仇志凌，万里强，张 明，芮国强

（南京亚派科技股份有限公司，江苏南京 210032）

0 引言

近年来城市轨道交通得到了极大的发展，动态无功补偿装置（SVG）以其快速的动态响应、较高的补偿精度，在城市轨道交通主牵引变压器、风机启动无功补偿等场合得到了成功应用[1-3]。城市轨道交通运营的特殊性对 SVG 装置的可靠性有极高要求，并且由于列车频繁启停，无功快速变化，对 SVG 的循环寿命是极大的考验。

为此，提出了采用赛米控第 4 代智能功率模块SKiiP4 作为主功率器件，提高疲劳寿命、可靠性，并能够提供详细的事件信息，利于故障排查；采用 LCL 滤波器，在保证开关纹波滤除效果的前提下，减小电感量，并结合空间矢量调制，降低直流母线电压，减小主功率器件的开关损耗和温升；采用薄膜电容提高直流母线电容寿命；采用数字控制一拍延时实现 LCL 滤波器的无阻尼电阻电流单环控制，在不增加控制环复杂程度的前提下，彻底消除了阻尼电阻过温损坏的隐患。

仿真和实验结果证明了该方案的有效性。

图 1 SVG 基本结构

1 SVG 装置总体电路结构

SVG 装置基本结构如图 1 所示，包括三相电压源逆变器（VSC）、LCL 滤波器和控制保护单元。其基本原理是控制器实时检测负载电流中的无功成分，该电流作为指令去控制 SVG 产生分幅值相同、相位相反的电流，这样电网中就只含有有功成分。

2 主功率器件选型

采用 1 200 V/2 400 A 的赛米控 SKiiP4 模块。传统IGBT 模块由硅片、陶瓷绝缘基板（DCB，通常为氧化铝）、模块基板（通常为铜）3层材料焊接而成（图2）。在 IGBT 模块周期间歇性、大负荷运行的情况下，由于 3 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[4]。

图 2 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[5]，避免了疲劳寿命问题。针对硅片和 DCB 之间的焊接面龟裂问题，SKiiP4 采用烧结取代了传统的焊接[6]。传统的功率模块中，芯片和敷铜 DCB 板之间采用锡焊。由于锡焊焊点温度只有 220～250 ℃，而芯片工作结温超过 100 ℃，这就会降低焊接层的机械强度，进而降低焊接层疲劳寿命。烧结工艺采用银粉作为界面材料，银在常压下熔点为 962 ℃，这极大提高了疲劳寿命。

传统 IGBT 驱动板只有短路、驱动电源欠压等很少的几种保护功能，且不能区分上报故障类型，这对设备故障定位、分析、维护都带来了极大不便。SKiiP4 采用数字控制，具有完善的故障保护功能且能够分别上报：DCB温度超限、环境温度超限、内部 15 V 电源欠压、内部二次侧电源故障、电流传感器故障、下管故障、上管故障、下管输入信号振荡、上管输入信号振荡、过流、直流母线过压等。SKiiP4 还能够上传模拟量：DCB 温度、直流母线电压、输出电流等。

SKiiP4 的上述状态和模拟量信息通过 CAN 总线输出。SVG 装置控制器采用 TI28335 控制芯片，该芯片具有 2 个 CAN 接口，1 个负责和上位机通信，1 个专门和装置内部的 3 只 SKiiP4 模块通信，接收它们的状态信息。这为装置运行状态的监控提供了极大的便利。

500 kvar / 380 V SVG 装置的额定有效电流为760 A，峰值电流 1 074 A，采用 1 200 V/2 400 A 的模块，电压、电流余量足够。其结温通过赛米控的 semisel仿真软件，在 700 V 直流母线电压、3 kHz 开关频率、额定输出电流下，IGBT、二极管芯片结温分别为 101 ℃、102 ℃。第 4 代功率半导体芯片的最高结温是 175 ℃，最高连续工作结温是 150 ℃，因此，有较大的余量，有利于延长器件寿命。

3 LCL 滤波器设计

在 LCL 滤波器的设计过程中，除了要满足高频开关纹波电流的滤波效果，滤波电感量也必须进行严格限制。SVG 的电感压降和电网电压是线性叠加关系，过大的电感量需要较高的直流母线电压，才能保证 SVG 工作在线性调制区。同时，LCL 滤波器的基本原理是滤波电容和网侧电感对高频电流进行阻抗分流，因此，必须保证分流效果。这样，从限制滤波电感量和保证高频电流分流效果这两点出发[7]，可以得到以下设计步骤。

3.1 确定总滤波电感量

对于基波无功电流，LCL 滤波器的滤波电容相当于开路，电路可以简化为图 3a 所示的等效电路，图 3a 中的L代表L1和L2的总滤波电感。图 3b 为并网变流器在整流、吸收滞后无功状态下工作的电压、电流相量图。

令Is为电网电流有效值，UL为电感电压有效值，ULd为电感电压有效值的d轴分量，ULq为电感电压有效值的q轴分量，Us为电网相电压有效值，Ui为逆变桥交流相电压有效值，φ为电网电压相量Us和电网电流相量的功率因数角。

逆变桥输出电压和电网电压、电感压降的关系为：

式（1）中ω为电网角频率，若φ= -90°，并网变流器向电网注入滞后无功，Ui最大，为：

图 3 逆变桥输出电压

对于额定电压 1 200 V 的 SKiiP4 模块，设定直流母线电压Udc= 700 V 较为合理，采用空间矢量调制（Space Vector Modulation）的三相三线电压型 PWM 逆变桥输出的最大交流相电压有效值为：

考虑电网 7% 过压，为保证三相 VSC 逆变器工作在线形调制区，滤波电感电压最大为：

在 500 kvar 无功电流下，滤波电感量最大为：

图 4 LCL 滤波器输出电流和频谱

考虑到死区造成的输出电压损失以及电流动态过程中需要的电压余量，取滤波电感量L= 0.18 mH。

3.2 确定 L1 和 L2 的电感量

L1和L2均分总滤波电感量可以得到最佳的滤波效果。考虑到太小的L1将承担较大的高频纹波电流，导致较高的噪声和损耗，因此，逆变器侧和网侧电感分别取值为L1= 0.12 mH、L2= 0.06 mH。

3.3 确定滤波电容 C

要保证滤波电容对高频纹波电流的旁路效果，容抗XC必须小于网侧电感感抗XL2的 20%。开关频率为fSW= 3 kHz，则滤波电容设计为C= 250 μF，容抗XC和网侧电感感抗XL2的比值为 18.8 %，能够满足要求。

设计的 LCL 滤波器输出电流和频谱如图 4所示，可见 3 kHz 及其倍频次纹波电流含量很小，具有很好的高频滤波效果。图 4 中THD为谐波总畸变率。

4 直流母线电容设计

对于三相平衡系统，无功功率交换在三相之间进行，直流母线电容只需吸收 3 kHz 开关频率及其倍频纹波电流，通过 Matlab 仿真可以得出 SVG 装置的总直流纹波电流有效值为 360 A。基于高频、大电流的特点，采用金属化薄膜电容作为直流母线电容比较合适。薄膜电容比传统的电解电容载流能力强、无需串联、能够自愈，且不存在电解液分解问题，可靠性高、寿命长，在电力机车牵引变流器中得到了广泛应用[8]。其缺点是单位体积容值密度较低，但由于不需要串联，其体积大的缺陷可以得到部分弥补。

考虑到可靠性，采用进口 epcos 的 480 uF/880 V 薄膜电容。采用18只电容并联，每只电容承担 20 A 电流。该电容的数据手册显示其额定电流是 50 A，承担 20 A 电流余量较为充足。18 只电容分为 3 组，每组 6 只，3 组电容与三相 SKiiP4 就近安装，以减小直流回路等效电感和IGBT 关断电压尖峰，提高主功率模块的工作可靠性。

图 5 SVG 装置控制框图

图 6 校正前后 LCL 滤波器波特图

5 基于数字一拍延时的双闭环控制策略

SVG 装置采用在d、q坐标系下的电压、电流双闭环控制策略（图5）。在d、q坐标系下，三相交流量转变为二相直流量，采用 PI 控制器能够实现无静差控制。q轴电流环负责无功电流的闭环控制；直流稳压环和d轴电流环构成双环结构，负责直流母线电压的稳定。

d、q轴电流环的结构类似，都采用数字控制一拍延时结合 PI 控制器，进行 LCL 滤波器的闭环稳定控制[9]，校正前、后的开环频率特性如图 6 所示。数字控制一拍延时引入相移，使得开环相角曲线-180°穿越频率从1.6 kHz 降低到 987 Hz，通过 PI 控制器比例系数的合理选取，将该频率点处的增益校正为 -6.02 dB，这样开环传递函数不包围临界点（-1，j0），从而闭环稳定。PI 控制的积分负责提高稳态精度，在 9.02 Hz 以下的低频段，由于积分作用，校正后的开环增益大于校正前，对于直流成分理论上可以提供无穷大增益，能够实现无静差。这种 LCL 滤波器电流闭环控制方法相比传统无源阻尼方案，能够彻底取消阻尼电阻，消除了其发热损坏的隐患；相比有源阻尼方案，不需要增加电容电流传感器，控制环结构简单、可靠性高。

d、q轴电流环的输出叠加电网电压前馈量后，进行空间矢量脉宽调制（SVPWM），得到 6 路 PWM 信号，控制 SKiiP4 模块进行开关动作，输出需要的无功补偿电流。SVPWM 的基本原理如图 7 所示，三相逆变桥 6 只主功率管的各种开关状态组合对应着 6 种有效矢量和 2 种零矢量（括号中数字为三相桥臂开关模态，1 和 0 分别代表上管的通、断），三相合成旋转电压矢量可以通过合理选择 2 种有效矢量、1 种零矢量及其作用时间进行合成，这样就实现了SVG装置的PWM 控制。SVPWM 调制相比正弦脉宽调制（SPWM）的优势在于，正弦调制量u**叠加零序三角波uz后，得到的马鞍波形u*幅值被拉低，拓展了线性工作范围，使得逆变电压输出能力提高了 15.4%[10]，有利于降低 SVG装置的直流母线电压和开关损耗。

图 7 空间矢量脉宽调制基本原理

图 8 突加负载仿真波形

图 9 LCL 滤波器电流波形

6 仿真结果

针对 500 kvar SVG 装置 LCL参数和闭环控制参数，通过系统建模进行了 Matlab 仿真设计。如图 8突加负载仿真波形显示，在 0.02 s SVG 装置投入补偿，经过 4 ms 补偿电流进入稳态，动态过程较快，且振荡不明显。电网电流在补偿前有明显的相位滞后，补偿后和电网电压的相位差消失。这说明设计的500 kvar SVG 装置具有较好的动、静态补偿效果。

如图 9 所示，LCL 滤波器电流波形显示出，逆变器电流中除了基波成分外，还含有较多的开关频率纹波成分。这些高频纹波经过网侧电感和交流电容分流后，基本上都流入了交流电容，流入电网的电流是比较干净的基波。说明设计的LCL 滤波器达到了预期的滤波效果，各元件电流波形与理论分析吻合，滤波器设计合理。

图 10 为调制波波形，马鞍形波形是 SVPWM 调制的典型波形。在突加负载后，调制波幅值明显增大，这正说明了输出无功电流在滤波电感上产生了压降，所以，逆变输出电压增加了。同时可以看出，在满载后调制波并没有达到最大幅值，还有一定余量，这些余量可以应对实际电网可能出现的过压工况。

7 实验结果

对研制的 500 kvar SVG 装置进行了实验。图11 为补偿电容柜负载的稳态波形，图 11 中：通道 1 为 SVG 装置的满载补偿电流波形，有效值 740 A，波形正弦度较好；通道 2 是电容柜电流，受电网电压畸变的影响，电容电流含有谐波成分；通道 3 为补偿后的电网电流，可见无功电流被完全补偿，残留的是谐波电流成分；通道 4 为 SVG 装置的直流母线电压，波动较小。

图 12 是 SVG 装置的 SKiiP4 事件显示界面，装置的 3 只 SKiiP4 模块事件能够分别显示，每只 SKiiP4 模块的事件采用 16 bit 二进制位表示，每 1 位代表一种事件，空白圆圈表示没发生，黑圆圈代表有事件发生。

图 10 调制波波形

图 11 SVG 装置满载稳态波形

图 12 SVG 装置的 SKiiP4 事件显示界面

8 结论

对于应用于城市轨道交通的高可靠性 500 kvar SVG装置，本文提出了采用赛米控第 4 代智能功率模块 SKiiP4 作为主功率器件，以提高疲劳寿命，并能够提供详细的事件信息，利于故障排查；采用 LCL 滤波器减小滤波电感量，结合 SVPWM，降低直流母线电压、减小开关损耗；采用薄膜电容提高直流母线电容寿命；采用数字控制一拍延时实现 LCL 滤波器的无阻尼电阻电流单环控制，彻底消除了阻尼电阻过温损坏的隐患。仿真和实验结果说明，该方案是正确、有效的。

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