應用于城市軌道交通的 500 kvar動態(tài)無功補償裝置的研制

仇志凌，萬里強，張 明，芮國強

（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、較高的補償精度，在城市軌道交通主牽引變壓器、風機啟動無功補償?shù)葓龊系玫搅顺晒肹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)復雜程度的前提下，徹底消除了阻尼電阻過溫損壞的隱患。

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 濾波器和控制保護單元。其基本原理是控制器實時檢測負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、大負荷運行的情況下，由于 3 層材料熱脹冷縮系數(shù)不同，導致模塊基板和DCB 間產(chǎn)生機械應力，長期運行后兩者的焊接面產(chǎn)生龜裂，最終導致模塊損壞[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械強度，進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 個負責和上位機通信，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行嚴格限制。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?？紤]到太小的L1將承擔較大的高頻紋波電流，導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?；诟哳l、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、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，在電力機車牽引變流器中得到了廣泛應用[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 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 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坐標系下的電壓、電流雙閉環(huán)控制策略（圖5）。在d、q坐標系下，三相交流量轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘀绷髁?，采?PI 控制器能夠?qū)崿F(xiàn)無靜差控制。q軸電流環(huán)負責無功電流的閉環(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)，負責直流母線電壓的穩(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 控制的積分負責提高穩(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，進行空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM），得到 6 路 PWM 信號，控制 SKiiP4 模塊進行開關(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)建模進行了 Matlab 仿真設(shè)計。如圖 8突加負載仿真波形顯示，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 濾波器達到了預期的濾波效果，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)制波并沒有達到最大幅值，還有一定余量，這些余量可以應對實際電網(wǎng)可能出現(xiàn)的過壓工況。

7 實驗結(jié)果

對研制的 500 kvar SVG 裝置進行了實驗。圖11 為補償電容柜負載的穩(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損壞的隱患。仿真和實驗結(jié)果說明，該方案是正確、有效的。

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