基于UPMS補(bǔ)償技術(shù)的牽引變電站電能質(zhì)量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

● 湖南·石長(zhǎng)鐵路有限責(zé)任公司 王榮華 文 綱 廣州鐵路集團(tuán)有限公司長(zhǎng)沙工程建設(shè)指揮部 張聚力

27.5kV牽引網(wǎng)通過牽引變壓器從110kV或220kV公共電網(wǎng)取電，向電力機(jī)車提供電能。由于不是獨(dú)立電網(wǎng)供電，所以任何牽引網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量問題在一次側(cè)都會(huì)有所反映。

統(tǒng)一潮流控制系統(tǒng)（Unified power manipulate supply，UPMS)通過運(yùn)用先進(jìn)的電力電子技術(shù)及電力變換技術(shù)，在單相靜止無功發(fā)生器(Static Var generator，SVG)的基礎(chǔ)上通過直流共用實(shí)現(xiàn)了有功功率轉(zhuǎn)移及無功功率補(bǔ)償一體化設(shè)計(jì)。配合無源濾波裝置，在濾除諧波的基礎(chǔ)之上通過分擔(dān)無功以實(shí)現(xiàn)降低有源裝置容量的目的，增強(qiáng)了系統(tǒng)的綜合性價(jià)比。本文從一臺(tái)投入實(shí)際應(yīng)用的UPMS著手，首先，對(duì)其基本結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行了介紹，然后基于測(cè)試得到的大量數(shù)據(jù)著重對(duì)UPMS工作前后牽引系統(tǒng)的電能質(zhì)量狀況進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比和分析。分析結(jié)果表明UPMS能有效改善牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 UPMS基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 UPMS基本結(jié)構(gòu)

圖1 UPMS基本結(jié)構(gòu)示意圖

圖1為UPMS基本結(jié)構(gòu)示意圖，從圖中可以看出UPMS主要包括兩大部分。第一部分就是有源電力變換部分。該部分內(nèi)部由2臺(tái)單相多繞組變壓器(Tα和Tβ)與4套背靠背H橋變流器（BTBC1#～BTBC4#）組成，每重背靠背變流單元兩側(cè)分別與2臺(tái)單相多繞組變壓器的某二次端口相連，以實(shí)現(xiàn)背靠背變流器之間的相互隔離并與牽引系統(tǒng)饋線電壓相匹配。由于在功率應(yīng)用場(chǎng)合中，電力電子開關(guān)器件單體的工作頻率很低(一般在600Hz以下)，所以在UPMS中通過對(duì)4重變流器進(jìn)行載波移相控制，以等效地增加系統(tǒng)的工作頻率，降低耦合變壓器一次側(cè)輸出電流的畸變率，克服單重變流器工作特性上的缺陷及不足。

在有源部分變壓器耦合式連接方式中，為了減小系統(tǒng)占地面積，降低系統(tǒng)成本，變流器連接電抗一般取變壓器繞組等效阻抗來代替，在該系統(tǒng)中也是如此。但由于連接電抗對(duì)變流器輸出特性乃至系統(tǒng)穩(wěn)定性都具有較大影響，所以當(dāng)采用變壓器等效阻抗來進(jìn)行代替時(shí)應(yīng)該盡量保證其具有較好的線性特性，避免直流偏磁或耦合不強(qiáng)等對(duì)等效電抗具有較大影響的現(xiàn)象出現(xiàn)，否則有源系統(tǒng)脈沖會(huì)發(fā)生閉鎖以保護(hù)設(shè)備安全。

第二部分為無源濾波器部分，該部分相對(duì)簡(jiǎn)單，由2組單調(diào)諧LC濾波支路組成，分別為3次支路和5次支路，主要用于濾除饋線上相應(yīng)次諧波電流，同時(shí)兼顧其他次諧波。由于無源支路在基波頻率下呈現(xiàn)容性，所以可補(bǔ)償負(fù)荷無功，提高負(fù)荷功率因數(shù)，同時(shí)也可以減輕有源部分無功補(bǔ)償負(fù)擔(dān)，提升整個(gè)系統(tǒng)的綜合性價(jià)比。

1.2 UPMS工作原理

UPMS基波補(bǔ)償原理如圖2所示。

圖2 UPMS基波補(bǔ)償原理示意圖

從圖2可以看出，補(bǔ)償電流（Iαc和 Iβc）由固定無源部分（Iαcp和 Iβcp，方向超前于對(duì)應(yīng)側(cè)電壓 90°）和動(dòng)態(tài)可調(diào)部分（Iαcc和 Iβcc）聯(lián)合構(gòu)成。理論上，由于兩側(cè)變流器均可四象限運(yùn)行，所以Iαcc和Iβcc的運(yùn)行范圍分別如圖中虛線圓所示，但由于變流器中間直流側(cè)只用于電壓支撐，不提供能量存儲(chǔ)功能，所以兩側(cè)變流器工作時(shí)應(yīng)當(dāng)滿足有功功率的平衡，即一側(cè)吸收有功功率則另一側(cè)需發(fā)出相同大小的有功功率。從圖2當(dāng)前狀態(tài)來看，α側(cè)已經(jīng)接近該側(cè)補(bǔ)償裝置容極限，且有無源部分無功功率是相互補(bǔ)充的，但對(duì)于β側(cè)而言，無源部分所提供的無功功率部分由有源部分抵消掉。需要注意的是，該無功補(bǔ)償特性是因該實(shí)際變電站采用V/v牽引變作為主變而造成的，可以采用不對(duì)稱固定無功補(bǔ)償策略來加以處理。對(duì)于采用平衡變壓器供電的牽引變電站并無此特性，但同樣需要根據(jù)具體的負(fù)荷情況來加以詳細(xì)分析和設(shè)計(jì)。

2 基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)電能質(zhì)量對(duì)比分析

2.1 電壓不平衡

UPMS工作前，一次側(cè)電壓不平衡度趨勢(shì)如圖3(a)所示，其中存在大量超出國(guó)標(biāo)要求值2%的情況，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法可得此時(shí)電壓不平衡度概率值高達(dá)2.67%。當(dāng)UPMS補(bǔ)償后，從圖3（b）中可以看出電壓不平衡取值基本已在國(guó)標(biāo)要求值以下，且多數(shù)情況都處于非常低的水平（0.3%～0.5%），同樣應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法可得此時(shí)電壓不平衡度概率值僅為0.72%。

2.2 功率因數(shù)

由于UPMS中的無源補(bǔ)償設(shè)備具有靜態(tài)無功補(bǔ)償功能，同時(shí)有源部分可以動(dòng)態(tài)提供無功，所以一次側(cè)補(bǔ)償后總的功率因數(shù)較補(bǔ)償前有了較大的提高：補(bǔ)償前，功率因數(shù)主要集中在0.3～0.8之間見圖3（c）；但補(bǔ)償后，功率因數(shù)基本分布在了0.8以上見圖3（d）。同時(shí)需要注意的是，由于UPMS具有實(shí)時(shí)無功補(bǔ)償能力并包含有大容量靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置，所以出現(xiàn)了一定的過補(bǔ)償（主要體現(xiàn)在功率因數(shù)在[-0.9-1]區(qū)間的情況大大增加）。

2.3 饋線電壓波動(dòng)

盡管電網(wǎng)不考查饋線電壓波動(dòng)情況，但由于饋線電壓對(duì)牽引系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有較大影響。當(dāng)UPMS投入使用后，由于機(jī)車負(fù)荷無功得到了一定的補(bǔ)償，所以牽引變壓器等效阻抗及饋線上的電壓降落減小，有效提高了牽引供電電壓水平。同時(shí)，兩臂有功輸出功率平均化對(duì)變壓器出口電壓也產(chǎn)生積極的影響，主要表現(xiàn)在電壓波動(dòng)的減小以及兩饋線電壓水平更趨于一致。從圖3（f）可以看出，UPMS補(bǔ)償后的饋線電壓跌落次數(shù)較圖3（e）補(bǔ)償前明顯減少，即使存在跌落也屬輕微跌落，不會(huì)對(duì)電力機(jī)車運(yùn)行產(chǎn)生明顯持續(xù)的影響。對(duì)于a相饋線，補(bǔ)償后電壓均值為29.53kV，較補(bǔ)償前的28.68kV提升了近0.9kV。b相饋線電壓也從補(bǔ)償前的28.95kV提升到了補(bǔ)償后的29.34kV，提升了近0.4kV。補(bǔ)償前，兩饋線電壓均值相差0.27kV，補(bǔ)償后該值減小為0.19kV。

圖3 UPMS補(bǔ)償前后主要測(cè)量結(jié)果

表1 UPMS補(bǔ)償前后電壓電流諧波統(tǒng)計(jì)情況

2.4 電壓電流畸變

表1給出了UPMS補(bǔ)償前后電壓電流諧波數(shù)據(jù)，從中可以看出由于安裝有3次和5次諧波支路，所以3次和5次諧波電流明顯降低，最低濾除率都可達(dá)60%以上。對(duì)于其他次諧波，盡管沒有相應(yīng)濾波支路，但還是較補(bǔ)償前有所減小。對(duì)于諧波電壓總畸變率，補(bǔ)償前三相都超出了國(guó)標(biāo)要求值2%，但補(bǔ)償后都有明顯降低，滿足了國(guó)標(biāo)要求。

綜合以上分析結(jié)果可知，UPMS可有效改善牽引變電站一次側(cè)電能質(zhì)量，提升牽引網(wǎng)供電電壓水平，減小饋線電壓波動(dòng)及牽引系統(tǒng)的能量損耗，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)論

牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量問題治理裝置或系統(tǒng)理論研究繁多，但在工程中得到應(yīng)用的極少，國(guó)內(nèi)首套大容量UPMS調(diào)試成功并得以運(yùn)行，意義重大。本文首先介紹了該系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理，然后基于測(cè)試得到的大量數(shù)據(jù)，對(duì)比分析了UPMS工作前后牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量狀況，分析結(jié)果表明UPMS可有效改善牽引供電一次側(cè)電能質(zhì)量，提升牽引網(wǎng)供電電壓水平，減小饋線電壓波動(dòng)及牽引系統(tǒng)的能量損耗，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。