modeling of thyristor－ controlled series capacitors for SSR studies.Power Systems［J］.1996，11（1）：119 －127.

［8］Fan Zhang，Zheng Xu.SSR damping study on a generator connected to TCSC.Power Systems Conference and Exposition［C］.2004：673 －678.

［9］吴敏.TCSC的控制策略与仿真分析［D］.南昌：南昌大学，2007.