新型STATCOM装置UPQC在电气化铁路中的应用

吴琼,姜齐荣,魏应冬

摘要 本文首先介绍了电气化铁路在国民生活中的重要意义和突出优点，然后重点阐述它给电网电能质量带来的负面影响，以及传统牵引供电系统结构改造和现代动态补偿技术等解决方案，其中STATCOM装置的综合性能最为卓越。此后，本文进一步介绍了一种两相STATCOM装置UPQC，对其电路拓扑进行描述，并通过建模仿真验证了该装置的优异性能。

关键词 电气化铁路；电能质量；STATCOM；UPQC

中图分类号U22 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）43-0165-03

The Application of STATCOM Device UPQC in Electrified Railway

Abstract First, the paper introduces great significance and prominent advantages of electrified railway for our nation. And then negative effects to the grids power quality brought by electrified railway are emphasized, followed typical solutions such as the structural transformation of traction-power-supply and the dynamic compensation technology, in which STATCOM device shows the best overall capacity. Furthermore, after descriptions of the two-phase STATCOM device UPQCs topological structure, its excellent performance is shown and verified through simulation.

Keywords electrified railway；power quality；STATCOM；UPQC

0 引言

在国内综合运输体系中处于基础性地位的铁路运输，具有运距长、连续性强、规模集约等特点，在国民经济中发挥着重要作用。近年来，随着中国经济的持续高速增长，现有的铁路运力日益吃紧，加上传统铁路污染大、耗能高的缺点，使得铁路现代化建设显得更为重要。在中央政府为应对2008年国际金融危机而启动的4万亿元财政刺激政策中，就有近2万亿元投入到了铁路建设。

作为实现铁路现代化的重要组成部分，全国范围内的铁路电气化是大势所趋。除了传统采用蒸汽机车或内燃机车牵引的铁路线路将会被改建成电力牵引的电气化铁路之外，众多新修建的铁路线路上也会直接应用电气化牵引技术。2011年1月4日在京召开的全国铁路工作会议中提到，预期到2015年，全国高速铁路运营里程将达到1.6万km以上，电气化率将达到60%[1]。以高速、节能、环境污染小等优点受到了广泛关注的高速铁路工程，便是铁路电气化的典型代表。2011年6月就要投入运营的京沪高速铁路已实现了双线电气化，持续运营速度超过了350km/h，这属于世界首创。

可以说，电气化铁路的建设水平关系着国计民生，是世界各国科技创新能力和综合国力的重要标志之一，具有非同寻常的经济意义和社会意义。

1 电气化铁路介绍

1.1 电气化铁路的优点

相比传统铁路，电气化铁路的根本性不同在于它消耗的能量是由电网提供的二次能源电能，这一改变带来了显著的优点：

1）环境污染小。目前，铁路运输产生的废气和噪声已成为主要的环境污染源之一，二次能源的使用有助于建设低碳经济，减少大气污染，构筑环境保护型的交通运输体系。

2）能耗小，成本低。近年来世界石油价格飞涨，已突破了每桶100美元的大关，而电力机车相比传统机车的能耗大幅降低，从而降低了铁路的运行成本，经济意义明显。

3）速度快。我国7 000km的电气化客运专线中，纯客运专线速度将达到350km/h；客货混运线路列车速度将达200km/h~250km/h；在建设了平行的货运铁路后，客运线的速度更将提升到300km/h。

4）线路运能大。电力机车功率大，牵引力高，因此载重能力强。目前，我国已成功运行5 000t~20 000t等重载列车。

5）安全性高。电力机车大部分由电气部件组成，采用先进的电子技术来自动实时检测并显示各种故障，维护简单，可靠性高。以日本新干线高速铁路为例，自投入运营以来近五十年，还从未发生过人身伤亡事故。

1.2 电气化铁路对电网电能质量的影响

但是，由于电气化铁路的牵引供电系统与外部电力系统紧密相连，这使得电力机车的运行将会对电力网络的电能质量产生严重影响，主要体现在以下五个方面：

1）谐波问题。我国大量采用的直流传动机车以相控整流方式运行，因此电网侧电流含有较大的谐波电流成分，电流谐波畸变率可达35%以上。这些谐波电流使外部电网中的元件产生附加谐波损耗，降低了其工作效率，并会对例如无功补偿电容装置等电气设备的正常工作造成影响。谐波电流还会造成继电保护装置误动和拒动，降低电网的稳定性；

2）无功问题，即功率因数问题。电力机车属于低功率因数的非线性负荷，会向电力系统注入大量的无功电流，造成牵引变电站电网侧功率因数下降，降低输变电设备的供电能力，同时增加了电力网络和牵引网损耗，还会引起牵引供电臂的供电电压下降、电压波动或闪变等问题[2]；

3）负序问题。电力机车是单相负荷，因此接入三相对称的电网后，将在牵引变压器一次侧产生幅值较大的负序电流，该负序电流的大小与牵引变压器的连接方式及牵引负荷的大小有关[3]。当注入电力系统的负序电流过大时，会使得电网附近的电动机电磁转矩下降，发电机过热，更会影响到电力系统继电保护装置的正常工作；

4）巨大的冲击性负荷。电气化铁路正常的牵引负荷容量很大，而且在建设规划时需要考虑100%的过载容量，目前我国高速客运专线的牵引峰值负载达到了240MVA。如此大的集中负荷在电力系统中是比较少见的，它的接入和切除都会对电网造成冲击；

5）牵引负荷的波动性极大。电气化铁路的负荷与机车速度、负载重量、通行频度、线路状况等多种因素有关，使得它在时间和空间上的分布极其不均匀，这给电网调度提高了难度。

电气化铁路带来的种种电能质量问题如果不能得到合理解决，将会成为电网的稳定运行的巨大隐忧，甚至引发大面积停电等重大电网事故。

2 提高电能质量的解决方法

电气化铁路带来的电能质量问题与自身的牵引供电系统特性密切相关，因此可以针对牵引供电系统进行结构改造；同时，随着电力电子技术的发展，以大容量柔性交流输电系统FACTS（Flexible AC Transmission System）技术为基础的各类动态补偿方案也随之而生，其中包括采用晶闸管控制的SVC（Static Var Compensator）装置和采用基于如IGBT等大功率自关断电力电子器件的STATCOM（STATic synchronous COMpensator）装置。

2.1 牵引供电系统改造

电气化铁路的牵引供电系统是指从外部电网引入电能，并对电力机车进行供电的电力网络，主要由牵引变电站和接触网组成。其中，牵引变电站通过牵引变压器进行电能降压转换，完成单相接触网与三相电力系统之间的衔接；而接触网与电力列车相连，进行供电，电压等级为27.5kV，制式为工频单相交流制。图1为我国电气化铁路常见的牵引供电系统结构接线图，牵引变电站二次侧的输出端口分别引出一侧供电臂，与接触网相连，从而使两端口牵引负荷通过牵引变压器与外部供电系统产生电磁耦合[2]。

目前针对牵引供电系统的结构改进措施有很多，根据治理目标的不同主要可分为以下3类：

1）治理谐波和无功。为提高功率因数和吸收三、五次谐波，可采用固定参数的电容器C和电抗器L串联支路并接在27.5kV侧的牵引母线上，然后利用真空开关对牵引变电站进行手动投切的方法。但是，CL串联支路的参数已经固定，很难适应波动性很大的牵引负荷对无功容量的要求，无功补偿的动态性能差，反而降低了整个牵引变电站的功率因数，达不到功率因数大于0.9的要求[2]；

2）治理负序电流。各牵引变电站在电力系统中引起的总负序电流与每个牵引变电站引入的相序有关，如果将牵引变电站的供电臂轮换接入三相电网，只要各牵引变电站的负荷相等，则从系统侧看电气化铁路便可等效为对称负荷[4]。这种相序轮换接入的方法减少对电力系统的不对称影响，但仅对于互联的220kV系统三相负荷的平衡作用较好，在局部电网或110kV区域电网中牵引变电站仍相当于单相负荷，并不能解决负序电流带来的问题；

此外，牵引变压器采用三相/二相平衡变压器的接法可以减轻单相负荷不平衡对系统的影响，但其对负序完全抑制的前提是保证牵引变电站两供电臂的负荷平衡[4]。而在实际运行中，牵引负荷条件显然难以满足这一要求，故该方式也存在明显的局限性。

3）提高外部电力系统短路容量。提高牵引变电站接入外部供电系统侧的短路容量，可缓解电气化铁路负荷产生的电压谐波、负序电压及电压波动等问题。但这种方法难度高，规模大，在实际工程中，受到电网接线、投资等因素影响，也不可能无限提高系统的短路容量[5]。

简言之，传统针对牵引供电系统的措施大多只能治理单一的电能质量目标，效果有限，而且普遍存在对牵引负荷动态波动适应性差的缺点。因此，寻找一种能随负荷变化来动态调节各相补偿度的综合治理方法，成为了科学界的主要研究热点。

2.2 动态补偿方案

以现代电力电子技术为基础，采用动态补偿方案对牵引变电站进行负序、无功和谐波的综合补偿，已成为解决电气化铁路带来的电能质量问题的主要方法。目前，以SVC和STATCOM为代表的两类动态补偿装置已在世界多国的实际工程项目中广泛应用。

2.2.1 SVC补偿装置

SVC即静止无功补偿器，通过晶闸管来控制电抗器，它能实现电感连续可调，从而快速、连续地对电力机车波动负荷进行补偿。

这种补偿方法的主要特点是结构简单，构成主电路的器件为普通晶闸管，因此造价相对较低。但是，SVC自身会带来谐波问题，而且它并不能抑制电气化铁路牵引网中固有的谐波[6]，需要通过有源电力滤波器、混合型有源电力滤波器、谐振注入式混合有源电力滤波器等来滤除谐波[7]，这也增大了整体装置的体积和重量。同时，它在补偿电气化铁路中的负序电流方面效果不佳，实际利用SVC来进行负序补偿的工程实例并不多。

2.2.2 STATCOM补偿装置

STATCOM又称静止无功补偿器，其基本原理是将变流器通过电抗器与电网并联，然后直接控制交流侧电流，或者调节交流侧电压的相位与幅值，得到满足要求的输出电流，从而达到动态补偿的效果。它由大功率自关断电力电子器件构成主电路，一般可分为电网侧三相结构和两相结构。

与SVC相比，STATCOM具有响应速度快、负荷率适应性好、工作效率高、输出谐波小等优点。同时它还省去了大容量电抗器和电容器，布置紧凑，占地面积小，其主要缺点在于它的单位容量的制造成本较之SVC要高出不少。

电网侧的三相STATCOM连接结构如图2所示，它主要用于抑制三相电压的波动。这种三相STATCOM方案可适用于包括单相变压器在内的各类牵引变压器类型的补偿，但它对于负序、谐波和无功潮流等的补偿效果并不理想。

日本学者于1993年在文献[8]中首先提出了电气化铁路功率调节器（Railway Static Power Conditioner, RPC），这是一种两相STATCOM结构。其接线结构如图3所示，两个单相变流器分别接到负荷的牵引臂上，中间通过直流电容进行耦合。两相结构的STATCOM除了能对变电站两供电臂进行无功动态补偿，同时也能调节供电臂的有功潮流，实现无功、有功功率的四象限控制。实际运行效果表明，RPC在稳定电压、有源滤波、调节功率因数、补偿负序电流等方面的效果也十分良好。

2002年，日本已成功研制出20MVA/60kV的商用RPC，投入到新干线当中。国内也对RPC进行了深入研究，文献[9]提出了一种基于IGBT或IGCT的大容量功率平衡调节器（Balance Converter Device, BCD），并对其补偿效果进行了仿真验证。结合RPC和SVC的特点，文献[10]提出了一种新型电能质量补偿系统，由RPC、两组晶闸管控制电抗器和两组晶闸管控制三次滤波器（即SVC）组成。RPC用来转移有功功率、补偿负序电流和治理谐波，SVC用来改变两牵引供电臂电流相角，从而补偿剩下部分的负序电流和三次谐波。

3 UPQC介绍

笔者所在项目组基于RPC的启发，设计了一种新型两相STATCOM装置，简称为统一电能质量控制器（Unified Power Quality Controller, UPQC）。该装置电路拓扑简洁，能在保证电能质量治理效果以及不增加变电站原有容量的前提下，减小占地面积，大幅降低成本，便于将来进行广泛的推广应用。

3.1 拓扑结构

RPC在主电路结构是n个电压源变流器的两个交流侧分别与两个n+1绕组单相变压器的n个二次绕组连接。它需要两个多绕组变压器来实现电压、容量的匹配以及电气隔离，存在占地面积大、成本高、损耗较大的缺点。

UPQC是由单相多绕组变压器和链式结构H桥变流器组成，其电路拓扑见图4。它的一侧是由一个一次侧绕组和n个二次侧绕组组成的单相多绕组变压器，一次侧绕组与牵引变压器的一相相连，二次侧绕组与分别n个电压源变流器相连；在另一侧，n个变流器以链式结构相连，通过连接电抗直接接入牵引变压器的另一相，n的取值根据实际需要的容量大小来决定[11]。

相对RPC，UPQC的拓扑结构决定它可少使用一个变压器，因此具有占地面积小、成本低且损耗较小的优点。此外，该结构也便于使用载波移相的PWM控制策略或其他等效控制策略。链式结构的特点也使UPQC易于实现高电压直接输出，并可进行冗余设计，在运行时自动旁路故障链节，提高了装置的可靠性。由单相变压器和H桥变流器组成的标准化结构也利于进行工业生产和维修保养，降低了UPQC的经济成本。

3.2 仿真验证

假设UPQC装置的额定容量为3MVA，额定电压为27.5kV，可实现全容量负序电流补偿和无功功率补偿，实现功率因数和三相平衡控制。反映到具体的仿真模型中，则设定单相多绕组变压器的容量为1 700kVA，电压等级为30kV/0.6kV；变流器中单个IGBT的开关频率为1 600Hz，采用单极性倍频方式，等效开关频率为3 200Hz，控制电路采样频率为3 200Hz。牵引负荷采用SS4型电力机车的谐波特性，该负荷的总谐波含量为20.6%。基于以上电路的结构和参数，对UPQC装置的性能进行仿真验证。

图5（a）、（b）分别是UPQC综合补偿装置投入前后系统侧的三相电流以及牵引网的两相电流的波形。可见UPQC投入前，系统侧电流含有大量的无功、负序及谐波电流，而在补偿装置投入后，系统侧以及牵引网的电流都得到了显著改善。此外，通过仿真可得到接入UPQC后，系统侧电流的不平衡度约为1.6%，电流的总谐波畸变率在3%~4%之间，功率因数接近1。这证明UPQC装置实现了预期的工作目标，其性能达到了国标要求。

4 总结展望

电气化铁路的修建和运营对于中国未来的经济发展和社会稳定具有深远意义，然而其产生的谐波、无功、负序电流等电能质量问题给电力系统的安全稳定运行带来了严重危害。目前，改变牵引供电系统结构的传统方案以及利用现代电力电子技术的动态补偿方案（SVC及STATCOM）是解决该问题的主要方法，其中STATCOM装置的综合性能最优，也得到了更多的应用。而新型STATCOM装置UPQC的电路拓扑简洁，占地面积小，成本低且损耗较小，通过进行综合仿真分析，也证明了该装置可连续快速进行动态补偿，效率高，性能好，对于解决电气化铁路的电能质量问题具有良好的应用前景。

参考文献

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注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”