具有冗余運行能力的高可靠性城市軌道交通20kV/6Mvar動態(tài)無功補償成套裝置的研制

仇志凌 萬里強 張 明 芮國強

（南京亞派科技股份有限公司，南京 210032）

某城市軌道交通牽引變電所采用 20kV/6Mvar SVG進行主牽引變壓器的快速動態(tài)無功補償[1-2]。由于列車頻繁起/停，無功快速變化，對 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外動補裝置在頻繁的循環(huán)沖擊下，裝置內(nèi)部 IGBT模塊運行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400V/500kvar SVG模塊通過變壓器升壓并聯(lián)實現(xiàn)冗余運行，任意2臺SVG模塊損壞，整套裝置仍然能夠保證6Mvar無功補償容量。采用CAN+485雙總線的主從控制架構(gòu)，CAN總線實現(xiàn)主控向SVG模塊的無功指令實時下發(fā)，485總線負責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 0.4/20kV 4000kvar升壓變壓器、14臺 0.4kV/500kvar SVG模塊，每臺變壓器低壓側(cè)并聯(lián)7臺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SVG模塊故障，成套裝置仍然能夠進行滿容量6Mvar無功補償，避免無功罰款。并且，由于SVG模塊工作于低壓 0.4kV，易于實現(xiàn)成套裝置不停機的故障模塊維修。在14臺SVG模塊都正常的情況下，每臺模塊只需要出力428kvar，降低了負荷率，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、降低負荷率。

與現(xiàn)在流行的H橋級聯(lián)方案[3-4]相比，后者可以實現(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，并且載波移相級聯(lián)能夠降低 IGBT開關(guān)頻率，減小開關(guān)損耗。但是，級聯(lián)方案是串聯(lián)結(jié)構(gòu)，不如并聯(lián)方案容易實現(xiàn)真正的冗余運行。并且，級聯(lián)方案中的H橋鏈接單元處于高電位上，難以實現(xiàn)類似于低壓并聯(lián)方案的成套裝置不停機故障模塊維修。尤為重要的是，現(xiàn)有級聯(lián)方案為了控制成本大多采用1700V基于銅基板的工業(yè)級IGBT，無法保證周期性沖擊負荷下的裝置循環(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在于，如何保證多臺SVG模塊無功電流的采樣精度。傳統(tǒng)方案采用負載電流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，整個系統(tǒng)由2臺主控制器、工控機、14臺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臺主控制器和14臺SVG模塊的底層控制器都對 20kV系統(tǒng)電壓進行鎖相，獲得相同的相位參考信號；②2臺主控制器同時采集三相負載電流，并將其從ABC坐標系轉(zhuǎn)換到dq旋轉(zhuǎn)坐標系中，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臺主控制器將負載 q軸電流指令除以實際運行的SVG模塊數(shù)量后（實現(xiàn)SVG模塊容量均分和冗余運行），通過 CAN總線以廣播模式向 14臺SVG模塊的底層控制器下發(fā)。由于是廣播下發(fā)，所以14臺SVG模塊的底層控制器可以同時接收到相同的無功指令；④14臺 SVG模塊的底層控制器同時接受2臺主控的負載q軸電流指令，在默認狀態(tài)下采用1#主控制器的指令。若任何一臺主控制器停止下發(fā)指令，則SVG模塊采用余下那臺控制器的指令。這樣，整個控制系統(tǒng)就有1+1冗余能力，消除了單點故障隱患；⑤14臺 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)坐標系下進行輸出補償電流閉環(huán)控制，控制環(huán)的動態(tài)響應(yīng)特性相同，在指令電流和鎖相基準都相同的條件下，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態(tài)響應(yīng)速度，CAN總線專職負責下發(fā)q軸電流指令，盡可能提高指令更新頻率。

工控機是成套裝置的人機界面，負責各種命令的下發(fā)、狀態(tài)信息以及電氣量的顯示。2臺主控制器通過232總線上傳自身狀態(tài)。14臺SVG模塊的底層控制器通過485總線接收工控機下發(fā)的起、停指令、保護閾值，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、遙測信息數(shù)據(jù)量比較大，但對實時性要求不高，所以采用485總線進行慢速傳輸。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)計的思路，對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)成完整的獨立補償單元，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。標準的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、大負荷運行的情況下，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[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]。由于銀的熔點為 962℃，遠高于錫的220℃～250℃，因此能夠極大地提高結(jié)合面強度。

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)電感對高頻電流進行阻抗分流，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。對于三相平衡無功補償，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，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，是合理的選擇[11]。

4 實驗結(jié)果

4.1 廠內(nèi)測試

圖5是1臺主控制器+1臺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模塊進行補償輸出。通道4是SVG模塊的滿載補償電流波形，有效值 729A，波形正弦度較好。通道1為補償后的電網(wǎng)電流，可見無功電流被完全補償。電網(wǎng)電流在補償后有一定波動，這是因為電容柜受電網(wǎng)電壓畸變的影響，電容電流含有諧波成分，而SVG并不補償諧波電流。通道4的補償電流縮攏波形幅值包絡(luò)線光滑、沒有波動現(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臺主控制器+1臺500kvar SVG模塊的聯(lián)調(diào)動態(tài)波形，主控制器每 20ms下發(fā)一次無功指令，在負載突變時，系統(tǒng)需要兩個電網(wǎng)周期的過渡過程，然后重新進入穩(wěn)態(tài)。由于列車屬于大慣性系統(tǒng)，其進、出站導(dǎo)致的無功變化時間尺度為秒級，所以SVG裝置40ms的動態(tài)響應(yīng)時間能夠滿足實際應(yīng)用需求。

圖7是2臺主控制器加1臺500kvar SVG模塊，進行主控制器切換實驗波形。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臺主控同時下發(fā)無功指令的情況下，SVG模塊默認采用 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。整個過程非常快速，實現(xiàn)了無縫切換。

圖6 SVG裝置動態(tài)波形

4.2 現(xiàn)場測試

圖8是20kV/6Mvar SVG成套裝置的現(xiàn)場運行結(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。實驗結(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)有功最大達到16MW。整個過程中，SVG成套裝置補償無功容量從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，取得了良好的補償效果。

圖8 SVG成套裝置現(xiàn)場運行結(jié)果

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

圖9 SVG成套裝置內(nèi)部無功補償模塊容量分配

5 結(jié)論

對于某城市軌道交通主牽引變20kV/6Mvar高可靠性動態(tài)無功補償需求，本文提出了采用14臺400V/500kvar SVG模塊通過變壓器升壓并聯(lián)實現(xiàn)12+2冗余運行。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責無功指令的快速下發(fā)，保證成套裝置的動態(tài)響應(yīng)。2臺主控制器互為備份，消除單點故障源。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)計方案。

現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果證明了本文提出方案的有效性，能夠代替國外進口設(shè)備。

參考文獻

[1] 鐘駿. 淺議動態(tài)無功補償裝置SVG在地鐵供電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 鐵道勘測與設(shè)計, 2009(3): 84-86.

[2] 焦劼. 地鐵供電系統(tǒng) SVG裝置的應(yīng)用[J]. 遼寧科技大學學報, 2013, 36(1): 43-47.

[3] 劉國輝. 應(yīng)用于配電網(wǎng)的 STATCOM 電壓與無功功率綜合控制方法[J]. 電氣技術(shù), 2017, 18(2): 70-73.

[4] 鄭建新. 一種靜止無功發(fā)生器(SVG)的容量擴展方法和裝置[J]. 電氣技術(shù), 2014, 15(3): 75-78.

[5] Nishimura Y. 高可靠性IGBT模塊封裝的設(shè)計[J]. 電力電子, 2010(4): 62-66.

[6] 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[J]. 華北電力大學(北京),2016.

[7] 梅云輝. 納米銀焊膏雙面連接 IGBT封裝形式的強度[J]. 機械強度, 2014(3): 352-356.

[8] 張東江. 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)學報, 2011, 26(6):137-143.

[9] 趙國鵬. 基于電流環(huán)相位裕度和補償特性的靜止無功發(fā)生器低通濾波器與調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計方法[J]. 電工技術(shù)學報, 2015, 30(18): 147-156.

[10] 蔡紀鶴, 李蓓, 張永春. 基于SVPWM的光伏無功控制研究[J]. 電工技術(shù)學報, 2016, 31(24): 233-239.

[11] 王曉東. 直流金屬化薄膜電容器在大功率變流器中的研究[M]. 北京郵電大學, 2014.