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(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610031）

1 引言

電力牽引負(fù)荷的非線形、單相性、隨機(jī)性，會導(dǎo)致牽引負(fù)荷單位功率因數(shù)低，特別是諧波、負(fù)序、無功及過電分相普遍存在，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)和牽引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，制約鐵路的高速、重載、安全、環(huán)保、可靠、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，解決以上問題迫在眉睫。牽引供電系統(tǒng)是牽引負(fù)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(tǒng)還存在很多問題，如諧波、無功、負(fù)序、通信干擾和“過電分相”等，嚴(yán)重制約了高速鐵路的快速發(fā)展。根據(jù)以上問題采用構(gòu)建同相牽引供電系統(tǒng)，取消各供電區(qū)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(tǒng)一電能綜合調(diào)節(jié)器（UPQC）由日本學(xué)者Akagi.H提出，采用串聯(lián)有源濾波器、并聯(lián)有源濾波器與直流儲存單元組成的混合結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)安裝點(diǎn)電壓和系統(tǒng)電流達(dá)到最佳補(bǔ)償效果的一種新型電力電子裝置。并聯(lián)APF可以補(bǔ)償非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流，防止這些諧波電流進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)，因此并聯(lián)APF在許多非線性場合得到了廣泛的應(yīng)用。并聯(lián)APF也有本身的缺點(diǎn)，即只能補(bǔ)償非線性負(fù)載生成的諧波電流，而且只有在非線性負(fù)載附近安裝才能取得良好的效果。因此，并聯(lián)APF的應(yīng)用也有一定的限制。串聯(lián)APF在補(bǔ)償電壓諧波中更有優(yōu)勢，對于系統(tǒng)電壓因異地諧波而導(dǎo)致的畸變，采用串聯(lián)APF能取到很好的效果。串聯(lián)APF也可以對特定的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償，防止系統(tǒng)的諧波電壓對對特定的負(fù)載產(chǎn)生影響。但是串聯(lián)APF雖然可以使負(fù)載的電壓為額定基波電壓，然而負(fù)載的產(chǎn)生的諧波電流要流過串聯(lián)APF而進(jìn)入系統(tǒng)中。在串聯(lián)APF負(fù)載側(cè)安裝無源濾波器可以濾除非線性負(fù)荷的固有諧波，但當(dāng)負(fù)載是動態(tài)線性負(fù)載時，安裝無源濾波器就難以防止諧波注入系統(tǒng)中。而UPQC結(jié)合了串聯(lián)APF和并聯(lián)APF的優(yōu)點(diǎn)，具有串聯(lián)APF和并聯(lián)APF兩者的功能：①在供電電壓出現(xiàn)暫態(tài)或穩(wěn)態(tài)故障的時候，UPQC可以維持負(fù)載端的電壓為額定值；②UPQC可以補(bǔ)償非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波，從而保證系統(tǒng)電流不受畸變干擾；③UPQC可以提供負(fù)載需要的無功功率，校正功率因數(shù)，不需要額外的功率因數(shù)校正裝置；④不需要另外的裝置提供直流側(cè)電源，由并聯(lián)APF單元保證穩(wěn)定的直流側(cè)電壓即可。因此將UPQC裝置應(yīng)用于牽引供電系統(tǒng)中，既能補(bǔ)償負(fù)載引起的諧波、負(fù)序、無功電流等問題，又能補(bǔ)償來自供電端本身的電壓不穩(wěn)及瞬時電壓跌落等電能質(zhì)量問題，而且還能消除系統(tǒng)不平衡，以實(shí)現(xiàn)同相供電。

2 UPQC的主電路和功能

統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（UPQC）由串聯(lián)補(bǔ)償部分、并聯(lián)補(bǔ)償部分和直流儲存單元部分組成。串聯(lián)部分用于補(bǔ)償來自電網(wǎng)側(cè)的電壓的瞬時跌落，從而提高負(fù)載電壓的穩(wěn)定性，并聯(lián)部分則靠近負(fù)載側(cè)，向電網(wǎng)注入與負(fù)載的諧波、無功、負(fù)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(fù)載引起的諧波、無功、負(fù)序電流。UPQC直流側(cè)電容電壓通過并聯(lián)部分從電源側(cè)吸收或釋放有功功率來維持恒定。

圖1 UPQC的主電路結(jié)構(gòu)

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(shù)量少，系統(tǒng)投資比三相Y，d11十字交叉接線方式少，且便于維護(hù)。

（2）平衡變換裝置的核心器件是統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，通過對其適當(dāng)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)三相平衡變換，動態(tài)的補(bǔ)償電壓波動，補(bǔ)償諧波和無功。

（3）當(dāng)統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器發(fā)生故障時，系統(tǒng)將變成單相接線，無法補(bǔ)償電壓波動、諧波和無功，但供電仍能繼續(xù)進(jìn)行，通信干擾防護(hù)效果不變。

圖2 基于UPQC的同相供電方案

4 UPQC的補(bǔ)償原理

4.1 電壓補(bǔ)償原理

令原邊三相電壓為

則牽引側(cè)的相電壓為

其中，k為變壓器變比。

令正常工作時負(fù)載電流為

則期望的牽引側(cè)相電壓為

則UPQC串聯(lián)部分輸出補(bǔ)償電壓為

4.2 電流補(bǔ)償原理

負(fù)載電壓和負(fù)載電流的表達(dá)式為

其中饋線中的負(fù)載基波電流可以表示為

則負(fù)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(lián)部分提供的有功功率為

因?yàn)閁PQC直流側(cè)電容電壓通過并聯(lián)部分從電網(wǎng)吸收或釋放有功功率來維持恒定，也就是說UPQC串聯(lián)部分用于補(bǔ)償電壓波動而提供給電網(wǎng)的有功功率來自于UPQC并聯(lián)部分從電網(wǎng)吸收的有功功率。因此在功率無損耗的情況下，整個UPQC補(bǔ)償器提供給電網(wǎng)的有功功率為0。

因此，實(shí)質(zhì)上負(fù)載的有功功率全部有電源提供，負(fù)載的諧波、負(fù)序和無功功率全部由UPQC的并聯(lián)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(lián)部分輸出補(bǔ)償電流為

上面的分析為基于UPQC的同相供電系統(tǒng)提供了理論基礎(chǔ)，即在不考慮裝置容量限制的條件下，可以實(shí)現(xiàn)電壓波動、負(fù)序、無功和諧波電流的全補(bǔ)償。

5 UPQC的控制方法

5.1 補(bǔ)償電壓電流檢測電路

根據(jù)前面的分析，可以得出如圖3所示的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的綜合補(bǔ)償電壓和補(bǔ)償電流的實(shí)時檢測電路。

圖3 綜合補(bǔ)償電壓和補(bǔ)償電流的實(shí)時檢測電路

圖中sin( 30)tω- °和cos( 30)tω- °是與負(fù)載電壓同相位的正、余弦信號，可由鎖相環(huán)和信號發(fā)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(guān)系：

5.2 直流電壓控制環(huán)

UPQC通過傳遞有功功率和補(bǔ)償無功功率來使?fàn)恳儔浩魅鄠?cè)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(yùn)行時有一定的損耗，當(dāng)變流器直流側(cè)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(cè)電壓降不斷下降，因此變流器必須根據(jù)直流電容的電壓的誤差，計算出一個有功功率P?送入?yún)⒖茧娏饔嬎汶娐?，使變流器能從系統(tǒng)吸收適當(dāng)?shù)挠泄β恃a(bǔ)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(shí)現(xiàn)電流跟蹤，輸出補(bǔ)償電流的參考值和實(shí)際值afi之間的偏差，通過PI調(diào)節(jié)器校正后與三角波載波進(jìn)行比較，產(chǎn)生PWM信號。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于：①跟蹤誤差小于三角載波的幅值；②開關(guān)頻率近似等于三角載波的頻率，變化較小。

6 仿真結(jié)果

本文針對圖2所示的AT供電方式同相供電系統(tǒng)，基于Matlab/Simulink建立了仿真結(jié)果，仿真結(jié)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(tǒng)中電壓波動、諧波、負(fù)序、功率因數(shù)低等電能質(zhì)量問題，實(shí)現(xiàn)同相供電。

7 結(jié)論

（1）基于V，y-55接線的AT同相供電方案，能夠?qū)崿F(xiàn)牽引供電系統(tǒng)由單相牽引負(fù)荷到三相電力系統(tǒng)的平衡轉(zhuǎn)換；對電力系統(tǒng)而言僅相當(dāng)于一個純阻性的三相對稱負(fù)載，可以實(shí)現(xiàn)整個供電區(qū)段的同相供電。將UPQC應(yīng)用于同相供電系統(tǒng)，可以消除或減小大容量電力機(jī)車負(fù)荷產(chǎn)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(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)運(yùn)行。

（2）綜合補(bǔ)償電壓和補(bǔ)償電流檢測方法算法簡單、實(shí)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(guān)頻率固定等優(yōu)點(diǎn)。

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