吳瓊,姜齊榮,魏應(yīng)冬

摘要 本文首先介紹了電氣化鐵路在國民生活中的重要意義和突出優(yōu)點，然后重點闡述它給電網(wǎng)電能質(zhì)量帶來的負面影響，以及傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改造和現(xiàn)代動態(tài)補償技術(shù)等解決方案，其中STATCOM裝置的綜合性能最為卓越。此后，本文進一步介紹了一種兩相STATCOM裝置UPQC，對其電路拓撲進行描述，并通過建模仿真驗證了該裝置的優(yōu)異性能。

關(guān)鍵詞 電氣化鐵路；電能質(zhì)量；STATCOM；UPQC

中圖分類號U22 文獻標識碼A 文章編號 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

在國內(nèi)綜合運輸體系中處于基礎(chǔ)性地位的鐵路運輸，具有運距長、連續(xù)性強、規(guī)模集約等特點，在國民經(jīng)濟中發(fā)揮著重要作用。近年來，隨著中國經(jīng)濟的持續(xù)高速增長，現(xiàn)有的鐵路運力日益吃緊，加上傳統(tǒng)鐵路污染大、耗能高的缺點，使得鐵路現(xiàn)代化建設(shè)顯得更為重要。在中央政府為應(yīng)對2008年國際金融危機而啟動的4萬億元財政刺激政策中，就有近2萬億元投入到了鐵路建設(shè)。

作為實現(xiàn)鐵路現(xiàn)代化的重要組成部分，全國范圍內(nèi)的鐵路電氣化是大勢所趨。除了傳統(tǒng)采用蒸汽機車或內(nèi)燃機車牽引的鐵路線路將會被改建成電力牽引的電氣化鐵路之外，眾多新修建的鐵路線路上也會直接應(yīng)用電氣化牽引技術(shù)。2011年1月4日在京召開的全國鐵路工作會議中提到，預(yù)期到2015年，全國高速鐵路運營里程將達到1.6萬km以上，電氣化率將達到60%[1]。以高速、節(jié)能、環(huán)境污染小等優(yōu)點受到了廣泛關(guān)注的高速鐵路工程，便是鐵路電氣化的典型代表。2011年6月就要投入運營的京滬高速鐵路已實現(xiàn)了雙線電氣化，持續(xù)運營速度超過了350km/h，這屬于世界首創(chuàng)。

可以說，電氣化鐵路的建設(shè)水平關(guān)系著國計民生，是世界各國科技創(chuàng)新能力和綜合國力的重要標志之一，具有非同尋常的經(jīng)濟意義和社會意義。

1 電氣化鐵路介紹

1.1 電氣化鐵路的優(yōu)點

相比傳統(tǒng)鐵路，電氣化鐵路的根本性不同在于它消耗的能量是由電網(wǎng)提供的二次能源電能，這一改變帶來了顯著的優(yōu)點：

1）環(huán)境污染小。目前，鐵路運輸產(chǎn)生的廢氣和噪聲已成為主要的環(huán)境污染源之一，二次能源的使用有助于建設(shè)低碳經(jīng)濟，減少大氣污染，構(gòu)筑環(huán)境保護型的交通運輸體系。

2）能耗小，成本低。近年來世界石油價格飛漲，已突破了每桶100美元的大關(guān)，而電力機車相比傳統(tǒng)機車的能耗大幅降低，從而降低了鐵路的運行成本，經(jīng)濟意義明顯。

3）速度快。我國7 000km的電氣化客運專線中，純客運專線速度將達到350km/h；客貨混運線路列車速度將達200km/h~250km/h；在建設(shè)了平行的貨運鐵路后，客運線的速度更將提升到300km/h。

4）線路運能大。電力機車功率大，牽引力高，因此載重能力強。目前，我國已成功運行5 000t~20 000t等重載列車。

5）安全性高。電力機車大部分由電氣部件組成，采用先進的電子技術(shù)來自動實時檢測并顯示各種故障，維護簡單，可靠性高。以日本新干線高速鐵路為例，自投入運營以來近五十年，還從未發(fā)生過人身傷亡事故。

1.2 電氣化鐵路對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

但是，由于電氣化鐵路的牽引供電系統(tǒng)與外部電力系統(tǒng)緊密相連，這使得電力機車的運行將會對電力網(wǎng)絡(luò)的電能質(zhì)量產(chǎn)生嚴重影響，主要體現(xiàn)在以下五個方面：

1）諧波問題。我國大量采用的直流傳動機車以相控整流方式運行，因此電網(wǎng)側(cè)電流含有較大的諧波電流成分，電流諧波畸變率可達35%以上。這些諧波電流使外部電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加諧波損耗，降低了其工作效率，并會對例如無功補償電容裝置等電氣設(shè)備的正常工作造成影響。諧波電流還會造成繼電保護裝置誤動和拒動，降低電網(wǎng)的穩(wěn)定性；

2）無功問題，即功率因數(shù)問題。電力機車屬于低功率因數(shù)的非線性負荷，會向電力系統(tǒng)注入大量的無功電流，造成牽引變電站電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)下降，降低輸變電設(shè)備的供電能力，同時增加了電力網(wǎng)絡(luò)和牽引網(wǎng)損耗，還會引起牽引供電臂的供電電壓下降、電壓波動或閃變等問題[2]；

3）負序問題。電力機車是單相負荷，因此接入三相對稱的電網(wǎng)后，將在牽引變壓器一次側(cè)產(chǎn)生幅值較大的負序電流，該負序電流的大小與牽引變壓器的連接方式及牽引負荷的大小有關(guān)[3]。當(dāng)注入電力系統(tǒng)的負序電流過大時，會使得電網(wǎng)附近的電動機電磁轉(zhuǎn)矩下降，發(fā)電機過熱，更會影響到電力系統(tǒng)繼電保護裝置的正常工作；

4）巨大的沖擊性負荷。電氣化鐵路正常的牽引負荷容量很大，而且在建設(shè)規(guī)劃時需要考慮100%的過載容量，目前我國高速客運專線的牽引峰值負載達到了240MVA。如此大的集中負荷在電力系統(tǒng)中是比較少見的，它的接入和切除都會對電網(wǎng)造成沖擊；

5）牽引負荷的波動性極大。電氣化鐵路的負荷與機車速度、負載重量、通行頻度、線路狀況等多種因素有關(guān)，使得它在時間和空間上的分布極其不均勻，這給電網(wǎng)調(diào)度提高了難度。

電氣化鐵路帶來的種種電能質(zhì)量問題如果不能得到合理解決，將會成為電網(wǎng)的穩(wěn)定運行的巨大隱憂，甚至引發(fā)大面積停電等重大電網(wǎng)事故。

2 提高電能質(zhì)量的解決方法

電氣化鐵路帶來的電能質(zhì)量問題與自身的牽引供電系統(tǒng)特性密切相關(guān)，因此可以針對牽引供電系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)改造；同時，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，以大容量柔性交流輸電系統(tǒng)FACTS（Flexible AC Transmission System）技術(shù)為基礎(chǔ)的各類動態(tài)補償方案也隨之而生，其中包括采用晶閘管控制的SVC（Static Var Compensator）裝置和采用基于如IGBT等大功率自關(guān)斷電力電子器件的STATCOM（STATic synchronous COMpensator）裝置。

2.1 牽引供電系統(tǒng)改造

電氣化鐵路的牽引供電系統(tǒng)是指從外部電網(wǎng)引入電能，并對電力機車進行供電的電力網(wǎng)絡(luò)，主要由牽引變電站和接觸網(wǎng)組成。其中，牽引變電站通過牽引變壓器進行電能降壓轉(zhuǎn)換，完成單相接觸網(wǎng)與三相電力系統(tǒng)之間的銜接；而接觸網(wǎng)與電力列車相連，進行供電，電壓等級為27.5kV，制式為工頻單相交流制。圖1為我國電氣化鐵路常見的牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)接線圖，牽引變電站二次側(cè)的輸出端口分別引出一側(cè)供電臂，與接觸網(wǎng)相連，從而使兩端口牽引負荷通過牽引變壓器與外部供電系統(tǒng)產(chǎn)生電磁耦合[2]。

目前針對牽引供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)改進措施有很多，根據(jù)治理目標的不同主要可分為以下3類：

1）治理諧波和無功。為提高功率因數(shù)和吸收三、五次諧波，可采用固定參數(shù)的電容器C和電抗器L串聯(lián)支路并接在27.5kV側(cè)的牽引母線上，然后利用真空開關(guān)對牽引變電站進行手動投切的方法。但是，CL串聯(lián)支路的參數(shù)已經(jīng)固定，很難適應(yīng)波動性很大的牽引負荷對無功容量的要求，無功補償?shù)膭討B(tài)性能差，反而降低了整個牽引變電站的功率因數(shù)，達不到功率因數(shù)大于0.9的要求[2]；

2）治理負序電流。各牽引變電站在電力系統(tǒng)中引起的總負序電流與每個牽引變電站引入的相序有關(guān)，如果將牽引變電站的供電臂輪換接入三相電網(wǎng)，只要各牽引變電站的負荷相等，則從系統(tǒng)側(cè)看電氣化鐵路便可等效為對稱負荷[4]。這種相序輪換接入的方法減少對電力系統(tǒng)的不對稱影響，但僅對于互聯(lián)的220kV系統(tǒng)三相負荷的平衡作用較好，在局部電網(wǎng)或110kV區(qū)域電網(wǎng)中牽引變電站仍相當(dāng)于單相負荷，并不能解決負序電流帶來的問題；

此外，牽引變壓器采用三相/二相平衡變壓器的接法可以減輕單相負荷不平衡對系統(tǒng)的影響，但其對負序完全抑制的前提是保證牽引變電站兩供電臂的負荷平衡[4]。而在實際運行中，牽引負荷條件顯然難以滿足這一要求，故該方式也存在明顯的局限性。

3）提高外部電力系統(tǒng)短路容量。提高牽引變電站接入外部供電系統(tǒng)側(cè)的短路容量，可緩解電氣化鐵路負荷產(chǎn)生的電壓諧波、負序電壓及電壓波動等問題。但這種方法難度高，規(guī)模大，在實際工程中，受到電網(wǎng)接線、投資等因素影響，也不可能無限提高系統(tǒng)的短路容量[5]。

簡言之，傳統(tǒng)針對牽引供電系統(tǒng)的措施大多只能治理單一的電能質(zhì)量目標，效果有限，而且普遍存在對牽引負荷動態(tài)波動適應(yīng)性差的缺點。因此，尋找一種能隨負荷變化來動態(tài)調(diào)節(jié)各相補償度的綜合治理方法，成為了科學(xué)界的主要研究熱點。

2.2 動態(tài)補償方案

以現(xiàn)代電力電子技術(shù)為基礎(chǔ)，采用動態(tài)補償方案對牽引變電站進行負序、無功和諧波的綜合補償，已成為解決電氣化鐵路帶來的電能質(zhì)量問題的主要方法。目前，以SVC和STATCOM為代表的兩類動態(tài)補償裝置已在世界多國的實際工程項目中廣泛應(yīng)用。

2.2.1 SVC補償裝置

SVC即靜止無功補償器，通過晶閘管來控制電抗器，它能實現(xiàn)電感連續(xù)可調(diào)，從而快速、連續(xù)地對電力機車波動負荷進行補償。

這種補償方法的主要特點是結(jié)構(gòu)簡單，構(gòu)成主電路的器件為普通晶閘管，因此造價相對較低。但是，SVC自身會帶來諧波問題，而且它并不能抑制電氣化鐵路牽引網(wǎng)中固有的諧波[6]，需要通過有源電力濾波器、混合型有源電力濾波器、諧振注入式混合有源電力濾波器等來濾除諧波[7]，這也增大了整體裝置的體積和重量。同時，它在補償電氣化鐵路中的負序電流方面效果不佳，實際利用SVC來進行負序補償?shù)墓こ虒嵗⒉欢唷?/p>

2.2.2 STATCOM補償裝置

STATCOM又稱靜止無功補償器，其基本原理是將變流器通過電抗器與電網(wǎng)并聯(lián)，然后直接控制交流側(cè)電流，或者調(diào)節(jié)交流側(cè)電壓的相位與幅值，得到滿足要求的輸出電流，從而達到動態(tài)補償?shù)男Ч?。它由大功率自關(guān)斷電力電子器件構(gòu)成主電路，一般可分為電網(wǎng)側(cè)三相結(jié)構(gòu)和兩相結(jié)構(gòu)。

與SVC相比，STATCOM具有響應(yīng)速度快、負荷率適應(yīng)性好、工作效率高、輸出諧波小等優(yōu)點。同時它還省去了大容量電抗器和電容器，布置緊湊，占地面積小，其主要缺點在于它的單位容量的制造成本較之SVC要高出不少。

電網(wǎng)側(cè)的三相STATCOM連接結(jié)構(gòu)如圖2所示，它主要用于抑制三相電壓的波動。這種三相STATCOM方案可適用于包括單相變壓器在內(nèi)的各類牽引變壓器類型的補償，但它對于負序、諧波和無功潮流等的補償效果并不理想。

日本學(xué)者于1993年在文獻[8]中首先提出了電氣化鐵路功率調(diào)節(jié)器（Railway Static Power Conditioner, RPC），這是一種兩相STATCOM結(jié)構(gòu)。其接線結(jié)構(gòu)如圖3所示，兩個單相變流器分別接到負荷的牽引臂上，中間通過直流電容進行耦合。兩相結(jié)構(gòu)的STATCOM除了能對變電站兩供電臂進行無功動態(tài)補償，同時也能調(diào)節(jié)供電臂的有功潮流，實現(xiàn)無功、有功功率的四象限控制。實際運行效果表明，RPC在穩(wěn)定電壓、有源濾波、調(diào)節(jié)功率因數(shù)、補償負序電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，投入到新干線當(dāng)中。國內(nèi)也對RPC進行了深入研究，文獻[9]提出了一種基于IGBT或IGCT的大容量功率平衡調(diào)節(jié)器（Balance Converter Device, BCD），并對其補償效果進行了仿真驗證。結(jié)合RPC和SVC的特點，文獻[10]提出了一種新型電能質(zhì)量補償系統(tǒng)，由RPC、兩組晶閘管控制電抗器和兩組晶閘管控制三次濾波器（即SVC）組成。RPC用來轉(zhuǎn)移有功功率、補償負序電流和治理諧波，SVC用來改變兩牽引供電臂電流相角，從而補償剩下部分的負序電流和三次諧波。

3 UPQC介紹

筆者所在項目組基于RPC的啟發(fā)，設(shè)計了一種新型兩相STATCOM裝置，簡稱為統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器（Unified Power Quality Controller, UPQC）。該裝置電路拓撲簡潔，能在保證電能質(zhì)量治理效果以及不增加變電站原有容量的前提下，減小占地面積，大幅降低成本，便于將來進行廣泛的推廣應(yīng)用。

3.1 拓撲結(jié)構(gòu)

RPC在主電路結(jié)構(gòu)是n個電壓源變流器的兩個交流側(cè)分別與兩個n+1繞組單相變壓器的n個二次繞組連接。它需要兩個多繞組變壓器來實現(xiàn)電壓、容量的匹配以及電氣隔離，存在占地面積大、成本高、損耗較大的缺點。

UPQC是由單相多繞組變壓器和鏈式結(jié)構(gòu)H橋變流器組成，其電路拓撲見圖4。它的一側(cè)是由一個一次側(cè)繞組和n個二次側(cè)繞組組成的單相多繞組變壓器，一次側(cè)繞組與牽引變壓器的一相相連，二次側(cè)繞組與分別n個電壓源變流器相連；在另一側(cè)，n個變流器以鏈式結(jié)構(gòu)相連，通過連接電抗直接接入牽引變壓器的另一相，n的取值根據(jù)實際需要的容量大小來決定[11]。

相對RPC，UPQC的拓撲結(jié)構(gòu)決定它可少使用一個變壓器，因此具有占地面積小、成本低且損耗較小的優(yōu)點。此外，該結(jié)構(gòu)也便于使用載波移相的PWM控制策略或其他等效控制策略。鏈式結(jié)構(gòu)的特點也使UPQC易于實現(xiàn)高電壓直接輸出，并可進行冗余設(shè)計，在運行時自動旁路故障鏈節(jié)，提高了裝置的可靠性。由單相變壓器和H橋變流器組成的標準化結(jié)構(gòu)也利于進行工業(yè)生產(chǎn)和維修保養(yǎng)，降低了UPQC的經(jīng)濟成本。

3.2 仿真驗證

假設(shè)UPQC裝置的額定容量為3MVA，額定電壓為27.5kV，可實現(xiàn)全容量負序電流補償和無功功率補償，實現(xiàn)功率因數(shù)和三相平衡控制。反映到具體的仿真模型中，則設(shè)定單相多繞組變壓器的容量為1 700kVA，電壓等級為30kV/0.6kV；變流器中單個IGBT的開關(guān)頻率為1 600Hz，采用單極性倍頻方式，等效開關(guān)頻率為3 200Hz，控制電路采樣頻率為3 200Hz。牽引負荷采用SS4型電力機車的諧波特性，該負荷的總諧波含量為20.6%?；谝陨想娐返慕Y(jié)構(gòu)和參數(shù)，對UPQC裝置的性能進行仿真驗證。

圖5（a）、（b）分別是UPQC綜合補償裝置投入前后系統(tǒng)側(cè)的三相電流以及牽引網(wǎng)的兩相電流的波形?？梢奤PQC投入前，系統(tǒng)側(cè)電流含有大量的無功、負序及諧波電流，而在補償裝置投入后，系統(tǒng)側(cè)以及牽引網(wǎng)的電流都得到了顯著改善。此外，通過仿真可得到接入UPQC后，系統(tǒng)側(cè)電流的不平衡度約為1.6%，電流的總諧波畸變率在3%~4%之間，功率因數(shù)接近1。這證明UPQC裝置實現(xiàn)了預(yù)期的工作目標，其性能達到了國標要求。

4 總結(jié)展望

電氣化鐵路的修建和運營對于中國未來的經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定具有深遠意義，然而其產(chǎn)生的諧波、無功、負序電流等電能質(zhì)量問題給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來了嚴重危害。目前，改變牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)方案以及利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)的動態(tài)補償方案（SVC及STATCOM）是解決該問題的主要方法，其中STATCOM裝置的綜合性能最優(yōu)，也得到了更多的應(yīng)用。而新型STATCOM裝置UPQC的電路拓撲簡潔，占地面積小，成本低且損耗較小，通過進行綜合仿真分析，也證明了該裝置可連續(xù)快速進行動態(tài)補償，效率高，性能好，對于解決電氣化鐵路的電能質(zhì)量問題具有良好的應(yīng)用前景。

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注：“本文中所涉及到的圖表、公式、注解等請以PDF格式閱讀”