仇志凌,萬(wàn)里強(qiáng),張 明,芮國(guó)強(qiáng)
(南京亞派科技股份有限公司,江蘇南京 210032)
近年來(lái)城市軌道交通得到了極大的發(fā)展,動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置(SVG)以其快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、較高的補(bǔ)償精度,在城市軌道交通主牽引變壓器、風(fēng)機(jī)啟動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)葓?chǎng)合得到了成功應(yīng)用[1-3]。城市軌道交通運(yùn)營(yíng)的特殊性對(duì) SVG 裝置的可靠性有極高要求,并且由于列車(chē)頻繁啟停,無(wú)功快速變化,對(duì) SVG 的循環(huán)壽命是極大的考驗(yàn)。
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(kāi)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(kāi)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(shí)實(shí)現(xiàn) LCL 濾波器的無(wú)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(guò)溫?fù)p壞的隱患。
仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方案的有效性。
圖 1 SVG 基本結(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(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載電流中的無(wú)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。
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(yùn)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(zhǎng)期運(yùn)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(duì) DCB 和模塊基板之間的焊接面龜裂問(wèn)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(wèn)題。針對(duì)硅片和 DCB 之間的焊接面龜裂問(wèn)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(diǎn)溫度只有 220~250 ℃,而芯片工作結(jié)溫超過(guò) 100 ℃,這就會(huì)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(diǎn)為 962 ℃,這極大提高了疲勞壽命。
傳統(tǒng) IGBT 驅(qū)動(dòng)板只有短路、驅(qū)動(dòng)電源欠壓等很少的幾種保護(hù)功能,且不能區(qū)分上報(bào)故障類(lèi)型,這對(duì)設(shè)備故障定位、分析、維護(hù)都帶來(lái)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(bào):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(hào)振蕩、上管輸入信號(hào)振蕩、過(guò)流、直流母線過(guò)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(guò) 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(gè) CAN 接口,1 個(gè)負(fù)責(zé)和上位機(jī)通信,1 個(gè)專(zhuān)門(mén)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(yùn)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(guò)賽米控的 semisel仿真軟件,在 700 V 直流母線電壓、3 kHz 開(kāi)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(zhǎng)器件壽命。
在 LCL 濾波器的設(shè)計(jì)過(guò)程中,除了要滿(mǎn)足高頻開(kāi)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(guò)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(shí),LCL 濾波器的基本原理是濾波電容和網(wǎng)側(cè)電感對(duì)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(diǎn)出發(fā)[7],可以得到以下設(shè)計(jì)步驟。
對(duì)于基波無(wú)功電流,LCL 濾波器的濾波電容相當(dāng)于開(kāi)路,電路可以簡(jiǎn)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(wú)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(wú)功,Ui最大,為:
圖 3 逆變橋輸出電壓
對(duì)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(guò)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(wú)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(dòng)態(tài)過(guò)程中需要的電壓余量,取濾波電感量L= 0.18 mH。
L1和L2均分總濾波電感量可以得到最佳的濾波效果??紤]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L(zhǎng)1= 0.12 mH、L2= 0.06 mH。
要保證濾波電容對(duì)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(kāi)關(guān)頻率為fSW= 3 kHz,則濾波電容設(shè)計(jì)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(mǎn)足要求。
設(shè)計(jì)的 LCL 濾波器輸出電流和頻譜如圖 4所示,可見(jiàn) 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。
對(duì)于三相平衡系統(tǒng),無(wú)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(kāi)關(guān)頻率及其倍頻紋波電流,通過(guò) Matlab 仿真可以得出 SVG 裝置的總直流紋波電流有效值為 360 A?;诟哳l、大電流的特點(diǎn),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(wú)需串聯(lián)、能夠自愈,且不存在電解液分解問(wèn)題,可靠性高、壽命長(zhǎng),在電力機(jī)車(chē)牽引變流器中得到了廣泛應(yīng)用[8]。其缺點(diǎn)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(bǔ)。
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(cè)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
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?,采?PI 控制器能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)靜差控制。q軸電流環(huán)負(fù)責(zé)無(wú)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(lèi)似,都采用數(shù)字控制一拍延時(shí)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(kāi)環(huán)頻率特性如圖 6 所示。數(shù)字控制一拍延時(shí)引入相移,使得開(kāi)環(huán)相角曲線-180°穿越頻率從1.6 kHz 降低到 987 Hz,通過(guò) PI 控制器比例系數(shù)的合理選取,將該頻率點(diǎn)處的增益校正為 -6.02 dB,這樣開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)不包圍臨界點(diǎn)(-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(kāi)環(huán)增益大于校正前,對(duì)于直流成分理論上可以提供無(wú)窮大增益,能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)靜差。這種 LCL 濾波器電流閉環(huán)控制方法相比傳統(tǒng)無(wú)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(jiǎn)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(hào),控制 SKiiP4 模塊進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作,輸出需要的無(wú)功補(bǔ)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(kāi)關(guān)狀態(tài)組合對(duì)應(yīng)著 6 種有效矢量和 2 種零矢量(括號(hào)中數(shù)字為三相橋臂開(kāi)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(guò)合理選擇 2 種有效矢量、1 種零矢量及其作用時(shí)間進(jìn)行合成,這樣就實(shí)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(shì)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(kāi)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
針對(duì) 500 kvar SVG 裝置 LCL參數(shù)和閉環(huán)控制參數(shù),通過(guò)系統(tǒng)建模進(jìn)行了 Matlab 仿真設(shè)計(jì)。如圖 8突加負(fù)載仿真波形顯示,在 0.02 s SVG 裝置投入補(bǔ)償,經(jīng)過(guò) 4 ms 補(bǔ)償電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài),動(dòng)態(tài)過(guò)程較快,且振蕩不明顯。電網(wǎng)電流在補(bǔ)償前有明顯的相位滯后,補(bǔ)償后和電網(wǎng)電壓的相位差消失。這說(shuō)明設(shè)計(jì)的500 kvar SVG 裝置具有較好的動(dòng)、靜態(tài)補(bǔ)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(kāi)關(guān)頻率紋波成分。這些高頻紋波經(jīng)過(guò)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(shuō)明設(shè)計(jì)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(jì)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(shuō)明了輸出無(wú)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(shí)可以看出,在滿(mǎn)載后調(diào)制波并沒(méi)有達(dá)到最大幅值,還有一定余量,這些余量可以應(yīng)對(duì)實(shí)際電網(wǎng)可能出現(xiàn)的過(guò)壓工況。
對(duì)研制的 500 kvar SVG 裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。圖11 為補(bǔ)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(mǎn)載補(bǔ)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(bǔ)償后的電網(wǎng)電流,可見(jiàn)無(wú)功電流被完全補(bǔ)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(dòng)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(méi)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(mǎn)載穩(wěn)態(tài)波形
圖 12 SVG 裝置的 SKiiP4 事件顯示界面
對(duì)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(kāi)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(shí)實(shí)現(xiàn) LCL 濾波器的無(wú)阻尼電阻電流單環(huán)控制,徹底消除了阻尼電阻過(guò)溫?fù)p壞的隱患。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,該方案是正確、有效的。
[1]吳章輝. 地鐵 110 kV主變電所 SVG無(wú)功補(bǔ)償[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2014(20):157.
[2]鐘駿. 淺議動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置 SVG在地鐵供電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 鐵道勘測(cè)與設(shè)計(jì),2009(3): 84-86.
[3]焦劼. 地鐵供電系統(tǒng) SVG 裝置的應(yīng)用[J]. 遼寧科技大學(xué)學(xué)報(bào),2013,36(1):42-47.
[4]Yoshitaka Nishimura, Kazunaga Oonisi, Fumihiko Momose, 等. 高可靠性IGBT模塊封裝的設(shè)計(jì)[J]. 袁海斌 譯. 電力電子,2010(4):62-66.
[5]張睿. 壓接型 IGBT 模塊內(nèi)部并聯(lián)芯片支路電流分布特性及其均流方法[D]. 北京:華北電力大學(xué),2016.
[6]梅云輝,連嬌愿,徐乾燁,等. 納米銀焊膏雙面連接IGBT 封裝形式的強(qiáng)度[J]. 機(jī)械強(qiáng)度,2014(3):352-356.
[7]張東江,仇志凌,李玉玲,等. 基于 LCL 濾波器的高穩(wěn)態(tài)性能并聯(lián)有源電力濾波器研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào),2011,26(6):137-143.
[8]王曉東. 直流金屬化薄膜電容器在大功率變流器中的研究[D]. 北京:北京郵電大學(xué),2014.
[9]仇志凌,楊恩星,孔潔,等. 基于 LCL 濾波器的并聯(lián)有源電力濾波器電流閉環(huán)控制方法[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2009,29(18):15-20.
[10]周衛(wèi)平,吳正國(guó),唐勁松,等. SVPWM 的等效算法及 SVPWM 與 SPWM 的本質(zhì)聯(lián)系[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2006,26(2):133-137.