基于UPQC的電氣化鐵路 同相供電方案的研究

周建佳 胡 成 楊蘇飛

（西南交通大學電氣工程學院，成都 610031）

1 引言

電力牽引負荷的非線形、單相性、隨機性，會導致牽引負荷單位功率因數低，特別是諧波、負序、無功及過電分相普遍存在，嚴重影響電力系統和牽引供電系統的電能質量，制約鐵路的高速、重載、安全、環保、可靠、經濟的運行，解決以上問題迫在眉睫。牽引供電系統是牽引負荷的動力來源，其作為高速鐵路的重要組成部分。目前牽引供電系統還存在很多問題，如諧波、無功、負序、通信干擾和“過電分相”等，嚴重制約了高速鐵路的快速發展。根據以上問題采用構建同相牽引供電系統，取消各供電區的分相絕緣器，全線用同一相位單相供電，最大限度地避免電分相，能大大提高鐵路的速度。

統一電能綜合調節器（UPQC）由日本學者Akagi.H提出，采用串聯有源濾波器、并聯有源濾波器與直流儲存單元組成的混合結構，可實現安裝點電壓和系統電流達到最佳補償效果的一種新型電力電子裝置。并聯APF可以補償非線性負載產生的諧波電流，防止這些諧波電流進入系統內，因此并聯APF在許多非線性場合得到了廣泛的應用。并聯APF也有本身的缺點，即只能補償非線性負載生成的諧波電流，而且只有在非線性負載附近安裝才能取得良好的效果。因此，并聯APF的應用也有一定的限制。串聯APF在補償電壓諧波中更有優勢，對于系統電壓因異地諧波而導致的畸變，采用串聯APF能取到很好的效果。串聯APF也可以對特定的負載進行補償，防止系統的諧波電壓對對特定的負載產生影響。但是串聯APF雖然可以使負載的電壓為額定基波電壓，然而負載的產生的諧波電流要流過串聯APF而進入系統中。在串聯APF負載側安裝無源濾波器可以濾除非線性負荷的固有諧波，但當負載是動態線性負載時，安裝無源濾波器就難以防止諧波注入系統中。而UPQC結合了串聯APF和并聯APF的優點，具有串聯APF和并聯APF兩者的功能：①在供電電壓出現暫態或穩態故障的時候，UPQC可以維持負載端的電壓為額定值；②UPQC可以補償非線性負載產生的諧波，從而保證系統電流不受畸變干擾；③UPQC可以提供負載需要的無功功率，校正功率因數，不需要額外的功率因數校正裝置；④不需要另外的裝置提供直流側電源，由并聯APF單元保證穩定的直流側電壓即可。因此將UPQC裝置應用于牽引供電系統中，既能補償負載引起的諧波、負序、無功電流等問題，又能補償來自供電端本身的電壓不穩及瞬時電壓跌落等電能質量問題，而且還能消除系統不平衡，以實現同相供電。

2 UPQC的主電路和功能

統一電能質量調節器（UPQC）由串聯補償部分、并聯補償部分和直流儲存單元部分組成。串聯部分用于補償來自電網側的電壓的瞬時跌落，從而提高負載電壓的穩定性，并聯部分則靠近負載側，向電網注入與負載的諧波、無功、負序電流大小相等而方向相反的電流，抑制各種非線性、沖擊性負載引起的諧波、無功、負序電流。UPQC直流側電容電壓通過并聯部分從電源側吸收或釋放有功功率來維持恒定。

圖1 UPQC的主電路結構

3 基于UPQC的同相供電方案

（1）采用Vy-55變壓器作為該方案的牽引變壓器，該變壓器具有造價低，工作變壓器數量少，系統投資比三相Y，d11十字交叉接線方式少，且便于維護。

（2）平衡變換裝置的核心器件是統一電能質量調節器，通過對其適當控制，能夠實現三相平衡變換，動態的補償電壓波動，補償諧波和無功。

（3）當統一電能質量調節器發生故障時，系統將變成單相接線，無法補償電壓波動、諧波和無功，但供電仍能繼續進行，通信干擾防護效果不變。

圖2 基于UPQC的同相供電方案

4 UPQC的補償原理

4.1 電壓補償原理

令原邊三相電壓為

則牽引側的相電壓為

其中，k為變壓器變比。

令正常工作時負載電流為

則期望的牽引側相電壓為

則UPQC串聯部分輸出補償電壓為

4.2 電流補償原理

負載電壓和負載電流的表達式為

其中饋線中的負載基波電流可以表示為

則負載基波有功電流和基波無功電流分別為

電源提供的有功功率為

UPQC串聯部分提供的有功功率為

因為UPQC直流側電容電壓通過并聯部分從電網吸收或釋放有功功率來維持恒定，也就是說UPQC串聯部分用于補償電壓波動而提供給電網的有功功率來自于UPQC并聯部分從電網吸收的有功功率。因此在功率無損耗的情況下，整個UPQC補償器提供給電網的有功功率為0。

因此，實質上負載的有功功率全部有電源提供，負載的諧波、負序和無功功率全部由UPQC的并聯部分提供，則有：，從而推出

平衡變換后，電源電流為三相對稱的基波正序電流，因此電源電流的瞬時電流為

變壓器次邊電流瞬時值

則UPQC并聯部分輸出補償電流為

上面的分析為基于UPQC的同相供電系統提供了理論基礎，即在不考慮裝置容量限制的條件下，可以實現電壓波動、負序、無功和諧波電流的全補償。

5 UPQC的控制方法

5.1 補償電壓電流檢測電路

根據前面的分析，可以得出如圖3所示的統一電能質量調節器的綜合補償電壓和補償電流的實時檢測電路。

圖3 綜合補償電壓和補償電流的實時檢測電路

圖中sin( 30)tω- °和cos( 30)tω- °是與負載電壓同相位的正、余弦信號，可由鎖相環和信號發生器得到。而sintω和sin( 120)tω+ °分別與sin( 30)tω- °和cos( 30)tω- °具有如下關系：

5.2 直流電壓控制環

UPQC通過傳遞有功功率和補償無功功率來使牽引變壓器三相側注入電流為對稱有功電流，UPQC本身不能提供有功功率。然而，變流器運行時有一定的損耗，當變流器直流側采用電容作為直流電壓支撐的時，如果沒有額外的有功功率流入變流器，直流側電壓降不斷下降，因此變流器必須根據直流電容的電壓的誤差，計算出一個有功功率P?送入參考電流計算電路，使變流器能從系統吸收適當的有功功率補償損耗，保持電容電壓恒定。

5.3 電流跟蹤控制電路

UPQC采用三角載波比較的單極型SPWM來實現電流跟蹤，輸出補償電流的參考值和實際值afi之間的偏差，通過PI調節器校正后與三角波載波進行比較，產生PWM信號。該方法的優點在于：①跟蹤誤差小于三角載波的幅值；②開關頻率近似等于三角載波的頻率，變化較小。

6 仿真結果

本文針對圖2所示的AT供電方式同相供電系統，基于Matlab/Simulink建立了仿真結果，仿真結果如4所示。

圖4

通過仿真波形可以看出，UPQC能很好地解決牽引系統中電壓波動、諧波、負序、功率因數低等電能質量問題，實現同相供電。

7 結論

（1）基于V，y-55接線的AT同相供電方案，能夠實現牽引供電系統由單相牽引負荷到三相電力系統的平衡轉換；對電力系統而言僅相當于一個純阻性的三相對稱負載，可以實現整個供電區段的同相供電。將UPQC應用于同相供電系統，可以消除或減小大容量電力機車負荷產生的電壓波動與三相電壓不平衡等問題，同時消除或減小諧波污染并實現高功率因數運行。

（2）綜合補償電壓和補償電流檢測方法算法簡單、實時性好，而且具有較高的檢測精度。

（3）采用基于三角載波比較的電流跟蹤控制方法具有速度快，控制精度高，開關頻率固定等優點。

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