基于UPMS补偿技术的牵引变电站电能质量实测数据分析

● 湖南·石长铁路有限责任公司 王荣华 文 纲 广州铁路集团有限公司长沙工程建设指挥部 张聚力

27.5kV牵引网通过牵引变压器从110kV或220kV公共电网取电，向电力机车提供电能。由于不是独立电网供电，所以任何牵引网侧电能质量问题在一次侧都会有所反映。

统一潮流控制系统（Unified power manipulate supply，UPMS)通过运用先进的电力电子技术及电力变换技术，在单相静止无功发生器(Static Var generator，SVG)的基础上通过直流共用实现了有功功率转移及无功功率补偿一体化设计。配合无源滤波装置，在滤除谐波的基础之上通过分担无功以实现降低有源装置容量的目的，增强了系统的综合性价比。本文从一台投入实际应用的UPMS着手，首先，对其基本结构及工作原理进行了介绍，然后基于测试得到的大量数据着重对UPMS工作前后牵引系统的电能质量状况进行了详细的对比和分析。分析结果表明UPMS能有效改善牵引供电系统电能质量，具有较好的推广应用价值。

1 UPMS基本结构和工作原理

1.1 UPMS基本结构

图1 UPMS基本结构示意图

图1为UPMS基本结构示意图，从图中可以看出UPMS主要包括两大部分。第一部分就是有源电力变换部分。该部分内部由2台单相多绕组变压器(Tα和Tβ)与4套背靠背H桥变流器（BTBC1#～BTBC4#）组成，每重背靠背变流单元两侧分别与2台单相多绕组变压器的某二次端口相连，以实现背靠背变流器之间的相互隔离并与牵引系统馈线电压相匹配。由于在功率应用场合中，电力电子开关器件单体的工作频率很低(一般在600Hz以下)，所以在UPMS中通过对4重变流器进行载波移相控制，以等效地增加系统的工作频率，降低耦合变压器一次侧输出电流的畸变率，克服单重变流器工作特性上的缺陷及不足。

在有源部分变压器耦合式连接方式中，为了减小系统占地面积，降低系统成本，变流器连接电抗一般取变压器绕组等效阻抗来代替，在该系统中也是如此。但由于连接电抗对变流器输出特性乃至系统稳定性都具有较大影响，所以当采用变压器等效阻抗来进行代替时应该尽量保证其具有较好的线性特性，避免直流偏磁或耦合不强等对等效电抗具有较大影响的现象出现，否则有源系统脉冲会发生闭锁以保护设备安全。

第二部分为无源滤波器部分，该部分相对简单，由2组单调谐LC滤波支路组成，分别为3次支路和5次支路，主要用于滤除馈线上相应次谐波电流，同时兼顾其他次谐波。由于无源支路在基波频率下呈现容性，所以可补偿负荷无功，提高负荷功率因数，同时也可以减轻有源部分无功补偿负担，提升整个系统的综合性价比。

1.2 UPMS工作原理

UPMS基波补偿原理如图2所示。

图2 UPMS基波补偿原理示意图

从图2可以看出，补偿电流（Iαc和 Iβc）由固定无源部分（Iαcp和 Iβcp，方向超前于对应侧电压 90°）和动态可调部分（Iαcc和 Iβcc）联合构成。理论上，由于两侧变流器均可四象限运行，所以Iαcc和Iβcc的运行范围分别如图中虚线圆所示，但由于变流器中间直流侧只用于电压支撑，不提供能量存储功能，所以两侧变流器工作时应当满足有功功率的平衡，即一侧吸收有功功率则另一侧需发出相同大小的有功功率。从图2当前状态来看，α侧已经接近该侧补偿装置容极限，且有无源部分无功功率是相互补充的，但对于β侧而言，无源部分所提供的无功功率部分由有源部分抵消掉。需要注意的是，该无功补偿特性是因该实际变电站采用V/v牵引变作为主变而造成的，可以采用不对称固定无功补偿策略来加以处理。对于采用平衡变压器供电的牵引变电站并无此特性，但同样需要根据具体的负荷情况来加以详细分析和设计。

2 基于实测数据电能质量对比分析

2.1 电压不平衡

UPMS工作前，一次侧电压不平衡度趋势如图3(a)所示，其中存在大量超出国标要求值2%的情况，应用统计学方法可得此时电压不平衡度概率值高达2.67%。当UPMS补偿后，从图3（b）中可以看出电压不平衡取值基本已在国标要求值以下，且多数情况都处于非常低的水平（0.3%～0.5%），同样应用统计学方法可得此时电压不平衡度概率值仅为0.72%。

2.2 功率因数

由于UPMS中的无源补偿设备具有静态无功补偿功能，同时有源部分可以动态提供无功，所以一次侧补偿后总的功率因数较补偿前有了较大的提高：补偿前，功率因数主要集中在0.3～0.8之间见图3（c）；但补偿后，功率因数基本分布在了0.8以上见图3（d）。同时需要注意的是，由于UPMS具有实时无功补偿能力并包含有大容量静态无功补偿装置，所以出现了一定的过补偿（主要体现在功率因数在[-0.9-1]区间的情况大大增加）。

2.3 馈线电压波动

尽管电网不考查馈线电压波动情况，但由于馈线电压对牵引系统的安全稳定运行具有较大影响。当UPMS投入使用后，由于机车负荷无功得到了一定的补偿，所以牵引变压器等效阻抗及馈线上的电压降落减小，有效提高了牵引供电电压水平。同时，两臂有功输出功率平均化对变压器出口电压也产生积极的影响，主要表现在电压波动的减小以及两馈线电压水平更趋于一致。从图3（f）可以看出，UPMS补偿后的馈线电压跌落次数较图3（e）补偿前明显减少，即使存在跌落也属轻微跌落，不会对电力机车运行产生明显持续的影响。对于a相馈线，补偿后电压均值为29.53kV，较补偿前的28.68kV提升了近0.9kV。b相馈线电压也从补偿前的28.95kV提升到了补偿后的29.34kV，提升了近0.4kV。补偿前，两馈线电压均值相差0.27kV，补偿后该值减小为0.19kV。

图3 UPMS补偿前后主要测量结果

表1 UPMS补偿前后电压电流谐波统计情况

2.4 电压电流畸变

表1给出了UPMS补偿前后电压电流谐波数据，从中可以看出由于安装有3次和5次谐波支路，所以3次和5次谐波电流明显降低，最低滤除率都可达60%以上。对于其他次谐波，尽管没有相应滤波支路，但还是较补偿前有所减小。对于谐波电压总畸变率，补偿前三相都超出了国标要求值2%，但补偿后都有明显降低，满足了国标要求。

综合以上分析结果可知，UPMS可有效改善牵引变电站一次侧电能质量，提升牵引网供电电压水平，减小馈线电压波动及牵引系统的能量损耗，具有较好的工程应用价值。

3 结论

牵引供电系统电能质量问题治理装置或系统理论研究繁多，但在工程中得到应用的极少，国内首套大容量UPMS调试成功并得以运行，意义重大。本文首先介绍了该系统的基本结构及工作原理，然后基于测试得到的大量数据，对比分析了UPMS工作前后牵引供电系统电能质量状况，分析结果表明UPMS可有效改善牵引供电一次侧电能质量，提升牵引网供电电压水平，减小馈线电压波动及牵引系统的能量损耗，具有较好的工程应用价值。