具有冗余運行能力的高可靠性城市軌道交通20kV/6Mvar動態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沖擊下，裝置內部 IGBT模塊運行2年左右就開始陸續損壞，導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實現冗余運行，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，CAN總線實現主控向SVG模塊的無功指令實時下發，485總線負責SVG模塊向主控上傳狀態、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、可靠性的總體設計方案。

1 SVG成套裝置主電路結構

SVG成套裝置主電路結構如圖1所示，包括2臺 0.4/20kV 4000kvar升壓變壓器、14臺 0.4kV/500kvar SVG模塊，每臺變壓器低壓側并聯7臺SVG模塊。這種并聯升壓方案能夠實現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。

與現在流行的H橋級聯方案[3-4]相比，后者可以實現無變壓器直接接入 20kV電網，能夠減小成套裝置體積、成本，消除變壓器損耗，并且載波移相級聯能夠降低 IGBT開關頻率，減小開關損耗。但是，級聯方案是串聯結構，不如并聯方案容易實現真正的冗余運行。并且，級聯方案中的H橋鏈接單元處于高電位上，難以實現類似于低壓并聯方案的成套裝置不停機故障模塊維修。尤為重要的是，現有級聯方案為了控制成本大多采用1700V基于銅基板的工業級IGBT，無法保證周期性沖擊負荷下的裝置循環壽命。

所以，基于可靠性考慮，本成套裝置采用低壓并聯升壓方案。

圖1 SVG成套裝置主電路結構

2 控制系統架構

采用低壓并聯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。傳統方案采用負載電流CT二次側并聯或串聯的方式，向SVG模塊內部控制器提供電流信息，這在SVG模塊數量較少的情況下是有效的。但在模塊數量較多的情況下，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通過數據總線傳輸無功電流信息。

SVG成套裝置控制系統架構如圖2（a）所示，整個系統由2臺主控制器、工控機、14臺SVG模塊的底層控制器組成。閉環控制系統框圖如圖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坐標系轉換到dq旋轉坐標系中，q軸電流就是需要的無功電流指令。最為關鍵的是，q軸電流在穩定狀態下是直流量，不需要很高的指令下發頻率，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模塊數量后（實現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。由于是廣播下發，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，在默認狀態下采用1#主控制器的指令。若任何一臺主控制器停止下發指令，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接收到的q軸電流指令，各自在dq旋轉坐標系下進行輸出補償電流閉環控制，控制環的動態響應特性相同，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更新頻率，因此不需要采用特殊的高速總線，降低了技術復雜性。為了保證成套裝置的動態響應速度，CAN總線專職負責下發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、狀態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。14臺SVG模塊的底層控制器通過485總線接收工控機下發的起、停指令、保護閾值，上傳各種狀態/故障信息、電壓/電流模擬量。成套裝置的遙控、遙測信息數據量比較大，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，提高裝置動態響應速度。這樣，CAN+485雙總線架構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，構成完整的獨立補償單元，如圖3所示。

SVG模塊的循環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不同，導致模塊基板和DCB間產生機械應力，長期運行后兩者的焊接面產生龜裂，最終導致模塊損壞[5]。

圖3 SVG模塊主電路原理圖

圖4 IGBT模塊內部結構

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采用銀燒結取代了傳統的錫焊接[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合面強度。

SVG模塊采用LCL濾波器濾除開關紋波。LCL濾波器通過增加濾波電容和網側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，電感壓降和電網電壓是線性疊加關系，減小濾波電量可以有效降低需要的直流母線電壓，減小 IGBT的開關損耗和電壓應力，提高可靠性。并且，采用了 SVPWM 調制[10]，相比傳統SPWM 調制能夠將直流母線電壓利用率提高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。薄膜電容相比傳統的電解電容具有載流能力強，無需串聯，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 實驗結果

4.1 廠內測試

圖5是1臺主控制器+1臺500kvar SVG模塊的聯調穩態波形，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為補償后的電網電流，可見無功電流被完全補償。電網電流在補償后有一定波動，這是因為電容柜受電網電壓畸變的影響，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線光滑、沒有波動現象，說明CAN總線的無功指令下發、接收正常，沒有導致補償電流跳變等異常現象。

圖5 SVG裝置穩態波形

圖6是1臺主控制器+1臺500kvar SVG模塊的聯調動態波形，主控制器每 20ms下發一次無功指令，在負載突變時，系統需要兩個電網周期的過渡過程，然后重新進入穩態。由于列車屬于大慣性系統，其進、出站導致的無功變化時間尺度為秒級，所以SVG裝置40ms的動態響應時間能夠滿足實際應用需求。

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定為 30和 40kvar。2臺主控同時下發無功指令的情況下，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，實現了無縫切換。

圖6 SVG裝置動態波形

4.2 現場測試

圖8是20kV/6Mvar SVG成套裝置的現場運行結果，采用Fluke435記錄了電網側有功、功率因數、SVG輸出無功的變化趨勢。實驗結果顯示，列車出站的牽引加速過程持續約2min，電網側有功最大達到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，保證了電網側功率因數一直保持在1附近，取得了良好的補償效果。

圖8 SVG成套裝置現場運行結果

圖9是SVG成套裝置內部無功補償模塊容量分配情況，成套裝置運行總容量5.64Mvar。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，主控制器調整均流系數，剩下的13臺模塊均分5.64Mvar的總容量，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模塊冗余并聯的設計方案有力地保證了成套裝置的持續滿負荷運行能力，減少了無功罰款。

圖9 SVG成套裝置內部無功補償模塊容量分配

5 結論

對于某城市軌道交通主牽引變20kV/6Mvar高可靠性動態無功補償需求，本文提出了采用14臺400V/500kvar SVG模塊通過變壓器升壓并聯實現12+2冗余運行。采用 CAN+485雙總線的主從控制架構，通過485總線傳輸慢速的狀態信息，將CAN總線解放出來專門負責無功指令的快速下發，保證成套裝置的動態響應。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計方案。

現場應用結果證明了本文提出方案的有效性，能夠代替國外進口設備。

參考文獻

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