具有冗余运行能力的高可靠性城市轨道交通20kV/6Mvar动态无功补偿成套装置的研制
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南京亚派科技股份有限公司的研究人员仇志凌、万里强等，在2018年第5期《电气技术》杂志上撰文,针对某城市轨道交通20kV/6Mvar长寿命、高可靠性动态无功补偿应用需求，本文提出了采用14台400V/500kvar SVG模块通过变压器升压并联实现冗余运行，采用CAN+485双总线的主从控制架构实现无功指令的实时下发，主控制器1+1冗余，SVG模块采用智能功率模块提高寿命的总体设计方案。
现场应用结果表明，本文提出的主功率和控制系统架构是有效的，成套装置能够满足设计要求。
某城市轨道交通牵引变电所采用20kV/6Mvar SVG进行主牵引变压器的快速动态无功补偿[1-2]。由于列车频繁起/停，无功快速变化，对SVG的循环寿命提出了很高的要求。该牵引所之前采用的国外动补装置在频繁的循环冲击下，装置内部IGBT模块运行2年左右就开始陆续损坏，导致了高昂的维修成本和无功罚款。
为此，本文提出了采用14台400V/500kvar SVG模块通过变压器升压并联实现冗余运行，任意2台SVG模块损坏，整套装置仍然能够保证6Mvar无功补偿容量。采用CAN+485双总线的主从控制架构，CAN总线实现主控向SVG模块的无功指令实时下发，485总线负责SVG模块向主控上传状态、模拟量信息。
主控制器1+1冗余，消除单点故障。SVG模块采用赛米控第四代智能功率模块SkiiP4作为主功率器件，提高疲劳寿命、可靠性的总体设计方案。
1 SVG成套装置主电路结构
SVG成套装置主电路结构如图1所示，包括2台0.4/20kV4000kvar升压变压器、14台0.4kV/500kvar SVG模块，每台变压器低压侧并联7台SVG模块。这种并联升压方案能够实现12+2冗余，任意2台SVG模块故障，成套装置仍然能够进行满容量6Mvar无功补偿，避免无功罚款。
并且，由于SVG模块工作于低压0.4kV，易于实现成套装置不停机的故障模块维修。在14台SVG模块都正常的情况下，每台模块只需要出力428kvar，降低了负荷率，提高了寿命和可靠性。采用4000kvar升压变压器同样是为了增加余量、降低负荷率。
与现在流行的H桥级联方案[3-4]相比，后者可以实现无变压器直接接入20kV电网，能够减小成套装置体积、成本，消除变压器损耗，并且载波移相级联能够降低IGBT开关频率，减小开关损耗。但是，级联方案是串联结构，不如并联方案容易实现真正的冗余运行。
并且，级联方案中的H桥链接单元处于高电位上，难以实现类似于低压并联方案的成套装置不停机故障模块维修。尤为重要的是，现有级联方案为了控制成本大多采用1700V基于铜基板的工业级IGBT，无法保证周期性冲击负荷下的装置循环寿命。所以，基于可靠性考虑，本成套装置采用低压并联升压方案。
图1 SVG成套装置主电路结构
2 控制系统架构
采用低压并联升压方案最大的难点在于，如何保证多台SVG模块无功电流的采样精度。传统方案采用负载电流CT二次侧并联或串联的方式，向SVG模块内部控制器提供电流信息，这在SVG模块数量较少的情况下是有效的。
但在模块数量较多的情况下，受到负载电流CT容量的限制，采样精度无法得到保证。因此，本文采用主从控制架构通过数据总线传输无功电流信息。
SVG成套装置控制系统架构如图2（a）所示，整个系统由2台主控制器、工控机、14台SVG模块的底层控制器组成。闭环控制系统框图如图2（b）所示：
①2台主控制器和14台SVG模块的底层控制器都对20kV系统电压进行锁相，获得相同的相位参考信号；
②2台主控制器同时采集三相负载电流，并将其从ABC坐标系转换到dq旋转坐标系中，q轴电流就是需要的无功电流指令。最为关键的是，q轴电流在稳定状态下是直流量，不需要很高的指令下发频率，就能保证SVG模块输出正弦的无功电流；
③2台主控制器将负载q轴电流指令除以实际运行的SVG模块数量后（实现SVG模块容量均分和冗余运行），通过CAN总线以广播模式向14台SVG模块的底层控制器下发。由于是广播下发，所以14台SVG模块的底层控制器可以同时接收到相同的无功指令；
④14台SVG模块的底层控制器同时接受2台主控的负载q轴电流指令，在默认状态下采用1#主控制器的指令。若任何一台主控制器停止下发指令，则SVG模块采用余下那台控制器的指令。这样，整个控制系统就有1+1冗余能力，消除了单点故障隐患；
⑤14台SVG模块的底层控制器根据接收到的q轴电流指令，各自在dq旋转坐标系下进行输出补偿电流闭环控制，控制环的动态响应特性相同，在指令电流和锁相基准都相同的条件下，各自输出的无功电流也是相同的，最终保证了同步性和容量均分。
这种传递q轴直流指令的主从控制方式，相比交流量传输可以大为降低指令下发更新频率，因此不需要采用特殊的高速总线，降低了技术复杂性。为了保证成套装置的动态响应速度，CAN总线专职负责下发q轴电流指令，尽可能提高指令更新频率。
工控机是成套装置的人机界面，负责各种命令的下发、状态信息以及电气量的显示。2台主控制器通过232总线上传自身状态。14台SVG模块的底层控制器通过485总线接收工控机下发的起、停指令、保护阈值，上传各种状态/故障信息、电压/电流模拟量。
成套装置的遥控、遥测信息数据量比较大，但对实时性要求不高，所以采用485总线进行慢速传输。这就可以将CAN总线解放出来专门传输无功电流指令，提高装置动态响应速度。这样，CAN+485双总线架构保证了成套装置较好的综合性能。
（a）控制系统架构
（b）闭环控制系统框图
图2 成套装置控制原理
3 500kvar SVG模块
成套装置的SVG模块，按照模块化设计的思路，对每面柜体分别安装有接触器、主功率器件、输出LCL滤波器、直流母线电容、底层控制器、电压/电流霍尔传感器，构成完整的独立补偿单元，如图3所示。
SVG模块的循环寿命和可靠性很大程度上取决于主功率模块本身的寿命，为此选用了1200V/2400A的赛米控SkiiP4模块。标准的IGBT模块由硅片、陶瓷绝缘基板（DCB）、模块基板（材料通常为铜）3层材料焊接而成。
在IGBT模块周期间歇性、大负荷运行的情况下，由于三层材料热胀冷缩系数不同，导致模块基板和DCB间产生机械应力，长期运行后两者的焊接面产生龟裂，最终导致模块损坏[5]。
图3 SVG模块主电路原理图
图4 IGBT模块内部结构
针对DCB和模块基板之间的焊接面龟裂问题，赛米控SkiiP4模块去除了铜基板，并采用了压接方式[6]，避免了疲劳寿命问题。对于硅片和DCB之间的焊接面疲劳问题，SkiiP4采用银烧结取代了传统的锡焊接[7]。由于银的熔点为962℃，远高于锡的220℃～250℃，因此能够极大地提高结合面强度。
SVG模块采用LCL滤波器滤除开关纹波。LCL滤波器通过增加滤波电容和网侧电感对高频电流进行阻抗分流，相比单电感滤波器能够在保证同样纹波滤除效果的情况下，极大地减小滤波电感量[8-9]。
而在无功补偿中，电感压降和电网电压是线性叠加关系，减小滤波电量可以有效降低需要的直流母线电压，减小IGBT的开关损耗和电压应力，提高可靠性。并且，采用了SVPWM调制[10]，相比传统SPWM调制能够将直流母线电压利用率提高15.4%，能够进一步降低直流母线电压。
直流母线电容采用金属化薄膜电容。对于三相平衡无功补偿，直流母线电容只需吸收开关频率及其倍频纹波电流，不存在低频成分，对电容量要求不高，只需满足电流有效值要求。薄膜电容相比传统的电解电容具有载流能力强，无需串联，能够自愈，不存在电解液分解问题，可靠性高，寿命长，是合理的选择[11]。
4 实验结果
4.1 厂内测试
图5是1台主控制器+1台500kvar SVG模块的联调稳态波形，主控制器采样电容柜电流，提取出q轴无功电流后通过CAN总线向500kvarSVG模块下发无功指令，SVG模块进行补偿输出。通道4是SVG模块的满载补偿电流波形，有效值729A，波形正弦度较好。通道1为补偿后的电网电流，可见无功电流被完全补偿。
电网电流在补偿后有一定波动，这是因为电容柜受电网电压畸变的影响，电容电流含有谐波成分，而SVG并不补偿谐波电流。通道4的补偿电流缩拢波形幅值包络线光滑、没有波动现象，说明CAN总线的无功指令下发、接收正常，没有导致补偿电流跳变等异常现象。
图5 SVG装置稳态波形
图6是1台主控制器+1台500kvar SVG模块的联调动态波形，主控制器每20ms下发一次无功指令，在负载突变时，系统需要两个电网周期的过渡过程，然后重新进入稳态。由于列车属于大惯性系统，其进、出站导致的无功变化时间尺度为秒级，所以SVG装置40ms的动态响应时间能够满足实际应用需求。
图7是2台主控制器加1台500kvar SVG模块，进行主控制器切换实验波形。为了方便观察，将1#/2#主控的无功指令分别设定为30和40kvar。2台主控同时下发无功指令的情况下，SVG模块默认
图6 SVG装置动态波形
图7 SVG装置2台主控制器切换动态波形
采用1#主控的指令，因此前半段波形显示SVG发出了30kvar的无功。然后切断1#主控的指令输出，SVG模块立即采用2#主控的无功指令，输出40kvar无功。整个过程非常快速，实现了无缝切换。
4.2 现场测试
图8是20kV/6MvarSVG成套装置的现场运行结果，采用Fluke435记录了电网侧有功、功率因数、SVG输出无功的变化趋势。实验结果显示，列车出站的牵引加速过程持续约2min，电网侧有功最大达到16MW。
整个过程中，SVG成套装置补偿无功容量从6Mvar感性到2Mvar容性来回变化，保证了电网侧功率因数一直保持在1附近，取得了良好的补偿效果。
（a）电网侧有功功率趋势
（b）电网侧功率因数趋势
（c）SVG成套装置补偿无功趋势
图8 SVG成套装置现场运行结果
图9是SVG成套装置内部无功补偿模块容量分配情况，成套装置运行总容量5.64Mvar。正常情况下，14台SVG模块一起运行，每台模块均分容量403kvar。当1台模块停机时，主控制器调整均流系数，剩下的13台模块均分5.64Mvar的总容量，每台出力增加为432kvar，保证总补偿容量不变。
所以，采用14台500kvarSVG模块冗余并联的设计方案有力地保证了成套装置的持续满负荷运行能力，减少了无功罚款。
图9 SVG成套装置内部无功补偿模块容量分配
5 结论
对于某城市轨道交通主牵引变20kV/6Mvar高可靠性动态无功补偿需求，本文提出了采用14台400V/ 500kvar SVG模块通过变压器升压并联实现12+2冗余运行。采用CAN+485双总线的主从控制架构，通过485总线传输慢速的状态信息，将CAN总线解放出来专门负责无功指令的快速下发，保证成套装置的动态响应。
2台主控制器互为备份，消除单点故障源。SVG模块采用赛米控第四代智能功率模块SkiiP4作为主功率器件，提高疲劳寿命的总体设计方案。现场应用结果证明了本文提出方案的有效性，能够代替国外进口设备。