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        應(yīng)用于城市軌道交通的 500 kvar動態(tài)無功補償裝置的研制

        2018-04-25 08:28:58仇志凌萬里強(qiáng)芮國強(qiáng)
        現(xiàn)代城市軌道交通 2018年4期
        關(guān)鍵詞:電感濾波器電容

        仇志凌,萬里強(qiáng),張 明,芮國強(qiáng)

        (南京亞派科技股份有限公司,江蘇南京 210032)

        0 引言

        近年來城市軌道交通得到了極大的發(fā)展,動態(tài)無功補償裝置(SVG)以其快速的動態(tài)響應(yīng)、較高的補償精度,在城市軌道交通主牽引變壓器、風(fēng)機(jī)啟動無功補償?shù)葓龊系玫搅顺晒?yīng)用[1-3]。城市軌道交通運營的特殊性對 SVG 裝置的可靠性有極高要求,并且由于列車頻繁啟停,無功快速變化,對 SVG 的循環(huán)壽命是極大的考驗。

        為此,提出了采用賽米控第 4 代智能功率模塊SKiiP4 作為主功率器件,提高疲勞壽命、可靠性,并能夠提供詳細(xì)的事件信息,利于故障排查;采用 LCL 濾波器,在保證開關(guān)紋波濾除效果的前提下,減小電感量,并結(jié)合空間矢量調(diào)制,降低直流母線電壓,減小主功率器件的開關(guān)損耗和溫升;采用薄膜電容提高直流母線電容壽命;采用數(shù)字控制一拍延時實現(xiàn) LCL 濾波器的無阻尼電阻電流單環(huán)控制,在不增加控制環(huán)復(fù)雜程度的前提下,徹底消除了阻尼電阻過溫?fù)p壞的隱患。

        仿真和實驗結(jié)果證明了該方案的有效性。

        圖 1 SVG 基本結(jié)構(gòu)

        1 SVG 裝置總體電路結(jié)構(gòu)

        SVG 裝置基本結(jié)構(gòu)如圖 1 所示,包括三相電壓源逆變器(VSC)、LCL 濾波器和控制保護(hù)單元。其基本原理是控制器實時檢測負(fù)載電流中的無功成分,該電流作為指令去控制 SVG 產(chǎn)生分幅值相同、相位相反的電流,這樣電網(wǎng)中就只含有有功成分。

        2 主功率器件選型

        采用 1 200 V/2 400 A 的賽米控 SKiiP4 模塊。傳統(tǒng)IGBT 模塊由硅片、陶瓷絕緣基板(DCB,通常為氧化鋁)、模塊基板(通常為銅)3層材料焊接而成(圖2)。在 IGBT 模塊周期間歇性、大負(fù)荷運行的情況下,由于 3 層材料熱脹冷縮系數(shù)不同,導(dǎo)致模塊基板和DCB 間產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力,長期運行后兩者的焊接面產(chǎn)生龜裂,最終導(dǎo)致模塊損壞[4]。

        圖 2 IGBT 模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

        針對 DCB 和模塊基板之間的焊接面龜裂問題,賽米控 SKiiP4 模塊去除了銅基板,并采用了壓接方式[5],避免了疲勞壽命問題。針對硅片和 DCB 之間的焊接面龜裂問題,SKiiP4 采用燒結(jié)取代了傳統(tǒng)的焊接[6]。傳統(tǒng)的功率模塊中,芯片和敷銅 DCB 板之間采用錫焊。由于錫焊焊點溫度只有 220~250 ℃,而芯片工作結(jié)溫超過 100 ℃,這就會降低焊接層的機(jī)械強(qiáng)度,進(jìn)而降低焊接層疲勞壽命。燒結(jié)工藝采用銀粉作為界面材料,銀在常壓下熔點為 962 ℃,這極大提高了疲勞壽命。

        傳統(tǒng) IGBT 驅(qū)動板只有短路、驅(qū)動電源欠壓等很少的幾種保護(hù)功能,且不能區(qū)分上報故障類型,這對設(shè)備故障定位、分析、維護(hù)都帶來了極大不便。SKiiP4 采用數(shù)字控制,具有完善的故障保護(hù)功能且能夠分別上報:DCB溫度超限、環(huán)境溫度超限、內(nèi)部 15 V 電源欠壓、內(nèi)部二次側(cè)電源故障、電流傳感器故障、下管故障、上管故障、下管輸入信號振蕩、上管輸入信號振蕩、過流、直流母線過壓等。SKiiP4 還能夠上傳模擬量:DCB 溫度、直流母線電壓、輸出電流等。

        SKiiP4 的上述狀態(tài)和模擬量信息通過 CAN 總線輸出。SVG 裝置控制器采用 TI28335 控制芯片,該芯片具有 2 個 CAN 接口,1 個負(fù)責(zé)和上位機(jī)通信,1 個專門和裝置內(nèi)部的 3 只 SKiiP4 模塊通信,接收它們的狀態(tài)信息。這為裝置運行狀態(tài)的監(jiān)控提供了極大的便利。

        500 kvar / 380 V SVG 裝置的額定有效電流為760 A,峰值電流 1 074 A,采用 1 200 V/2 400 A 的模塊,電壓、電流余量足夠。其結(jié)溫通過賽米控的 semisel仿真軟件,在 700 V 直流母線電壓、3 kHz 開關(guān)頻率、額定輸出電流下,IGBT、二極管芯片結(jié)溫分別為 101 ℃、102 ℃。第 4 代功率半導(dǎo)體芯片的最高結(jié)溫是 175 ℃,最高連續(xù)工作結(jié)溫是 150 ℃,因此,有較大的余量,有利于延長器件壽命。

        3 LCL 濾波器設(shè)計

        在 LCL 濾波器的設(shè)計過程中,除了要滿足高頻開關(guān)紋波電流的濾波效果,濾波電感量也必須進(jìn)行嚴(yán)格限制。SVG 的電感壓降和電網(wǎng)電壓是線性疊加關(guān)系,過大的電感量需要較高的直流母線電壓,才能保證 SVG 工作在線性調(diào)制區(qū)。同時,LCL 濾波器的基本原理是濾波電容和網(wǎng)側(cè)電感對高頻電流進(jìn)行阻抗分流,因此,必須保證分流效果。這樣,從限制濾波電感量和保證高頻電流分流效果這兩點出發(fā)[7],可以得到以下設(shè)計步驟。

        3.1 確定總濾波電感量

        對于基波無功電流,LCL 濾波器的濾波電容相當(dāng)于開路,電路可以簡化為圖 3a 所示的等效電路,圖 3a 中的L代表L1和L2的總濾波電感。圖 3b 為并網(wǎng)變流器在整流、吸收滯后無功狀態(tài)下工作的電壓、電流相量圖。

        令I(lǐng)s為電網(wǎng)電流有效值,UL為電感電壓有效值,ULd為電感電壓有效值的d軸分量,ULq為電感電壓有效值的q軸分量,Us為電網(wǎng)相電壓有效值,Ui為逆變橋交流相電壓有效值,φ為電網(wǎng)電壓相量Us和電網(wǎng)電流相量的功率因數(shù)角。

        逆變橋輸出電壓和電網(wǎng)電壓、電感壓降的關(guān)系為:

        式(1)中ω為電網(wǎng)角頻率,若φ= -90°,并網(wǎng)變流器向電網(wǎng)注入滯后無功,Ui最大,為:

        圖 3 逆變橋輸出電壓

        對于額定電壓 1 200 V 的 SKiiP4 模塊,設(shè)定直流母線電壓Udc= 700 V 較為合理,采用空間矢量調(diào)制(Space Vector Modulation)的三相三線電壓型 PWM 逆變橋輸出的最大交流相電壓有效值為:

        考慮電網(wǎng) 7% 過壓,為保證三相 VSC 逆變器工作在線形調(diào)制區(qū),濾波電感電壓最大為:

        在 500 kvar 無功電流下,濾波電感量最大為:

        圖 4 LCL 濾波器輸出電流和頻譜

        考慮到死區(qū)造成的輸出電壓損失以及電流動態(tài)過程中需要的電壓余量,取濾波電感量L= 0.18 mH。

        3.2 確定 L1 和 L2 的電感量

        L1和L2均分總濾波電感量可以得到最佳的濾波效果。考慮到太小的L1將承擔(dān)較大的高頻紋波電流,導(dǎo)致較高的噪聲和損耗,因此,逆變器側(cè)和網(wǎng)側(cè)電感分別取值為L1= 0.12 mH、L2= 0.06 mH。

        3.3 確定濾波電容 C

        要保證濾波電容對高頻紋波電流的旁路效果,容抗XC必須小于網(wǎng)側(cè)電感感抗XL2的 20%。開關(guān)頻率為fSW= 3 kHz,則濾波電容設(shè)計為C= 250 μF,容抗XC和網(wǎng)側(cè)電感感抗XL2的比值為 18.8 %,能夠滿足要求。

        設(shè)計的 LCL 濾波器輸出電流和頻譜如圖 4所示,可見 3 kHz 及其倍頻次紋波電流含量很小,具有很好的高頻濾波效果。圖 4 中THD為諧波總畸變率。

        4 直流母線電容設(shè)計

        對于三相平衡系統(tǒng),無功功率交換在三相之間進(jìn)行,直流母線電容只需吸收 3 kHz 開關(guān)頻率及其倍頻紋波電流,通過 Matlab 仿真可以得出 SVG 裝置的總直流紋波電流有效值為 360 A。基于高頻、大電流的特點,采用金屬化薄膜電容作為直流母線電容比較合適。薄膜電容比傳統(tǒng)的電解電容載流能力強(qiáng)、無需串聯(lián)、能夠自愈,且不存在電解液分解問題,可靠性高、壽命長,在電力機(jī)車牽引變流器中得到了廣泛應(yīng)用[8]。其缺點是單位體積容值密度較低,但由于不需要串聯(lián),其體積大的缺陷可以得到部分彌補。

        考慮到可靠性,采用進(jìn)口 epcos 的 480 uF/880 V 薄膜電容。采用18只電容并聯(lián),每只電容承擔(dān) 20 A 電流。該電容的數(shù)據(jù)手冊顯示其額定電流是 50 A,承擔(dān) 20 A 電流余量較為充足。18 只電容分為 3 組,每組 6 只,3 組電容與三相 SKiiP4 就近安裝,以減小直流回路等效電感和IGBT 關(guān)斷電壓尖峰,提高主功率模塊的工作可靠性。

        圖 5 SVG 裝置控制框圖

        圖 6 校正前后 LCL 濾波器波特圖

        5 基于數(shù)字一拍延時的雙閉環(huán)控制策略

        SVG 裝置采用在d、q坐標(biāo)系下的電壓、電流雙閉環(huán)控制策略(圖5)。在d、q坐標(biāo)系下,三相交流量轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘀绷髁浚捎?PI 控制器能夠?qū)崿F(xiàn)無靜差控制。q軸電流環(huán)負(fù)責(zé)無功電流的閉環(huán)控制;直流穩(wěn)壓環(huán)和d軸電流環(huán)構(gòu)成雙環(huán)結(jié)構(gòu),負(fù)責(zé)直流母線電壓的穩(wěn)定。

        d、q軸電流環(huán)的結(jié)構(gòu)類似,都采用數(shù)字控制一拍延時結(jié)合 PI 控制器,進(jìn)行 LCL 濾波器的閉環(huán)穩(wěn)定控制[9],校正前、后的開環(huán)頻率特性如圖 6 所示。數(shù)字控制一拍延時引入相移,使得開環(huán)相角曲線-180°穿越頻率從1.6 kHz 降低到 987 Hz,通過 PI 控制器比例系數(shù)的合理選取,將該頻率點處的增益校正為 -6.02 dB,這樣開環(huán)傳遞函數(shù)不包圍臨界點(-1,j0),從而閉環(huán)穩(wěn)定。PI 控制的積分負(fù)責(zé)提高穩(wěn)態(tài)精度,在 9.02 Hz 以下的低頻段,由于積分作用,校正后的開環(huán)增益大于校正前,對于直流成分理論上可以提供無窮大增益,能夠?qū)崿F(xiàn)無靜差。這種 LCL 濾波器電流閉環(huán)控制方法相比傳統(tǒng)無源阻尼方案,能夠徹底取消阻尼電阻,消除了其發(fā)熱損壞的隱患;相比有源阻尼方案,不需要增加電容電流傳感器,控制環(huán)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高。

        d、q軸電流環(huán)的輸出疊加電網(wǎng)電壓前饋量后,進(jìn)行空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM),得到 6 路 PWM 信號,控制 SKiiP4 模塊進(jìn)行開關(guān)動作,輸出需要的無功補償電流。SVPWM 的基本原理如圖 7 所示,三相逆變橋 6 只主功率管的各種開關(guān)狀態(tài)組合對應(yīng)著 6 種有效矢量和 2 種零矢量(括號中數(shù)字為三相橋臂開關(guān)模態(tài),1 和 0 分別代表上管的通、斷),三相合成旋轉(zhuǎn)電壓矢量可以通過合理選擇 2 種有效矢量、1 種零矢量及其作用時間進(jìn)行合成,這樣就實現(xiàn)了SVG裝置的PWM 控制。SVPWM 調(diào)制相比正弦脈寬調(diào)制(SPWM)的優(yōu)勢在于,正弦調(diào)制量u**疊加零序三角波uz后,得到的馬鞍波形u*幅值被拉低,拓展了線性工作范圍,使得逆變電壓輸出能力提高了 15.4%[10],有利于降低 SVG裝置的直流母線電壓和開關(guān)損耗。

        圖 7 空間矢量脈寬調(diào)制基本原理

        圖 8 突加負(fù)載仿真波形

        圖 9 LCL 濾波器電流波形

        6 仿真結(jié)果

        針對 500 kvar SVG 裝置 LCL參數(shù)和閉環(huán)控制參數(shù),通過系統(tǒng)建模進(jìn)行了 Matlab 仿真設(shè)計。如圖 8突加負(fù)載仿真波形顯示,在 0.02 s SVG 裝置投入補償,經(jīng)過 4 ms 補償電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài),動態(tài)過程較快,且振蕩不明顯。電網(wǎng)電流在補償前有明顯的相位滯后,補償后和電網(wǎng)電壓的相位差消失。這說明設(shè)計的500 kvar SVG 裝置具有較好的動、靜態(tài)補償效果。

        如圖 9 所示,LCL 濾波器電流波形顯示出,逆變器電流中除了基波成分外,還含有較多的開關(guān)頻率紋波成分。這些高頻紋波經(jīng)過網(wǎng)側(cè)電感和交流電容分流后,基本上都流入了交流電容,流入電網(wǎng)的電流是比較干凈的基波。說明設(shè)計的LCL 濾波器達(dá)到了預(yù)期的濾波效果,各元件電流波形與理論分析吻合,濾波器設(shè)計合理。

        圖 10 為調(diào)制波波形,馬鞍形波形是 SVPWM 調(diào)制的典型波形。在突加負(fù)載后,調(diào)制波幅值明顯增大,這正說明了輸出無功電流在濾波電感上產(chǎn)生了壓降,所以,逆變輸出電壓增加了。同時可以看出,在滿載后調(diào)制波并沒有達(dá)到最大幅值,還有一定余量,這些余量可以應(yīng)對實際電網(wǎng)可能出現(xiàn)的過壓工況。

        7 實驗結(jié)果

        對研制的 500 kvar SVG 裝置進(jìn)行了實驗。圖11 為補償電容柜負(fù)載的穩(wěn)態(tài)波形,圖 11 中:通道 1 為 SVG 裝置的滿載補償電流波形,有效值 740 A,波形正弦度較好;通道 2 是電容柜電流,受電網(wǎng)電壓畸變的影響,電容電流含有諧波成分;通道 3 為補償后的電網(wǎng)電流,可見無功電流被完全補償,殘留的是諧波電流成分;通道 4 為 SVG 裝置的直流母線電壓,波動較小。

        圖 12 是 SVG 裝置的 SKiiP4 事件顯示界面,裝置的 3 只 SKiiP4 模塊事件能夠分別顯示,每只 SKiiP4 模塊的事件采用 16 bit 二進(jìn)制位表示,每 1 位代表一種事件,空白圓圈表示沒發(fā)生,黑圓圈代表有事件發(fā)生。

        圖 10 調(diào)制波波形

        圖 11 SVG 裝置滿載穩(wěn)態(tài)波形

        圖 12 SVG 裝置的 SKiiP4 事件顯示界面

        8 結(jié)論

        對于應(yīng)用于城市軌道交通的高可靠性 500 kvar SVG裝置,本文提出了采用賽米控第 4 代智能功率模塊 SKiiP4 作為主功率器件,以提高疲勞壽命,并能夠提供詳細(xì)的事件信息,利于故障排查;采用 LCL 濾波器減小濾波電感量,結(jié)合 SVPWM,降低直流母線電壓、減小開關(guān)損耗;采用薄膜電容提高直流母線電容壽命;采用數(shù)字控制一拍延時實現(xiàn) LCL 濾波器的無阻尼電阻電流單環(huán)控制,徹底消除了阻尼電阻過溫?fù)p壞的隱患。仿真和實驗結(jié)果說明,該方案是正確、有效的。

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