基于UPQC的电气化铁路 同相供电方案的研究

周建佳 胡 成 杨苏飞

（西南交通大学电气工程学院，成都 610031）

1 引言

电力牵引负荷的非线形、单相性、随机性，会导致牵引负荷单位功率因数低，特别是谐波、负序、无功及过电分相普遍存在，严重影响电力系统和牵引供电系统的电能质量，制约铁路的高速、重载、安全、环保、可靠、经济的运行，解决以上问题迫在眉睫。牵引供电系统是牵引负荷的动力来源，其作为高速铁路的重要组成部分。目前牵引供电系统还存在很多问题，如谐波、无功、负序、通信干扰和“过电分相”等，严重制约了高速铁路的快速发展。根据以上问题采用构建同相牵引供电系统，取消各供电区的分相绝缘器，全线用同一相位单相供电，最大限度地避免电分相，能大大提高铁路的速度。

统一电能综合调节器（UPQC）由日本学者Akagi.H提出，采用串联有源滤波器、并联有源滤波器与直流储存单元组成的混合结构，可实现安装点电压和系统电流达到最佳补偿效果的一种新型电力电子装置。并联APF可以补偿非线性负载产生的谐波电流，防止这些谐波电流进入系统内，因此并联APF在许多非线性场合得到了广泛的应用。并联APF也有本身的缺点，即只能补偿非线性负载生成的谐波电流，而且只有在非线性负载附近安装才能取得良好的效果。因此，并联APF的应用也有一定的限制。串联APF在补偿电压谐波中更有优势，对于系统电压因异地谐波而导致的畸变，采用串联APF能取到很好的效果。串联APF也可以对特定的负载进行补偿，防止系统的谐波电压对对特定的负载产生影响。但是串联APF虽然可以使负载的电压为额定基波电压，然而负载的产生的谐波电流要流过串联APF而进入系统中。在串联APF负载侧安装无源滤波器可以滤除非线性负荷的固有谐波，但当负载是动态线性负载时，安装无源滤波器就难以防止谐波注入系统中。而UPQC结合了串联APF和并联APF的优点，具有串联APF和并联APF两者的功能：①在供电电压出现暂态或稳态故障的时候，UPQC可以维持负载端的电压为额定值；②UPQC可以补偿非线性负载产生的谐波，从而保证系统电流不受畸变干扰；③UPQC可以提供负载需要的无功功率，校正功率因数，不需要额外的功率因数校正装置；④不需要另外的装置提供直流侧电源，由并联APF单元保证稳定的直流侧电压即可。因此将UPQC装置应用于牵引供电系统中，既能补偿负载引起的谐波、负序、无功电流等问题，又能补偿来自供电端本身的电压不稳及瞬时电压跌落等电能质量问题，而且还能消除系统不平衡，以实现同相供电。

2 UPQC的主电路和功能

统一电能质量调节器（UPQC）由串联补偿部分、并联补偿部分和直流储存单元部分组成。串联部分用于补偿来自电网侧的电压的瞬时跌落，从而提高负载电压的稳定性，并联部分则靠近负载侧，向电网注入与负载的谐波、无功、负序电流大小相等而方向相反的电流，抑制各种非线性、冲击性负载引起的谐波、无功、负序电流。UPQC直流侧电容电压通过并联部分从电源侧吸收或释放有功功率来维持恒定。

图1 UPQC的主电路结构

3 基于UPQC的同相供电方案

（1）采用Vy-55变压器作为该方案的牵引变压器，该变压器具有造价低，工作变压器数量少，系统投资比三相Y，d11十字交叉接线方式少，且便于维护。

（2）平衡变换装置的核心器件是统一电能质量调节器，通过对其适当控制，能够实现三相平衡变换，动态的补偿电压波动，补偿谐波和无功。

（3）当统一电能质量调节器发生故障时，系统将变成单相接线，无法补偿电压波动、谐波和无功，但供电仍能继续进行，通信干扰防护效果不变。

图2 基于UPQC的同相供电方案

4 UPQC的补偿原理

4.1 电压补偿原理

令原边三相电压为

则牵引侧的相电压为

其中，k为变压器变比。

令正常工作时负载电流为

则期望的牵引侧相电压为

则UPQC串联部分输出补偿电压为

4.2 电流补偿原理

负载电压和负载电流的表达式为

其中馈线中的负载基波电流可以表示为

则负载基波有功电流和基波无功电流分别为

电源提供的有功功率为

UPQC串联部分提供的有功功率为

因为UPQC直流侧电容电压通过并联部分从电网吸收或释放有功功率来维持恒定，也就是说UPQC串联部分用于补偿电压波动而提供给电网的有功功率来自于UPQC并联部分从电网吸收的有功功率。因此在功率无损耗的情况下，整个UPQC补偿器提供给电网的有功功率为0。

因此，实质上负载的有功功率全部有电源提供，负载的谐波、负序和无功功率全部由UPQC的并联部分提供，则有：，从而推出

平衡变换后，电源电流为三相对称的基波正序电流，因此电源电流的瞬时电流为

变压器次边电流瞬时值

则UPQC并联部分输出补偿电流为

上面的分析为基于UPQC的同相供电系统提供了理论基础，即在不考虑装置容量限制的条件下，可以实现电压波动、负序、无功和谐波电流的全补偿。

5 UPQC的控制方法

5.1 补偿电压电流检测电路

根据前面的分析，可以得出如图3所示的统一电能质量调节器的综合补偿电压和补偿电流的实时检测电路。

图3 综合补偿电压和补偿电流的实时检测电路

图中sin( 30)tω- °和cos( 30)tω- °是与负载电压同相位的正、余弦信号，可由锁相环和信号发生器得到。而sintω和sin( 120)tω+ °分别与sin( 30)tω- °和cos( 30)tω- °具有如下关系：

5.2 直流电压控制环

UPQC通过传递有功功率和补偿无功功率来使牵引变压器三相侧注入电流为对称有功电流，UPQC本身不能提供有功功率。然而，变流器运行时有一定的损耗，当变流器直流侧采用电容作为直流电压支撑的时，如果没有额外的有功功率流入变流器，直流侧电压降不断下降，因此变流器必须根据直流电容的电压的误差，计算出一个有功功率P∗送入参考电流计算电路，使变流器能从系统吸收适当的有功功率补偿损耗，保持电容电压恒定。

5.3 电流跟踪控制电路

UPQC采用三角载波比较的单极型SPWM来实现电流跟踪，输出补偿电流的参考值和实际值afi之间的偏差，通过PI调节器校正后与三角波载波进行比较，产生PWM信号。该方法的优点在于：①跟踪误差小于三角载波的幅值；②开关频率近似等于三角载波的频率，变化较小。

6 仿真结果

本文针对图2所示的AT供电方式同相供电系统，基于Matlab/Simulink建立了仿真结果，仿真结果如4所示。

图4

通过仿真波形可以看出，UPQC能很好地解决牵引系统中电压波动、谐波、负序、功率因数低等电能质量问题，实现同相供电。

7 结论

（1）基于V，y-55接线的AT同相供电方案，能够实现牵引供电系统由单相牵引负荷到三相电力系统的平衡转换；对电力系统而言仅相当于一个纯阻性的三相对称负载，可以实现整个供电区段的同相供电。将UPQC应用于同相供电系统，可以消除或减小大容量电力机车负荷产生的电压波动与三相电压不平衡等问题，同时消除或减小谐波污染并实现高功率因数运行。

（2）综合补偿电压和补偿电流检测方法算法简单、实时性好，而且具有较高的检测精度。

（3）采用基于三角载波比较的电流跟踪控制方法具有速度快，控制精度高，开关频率固定等优点。

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