仇志凌 萬里強(qiáng) 張 明 芮國(guó)強(qiáng)

（南京亞派科技股份有限公司，南京 210032）

某城市軌道交通牽引變電所采用 20kV/6Mvar SVG進(jìn)行主牽引變壓器的快速動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償[1-2]。由于列車頻繁起/停，無功快速變化，對(duì) SVG的循環(huán)壽命提出了很高的要求。該牽引所之前采用的國(guó)外動(dòng)補(bǔ)裝置在頻繁的循環(huán)沖擊下，裝置內(nèi)部 IGBT模塊運(yùn)行2年左右就開始陸續(xù)損壞，導(dǎo)致了高昂的維修成本和無功罰款。

為此，本文提出了采用14臺(tái)400V/500kvar SVG模塊通過變壓器升壓并聯(lián)實(shí)現(xiàn)冗余運(yùn)行，任意2臺(tái)SVG模塊損壞，整套裝置仍然能夠保證6Mvar無功補(bǔ)償容量。采用CAN+485雙總線的主從控制架構(gòu)，CAN總線實(shí)現(xiàn)主控向SVG模塊的無功指令實(shí)時(shí)下發(fā)，485總線負(fù)責(zé)SVG模塊向主控上傳狀態(tài)、模擬量信息。主控制器1+1冗余，消除單點(diǎn)故障。SVG模塊采用賽米控第四代智能功率模塊SkiiP4作為主功率器件，提高疲勞壽命、可靠性的總體設(shè)計(jì)方案。

1 SVG成套裝置主電路結(jié)構(gòu)

SVG成套裝置主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括2臺(tái) 0.4/20kV 4000kvar升壓變壓器、14臺(tái) 0.4kV/500kvar SVG模塊，每臺(tái)變壓器低壓側(cè)并聯(lián)7臺(tái)SVG模塊。這種并聯(lián)升壓方案能夠?qū)崿F(xiàn)12+2冗余，任意2臺(tái)SVG模塊故障，成套裝置仍然能夠進(jìn)行滿容量6Mvar無功補(bǔ)償，避免無功罰款。并且，由于SVG模塊工作于低壓 0.4kV，易于實(shí)現(xiàn)成套裝置不停機(jī)的故障模塊維修。在14臺(tái)SVG模塊都正常的情況下，每臺(tái)模塊只需要出力428kvar，降低了負(fù)荷率，提高了壽命和可靠性。采用4000kvar升壓變壓器同樣是為了增加余量、降低負(fù)荷率。

與現(xiàn)在流行的H橋級(jí)聯(lián)方案[3-4]相比，后者可以實(shí)現(xiàn)無變壓器直接接入 20kV電網(wǎng)，能夠減小成套裝置體積、成本，消除變壓器損耗，并且載波移相級(jí)聯(lián)能夠降低 IGBT開關(guān)頻率，減小開關(guān)損耗。但是，級(jí)聯(lián)方案是串聯(lián)結(jié)構(gòu)，不如并聯(lián)方案容易實(shí)現(xiàn)真正的冗余運(yùn)行。并且，級(jí)聯(lián)方案中的H橋鏈接單元處于高電位上，難以實(shí)現(xiàn)類似于低壓并聯(lián)方案的成套裝置不停機(jī)故障模塊維修。尤為重要的是，現(xiàn)有級(jí)聯(lián)方案為了控制成本大多采用1700V基于銅基板的工業(yè)級(jí)IGBT，無法保證周期性沖擊負(fù)荷下的裝置循環(huán)壽命。

所以，基于可靠性考慮，本成套裝置采用低壓并聯(lián)升壓方案。

圖1 SVG成套裝置主電路結(jié)構(gòu)

2 控制系統(tǒng)架構(gòu)

采用低壓并聯(lián)升壓方案最大的難點(diǎn)在于，如何保證多臺(tái)SVG模塊無功電流的采樣精度。傳統(tǒng)方案采用負(fù)載電流CT二次側(cè)并聯(lián)或串聯(lián)的方式，向SVG模塊內(nèi)部控制器提供電流信息，這在SVG模塊數(shù)量較少的情況下是有效的。但在模塊數(shù)量較多的情況下，受到負(fù)載電流 CT容量的限制，采樣精度無法得到保證。因此，本文采用主從控制架構(gòu)通過數(shù)據(jù)總線傳輸無功電流信息。

SVG成套裝置控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖2（a）所示，整個(gè)系統(tǒng)由2臺(tái)主控制器、工控機(jī)、14臺(tái)SVG模塊的底層控制器組成。閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖2（b）所示：①2臺(tái)主控制器和14臺(tái)SVG模塊的底層控制器都對(duì) 20kV系統(tǒng)電壓進(jìn)行鎖相，獲得相同的相位參考信號(hào)；②2臺(tái)主控制器同時(shí)采集三相負(fù)載電流，并將其從ABC坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，q軸電流就是需要的無功電流指令。最為關(guān)鍵的是，q軸電流在穩(wěn)定狀態(tài)下是直流量，不需要很高的指令下發(fā)頻率，就能保證SVG模塊輸出正弦的無功電流；③2臺(tái)主控制器將負(fù)載 q軸電流指令除以實(shí)際運(yùn)行的SVG模塊數(shù)量后（實(shí)現(xiàn)SVG模塊容量均分和冗余運(yùn)行），通過 CAN總線以廣播模式向 14臺(tái)SVG模塊的底層控制器下發(fā)。由于是廣播下發(fā)，所以14臺(tái)SVG模塊的底層控制器可以同時(shí)接收到相同的無功指令；④14臺(tái) SVG模塊的底層控制器同時(shí)接受2臺(tái)主控的負(fù)載q軸電流指令，在默認(rèn)狀態(tài)下采用1#主控制器的指令。若任何一臺(tái)主控制器停止下發(fā)指令，則SVG模塊采用余下那臺(tái)控制器的指令。這樣，整個(gè)控制系統(tǒng)就有1+1冗余能力，消除了單點(diǎn)故障隱患；⑤14臺(tái) SVG模塊的底層控制器根據(jù)接收到的q軸電流指令，各自在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下進(jìn)行輸出補(bǔ)償電流閉環(huán)控制，控制環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性相同，在指令電流和鎖相基準(zhǔn)都相同的條件下，各自輸出的無功電流也是相同的，最終保證了同步性和容量均分。

這種傳遞q軸直流指令的主從控制方式，相比交流量傳輸可以大為降低指令下發(fā)更新頻率，因此不需要采用特殊的高速總線，降低了技術(shù)復(fù)雜性。為了保證成套裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，CAN總線專職負(fù)責(zé)下發(fā)q軸電流指令，盡可能提高指令更新頻率。

工控機(jī)是成套裝置的人機(jī)界面，負(fù)責(zé)各種命令的下發(fā)、狀態(tài)信息以及電氣量的顯示。2臺(tái)主控制器通過232總線上傳自身狀態(tài)。14臺(tái)SVG模塊的底層控制器通過485總線接收工控機(jī)下發(fā)的起、停指令、保護(hù)閾值，上傳各種狀態(tài)/故障信息、電壓/電流模擬量。成套裝置的遙控、遙測(cè)信息數(shù)據(jù)量比較大，但對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高，所以采用485總線進(jìn)行慢速傳輸。這就可以將CAN總線解放出來專門傳輸無功電流指令，提高裝置動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。這樣，CAN+485雙總線架構(gòu)保證了成套裝置較好的綜合性能。

圖2 成套裝置控制原理

3 500kvar SVG模塊

成套裝置的 SVG模塊，按照模塊化設(shè)計(jì)的思路，對(duì)每面柜體分別安裝有接觸器、主功率器件、輸出LCL濾波器、直流母線電容、底層控制器、電壓/電流霍爾傳感器，構(gòu)成完整的獨(dú)立補(bǔ)償單元，如圖3所示。

SVG模塊的循環(huán)壽命和可靠性很大程度上取決于主功率模塊本身的壽命，為此選用了1200V/2400A的賽米控SkiiP4模塊。標(biāo)準(zhǔn)的IGBT模塊由硅片、陶瓷絕緣基板（DCB）、模塊基板（材料通常為銅）3層材料焊接而成。在IGBT模塊周期間歇性、大負(fù)荷運(yùn)行的情況下，由于三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[5]。

圖3 SVG模塊主電路原理圖

圖4 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題，賽米控SkiiP4模塊去除了銅基板，并采用了壓接方式[6]，避免了疲勞壽命問題。對(duì)于硅片和DCB之間的焊接面疲勞問題，SkiiP4采用銀燒結(jié)取代了傳統(tǒng)的錫焊接[7]。由于銀的熔點(diǎn)為 962℃，遠(yuǎn)高于錫的220℃～250℃，因此能夠極大地提高結(jié)合面強(qiáng)度。

SVG模塊采用LCL濾波器濾除開關(guān)紋波。LCL濾波器通過增加濾波電容和網(wǎng)側(cè)電感對(duì)高頻電流進(jìn)行阻抗分流，相比單電感濾波器能夠在保證同樣紋波濾除效果的情況下，極大地減小濾波電感量[8-9]。而在無功補(bǔ)償中，電感壓降和電網(wǎng)電壓是線性疊加關(guān)系，減小濾波電量可以有效降低需要的直流母線電壓，減小 IGBT的開關(guān)損耗和電壓應(yīng)力，提高可靠性。并且，采用了 SVPWM 調(diào)制[10]，相比傳統(tǒng)SPWM 調(diào)制能夠?qū)⒅绷髂妇€電壓利用率提高15.4%，能夠進(jìn)一步降低直流母線電壓。

直流母線電容采用金屬化薄膜電容。對(duì)于三相平衡無功補(bǔ)償，直流母線電容只需吸收開關(guān)頻率及其倍頻紋波電流，不存在低頻成分，對(duì)電容量要求不高，只需滿足電流有效值要求。薄膜電容相比傳統(tǒng)的電解電容具有載流能力強(qiáng)，無需串聯(lián)，能夠自愈，不存在電解液分解問題，可靠性高，壽命長(zhǎng)，是合理的選擇[11]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 廠內(nèi)測(cè)試

圖5是1臺(tái)主控制器+1臺(tái)500kvar SVG模塊的聯(lián)調(diào)穩(wěn)態(tài)波形，主控制器采樣電容柜電流，提取出q軸無功電流后通過CAN總線向500kvar SVG模塊下發(fā)無功指令，SVG模塊進(jìn)行補(bǔ)償輸出。通道4是SVG模塊的滿載補(bǔ)償電流波形，有效值 729A，波形正弦度較好。通道1為補(bǔ)償后的電網(wǎng)電流，可見無功電流被完全補(bǔ)償。電網(wǎng)電流在補(bǔ)償后有一定波動(dòng)，這是因?yàn)殡娙莨袷茈娋W(wǎng)電壓畸變的影響，電容電流含有諧波成分，而SVG并不補(bǔ)償諧波電流。通道4的補(bǔ)償電流縮攏波形幅值包絡(luò)線光滑、沒有波動(dòng)現(xiàn)象，說明CAN總線的無功指令下發(fā)、接收正常，沒有導(dǎo)致補(bǔ)償電流跳變等異?，F(xiàn)象。

圖5 SVG裝置穩(wěn)態(tài)波形

圖6是1臺(tái)主控制器+1臺(tái)500kvar SVG模塊的聯(lián)調(diào)動(dòng)態(tài)波形，主控制器每 20ms下發(fā)一次無功指令，在負(fù)載突變時(shí)，系統(tǒng)需要兩個(gè)電網(wǎng)周期的過渡過程，然后重新進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。由于列車屬于大慣性系統(tǒng)，其進(jìn)、出站導(dǎo)致的無功變化時(shí)間尺度為秒級(jí)，所以SVG裝置40ms的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

圖7是2臺(tái)主控制器加1臺(tái)500kvar SVG模塊，進(jìn)行主控制器切換實(shí)驗(yàn)波形。為了方便觀察，將1#/2#主控的無功指令分別設(shè)定為 30和 40kvar。2臺(tái)主控同時(shí)下發(fā)無功指令的情況下，SVG模塊默認(rèn)采用 1#主控的指令，因此前半段波形顯示 SVG發(fā)出了30kvar的無功。然后切斷1#主控的指令輸出，SVG模塊立即采用2#主控的無功指令，輸出40kvar無功。整個(gè)過程非?？焖?，實(shí)現(xiàn)了無縫切換。

圖6 SVG裝置動(dòng)態(tài)波形

4.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

圖8是20kV/6Mvar SVG成套裝置的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果，采用Fluke435記錄了電網(wǎng)側(cè)有功、功率因數(shù)、SVG輸出無功的變化趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，列車出站的牽引加速過程持續(xù)約2min，電網(wǎng)側(cè)有功最大達(dá)到16MW。整個(gè)過程中，SVG成套裝置補(bǔ)償無功容量從6Mvar感性到2Mvar容性來回變化，保證了電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)一直保持在1附近，取得了良好的補(bǔ)償效果。

圖8 SVG成套裝置現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果

圖9是SVG成套裝置內(nèi)部無功補(bǔ)償模塊容量分配情況，成套裝置運(yùn)行總?cè)萘?.64Mvar。正常情況下，14臺(tái) SVG模塊一起運(yùn)行，每臺(tái)模塊均分容量403kvar。當(dāng)1臺(tái)模塊停機(jī)時(shí)，主控制器調(diào)整均流系數(shù)，剩下的13臺(tái)模塊均分5.64Mvar的總?cè)萘?，每臺(tái)出力增加為432kvar，保證總補(bǔ)償容量不變。所以，采用14臺(tái)500kvar SVG模塊冗余并聯(lián)的設(shè)計(jì)方案有力地保證了成套裝置的持續(xù)滿負(fù)荷運(yùn)行能力，減少了無功罰款。

圖9 SVG成套裝置內(nèi)部無功補(bǔ)償模塊容量分配

5 結(jié)論

對(duì)于某城市軌道交通主牽引變20kV/6Mvar高可靠性動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償需求，本文提出了采用14臺(tái)400V/500kvar SVG模塊通過變壓器升壓并聯(lián)實(shí)現(xiàn)12+2冗余運(yùn)行。采用 CAN+485雙總線的主從控制架構(gòu)，通過485總線傳輸慢速的狀態(tài)信息，將CAN總線解放出來專門負(fù)責(zé)無功指令的快速下發(fā)，保證成套裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。2臺(tái)主控制器互為備份，消除單點(diǎn)故障源。SVG模塊采用賽米控第四代智能功率模塊SkiiP4作為主功率器件，提高疲勞壽命的總體設(shè)計(jì)方案。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果證明了本文提出方案的有效性，能夠代替國(guó)外進(jìn)口設(shè)備。

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