周建佳 胡 成 楊蘇飛

（西南交通大學電氣工程學院，成都 610031）

1 引言

電力牽引負荷的非線形、單相性、隨機性，會導致牽引負荷單位功率因數(shù)低，特別是諧波、負序、無功及過電分相普遍存在，嚴重影響電力系統(tǒng)和牽引供電系統(tǒng)的電能質量，制約鐵路的高速、重載、安全、環(huán)保、可靠、經(jīng)濟的運行，解決以上問題迫在眉睫。牽引供電系統(tǒng)是牽引負荷的動力來源，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、負序、通信干擾和“過電分相”等，嚴重制約了高速鐵路的快速發(fā)展。根據(jù)以上問題采用構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)一電能綜合調節(jié)器（UPQC）由日本學者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構，可實現(xiàn)安裝點電壓和系統(tǒng)電流達到最佳補償效果的一種新型電力電子裝置。并聯(lián)APF可以補償非線性負載產(chǎn)生的諧波電流，防止這些諧波電流進入系統(tǒng)內，因此并聯(lián)APF在許多非線性場合得到了廣泛的應用。并聯(lián)APF也有本身的缺點，即只能補償非線性負載生成的諧波電流，而且只有在非線性負載附近安裝才能取得良好的效果。因此，并聯(lián)APF的應用也有一定的限制。串聯(lián)APF在補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也可以對特定的負載進行補償，防止系統(tǒng)的諧波電壓對對特定的負載產(chǎn)生影響。但是串聯(lián)APF雖然可以使負載的電壓為額定基波電壓，然而負載的產(chǎn)生的諧波電流要流過串聯(lián)APF而進入系統(tǒng)中。在串聯(lián)APF負載側安裝無源濾波器可以濾除非線性負荷的固有諧波，但當負載是動態(tài)線性負載時，安裝無源濾波器就難以防止諧波注入系統(tǒng)中。而UPQC結合了串聯(lián)APF和并聯(lián)APF的優(yōu)點，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可以維持負載端的電壓為額定值；②UPQC可以補償非線性負載產(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電源，由并聯(lián)APF單元保證穩(wěn)定的直流側電壓即可。因此將UPQC裝置應用于牽引供電系統(tǒng)中，既能補償負載引起的諧波、負序、無功電流等問題，又能補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量問題，而且還能消除系統(tǒng)不平衡，以實現(xiàn)同相供電。

2 UPQC的主電路和功能

統(tǒng)一電能質量調節(jié)器（UPQC）由串聯(lián)補償部分、并聯(lián)補償部分和直流儲存單元部分組成。串聯(lián)部分用于補償來自電網(wǎng)側的電壓的瞬時跌落，從而提高負載電壓的穩(wěn)定性，并聯(lián)部分則靠近負載側，向電網(wǎng)注入與負載的諧波、無功、負序電流大小相等而方向相反的電流，抑制各種非線性、沖擊性負載引起的諧波、無功、負序電流。UPQC直流側電容電壓通過并聯(lián)部分從電源側吸收或釋放有功功率來維持恒定。

圖1 UPQC的主電路結構

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。

（2）平衡變換裝置的核心器件是統(tǒng)一電能質量調節(jié)器，通過對其適當控制，能夠實現(xiàn)三相平衡變換，動態(tài)的補償電壓波動，補償諧波和無功。

（3）當統(tǒng)一電能質量調節(jié)器發(fā)生故障時，系統(tǒng)將變成單相接線，無法補償電壓波動、諧波和無功，但供電仍能繼續(xù)進行，通信干擾防護效果不變。

圖2 基于UPQC的同相供電方案

4 UPQC的補償原理

4.1 電壓補償原理

令原邊三相電壓為

則牽引側的相電壓為

其中，k為變壓器變比。

令正常工作時負載電流為

則期望的牽引側相電壓為

則UPQC串聯(lián)部分輸出補償電壓為

4.2 電流補償原理

負載電壓和負載電流的表達式為

其中饋線中的負載基波電流可以表示為

則負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

因為UPQC直流側電容電壓通過并聯(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補償器提供給電網(wǎng)的有功功率為0。

因此，實質上負載的有功功率全部有電源提供，負載的諧波、負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，即在不考慮裝置容量限制的條件下，可以實現(xiàn)電壓波動、負序、無功和諧波電流的全補償。

5 UPQC的控制方法

5.1 補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)一電能質量調節(jié)器的綜合補償電壓和補償電流的實時檢測電路。

圖3 綜合補償電壓和補償電流的實時檢測電路

圖中sin( 30)tω- °和cos( 30)tω- °是與負載電壓同相位的正、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- °具有如下關系：

5.2 直流電壓控制環(huán)

UPQC通過傳遞有功功率和補償無功功率來使牽引變壓器三相側注入電流為對稱有功電流，UPQC本身不能提供有功功率。然而，變流器運行時有一定的損耗，當變流器直流側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?shù)挠泄β恃a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來實現(xiàn)電流跟蹤，輸出補償電流的參考值和實際值afi之間的偏差，通過PI調節(jié)器校正后與三角波載波進行比較，產(chǎn)生PWM信號。該方法的優(yōu)點在于：①跟蹤誤差小于三角載波的幅值；②開關頻率近似等于三角載波的頻率，變化較小。

6 仿真結果

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建立了仿真結果，仿真結果如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、負序、功率因數(shù)低等電能質量問題，實現(xiàn)同相供電。

7 結論

（1）基于V，y-55接線的AT同相供電方案，能夠實現(xiàn)牽引供電系統(tǒng)由單相牽引負荷到三相電力系統(tǒng)的平衡轉換；對電力系統(tǒng)而言僅相當于一個純阻性的三相對稱負載，可以實現(xiàn)整個供電區(qū)段的同相供電。將UPQC應用于同相供電系統(tǒng)，可以消除或減小大容量電力機車負荷產(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現(xiàn)高功率因數(shù)運行。

（2）綜合補償電壓和補償電流檢測方法算法簡單、實時性好，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，開關頻率固定等優(yōu)點。

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