近年来，电力电子技术在电能的产生、输送、分配和使用的全过程都得到了广泛而重要的应用，与其他应用领域相比，电力系统要求电力电子装置具有更高的电压、更大的功率容量和更高的可靠性。输电系统（Transmission System）是组成电力系统的重要环节之一，其作用是实现电能稳定、有效的传输。目前，电能尚无办法进行大量存储，整个系统中的无功功率和有功功率必须保持动态平衡，然而负荷、传输、发电的变化是绝对的，因此需要进行控制和调节。输电系统的调节对象主要包括无功功率和有功功率、电流和相角、阻抗等，还需抑制系统谐振，维持电压和频率等的短期、中期和长期稳定。目前，公认的唯一有效途径是电力电子和先进控制技术的应用。这些技术的应用和发展，促成了近年来交流电网中的一个前沿领域——柔性交流输电系统（Flexible AC Transmission Systems—FACTS），也称灵活交流输电系统，其本质是输电的灵活可变、方便可控，使原来基本不可控的交流输电系统可以得到全面控制，运行更加安全、可靠、经济。FACTS 的核心设备是FACTS 控制器，其类型很多。本节介绍晶闸管投切电容器（Thyristor Switch Capacitor—TSC）、晶闸管控制电抗器（Thyristor ControlledReactor—TCR） 和晶闸管控制的串联补偿电容器（Thyristor Controlled Series Capacitor—TCSC）。TSC 和TCR 用于无功补偿，而TCSC 用于改变输电线路阻抗。

（1）无功功率补偿

在电力系统中，对无功功率进行补偿控制极为重要。通过无功补偿，可以提高电网功率因数，稳定电网电压，改善供电质量。在电网无功补偿中，传统的做法有静态补偿和动态补偿两种。传统的静态补偿是靠投入无功补偿电容器来实现的，其阻抗固定且不能自动跟踪负荷中无功的变化。传统的动态补偿是靠同步调相机来完成的，由于它是旋转电机，因此响应速度慢，损耗和噪声大，维护难度大。

从20 世纪70 年代开始，出现了静止无功补偿装置（Static Var Compensator —SVC）并开始逐渐取代同步调相机。利用晶闸管器件构成的静止无功补偿装置具有优异的性能，已成为静止无功补偿装置的主要设备，因此SVC 往往专指使用晶闸管器件的静止无功补偿装置，包括固定电容器（Fixed Capacitor—FC）、晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）三类装置。当然也可以用以上三类中的某一类或某几类进行组合，或与机械投切电容器（Mechanically Switch Capacitor—MSC）相组合（如TCR+FC，TCR+MSC）等。随着电力电子技术的飞速发展，之后出现了一种更为先进的静止无功补偿装置即静止无功发生器（将在后续章节介绍）。下面介绍TSC 和TCR。

1）晶闸管投切电容器（TSC）

利用机械开关（接触器触点）投入或者切除电容器可以控制电网中的无功补偿来提高电网的功率因数，这种方式在电容器投切时会对电网产生较大的电流冲击。由反并联晶闸管构成的交流电力电子双向开关代替机械开关，就组成了晶闸管投切电容器TSC。单相电路的TSC 基本原理如图5.22 所示，三相电路可以采用三角形或星形接法。

图5.22（a）是TSC 基本电路单元，其中所串联的电感很小，用来抑制电容器投入电网时可能出现的电流冲击，在简化电路中一般不画出。在实际工程中，为了避免容量较大的电容器投入或切除给电网带来较大的冲击，一般把电容器分成几组，如图5.22（b）所示。这样就可以实现电容器的分级动态无功补偿，级数越多，切换的平滑性也就越好，精度越高。当然级数过多会增大设备成本，因此需要折中考虑，根据负载情况适当选取。

图5.22　TSC 基本原理

TSC 运行时晶闸管投切原则是：在满足无功功率补偿要求的情况下，保证晶闸管导通使电容器投入时不产生电流冲击。为此，电容器投入之前应预先充电至电源峰值电压；电容器投入时，使流经其电流为零，没有冲击，之后按正弦规律变化，如图5.23 所示。如果需要切除电容器，去掉晶闸管上的触发脉冲即可，两个器件在电流过零时关断。

为了降低成本，实际使用中采用晶闸管和二极管反并联的方法，如图5.24 所示。这时由于二极管的作用，在电路不导通时，uc 总会维持在电源电压峰值处，缺点是响应速度慢一些，电容器投切的最大滞后时间为一个周波。

图5.23　TSC 投切时刻波形

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图5.24　晶闸管和二极管反并联方式的TDC 电路及投切时刻波形

2）晶闸管控制电抗器（TCR）

图5.25　晶闸管控制电抗器（TCR）电路

晶闸管控制电抗器是相控交流调压电路感性负载的一个典型应用。图5.25 是TCR 的典型电路，可以看出这是支路控制三角形联接方式的相控三相交流调压电路。

图5.25 中电抗器的电阻值很小，故负载可以近似看作纯感性负载，晶闸管的移相范围为π/2～π。通过调节触发角α，可以连续调节流过电抗器的电流，从而调节电路从电网中吸收的无功功率。如果与电容器相配合，就可以在从感性到容性的变化范围内对无功功率进行连续调节。

图5.26 分别给出了TCR 电路在触发角α 为120°、135°和150°时的负载相电流和输入线电流的波形。

图5.26　TCR 电路负载相电流和输入线电流的波形

（2）可控串联补偿

在长距离交流输电系统中，用晶闸管控制的串联补偿电容器（Thyristor Controlled Series Capacitor—TCSC）来提高输电线路的电能输送容量、降低电压波动已有很长的历史，已经成为灵活交流输电系统中的主要项目。输电线路的电抗越大，所能够传输的功率极限值就越小，在输电线路中串联接入电容器可以补偿线路的电感，从而提高输电线路的输电能力，改善系统的稳定性。图5.27 是TCSC 电路及波形。为了改变串联电容的大小，可将一定容量的电容C 与一个晶闸管控制电抗器相并联，然后再串联接入电线路中。通过对晶闸管进行移相控制，改变等效电感的大小，从而连续调节图5.27（a）中A、B 两点间的等效容抗XC，补偿输电线里的感抗XL。此外，还可以调控线路B 点的电压，改变输电线路或电网中有功功率、无功功率的分布，使之最优化。

图5.27　晶闸管控制的串联补偿电容器（TCSC）及波形

图5.27 中电容器两端的电压与电容并联的TCR 中电感电流为i，晶闸管的有效移相范围是控制角时，晶闸管的控制作用和时相同，此时电感支路的电抗XL=ωL，为纯电感。当α=π 时，晶闸管不导通，电感支路断开，对并联的电容器支路不起作用，A、B 之间为纯电容。因此并联的电感支路对电容支路的影响，从时的纯电感开始，随着触发角α 的增大而逐渐减小；当α=π 时，影响完全消失。控制角α 在的变化过程中，A、B 之间的阻抗逐渐变化。由此可见，调节晶闸管的触发角即可改变电感支路感抗的大小，从而也就改变了A、B 两端等效电容的大小。