高壓變頻技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

林堯 上海電氣集團股份有限公司中央研究院 (200070)

林堯（1986年~），男，本科，助理工程師，主要從事科研項目管理及集團產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究。

0 引 言

電機是國民經(jīng)濟中主要的耗電大戶，尤其是高壓大功率的更是尤為突出。我國的高壓電動機大部分為風(fēng)機、泵類負(fù)載，大多工作在高能耗、低效率狀態(tài)，具有很大的節(jié)能潛力。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和自動化程度的提高，采用高壓變頻器對風(fēng)機泵類負(fù)載進行速度控制，不但對改進工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量有好處，同時又是節(jié)能和設(shè)備經(jīng)濟運行的要求，是可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢。

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和電力價格長期不斷上漲的壓力，實現(xiàn)高壓電機的調(diào)速運行及優(yōu)化控制勢在必行，以前的可控硅整流、逆變等器件構(gòu)成的高壓變頻器諧波大，對電網(wǎng)和電機有沖擊，而隨著IGBT、IGCT等新型電力電子器件的不斷更新和應(yīng)用，已在很大程度上改善了諧波和對電網(wǎng)的影響，功率因數(shù)也得到了提高，原來一直難于解決的高壓問題，近年來通過器件串聯(lián)或單元串聯(lián)得到了很好的解決。因此，高壓變頻器的應(yīng)用規(guī)模在逐漸擴大，市場正處于一個高速增長的時期。

1 技術(shù)現(xiàn)狀及前景

1.1 高壓變頻器概念及其分類

高壓變頻器是隨著現(xiàn)代電力電子器件、電氣傳動技術(shù)的發(fā)展而逐步發(fā)展起來的一種高壓電機調(diào)速產(chǎn)品。按國際慣例和我國國家標(biāo)準(zhǔn)，額定電壓在l kV~10 kV的變頻器相應(yīng)稱為中壓變頻器和高壓變頻器。但通?？紤]到在這一電壓范圍內(nèi)的變頻器有著共同的特征，且習(xí)慣上也把額定電壓為3 kV或6 kV的電動機稱為“高壓電機”，因此，通常我們把驅(qū)動1 kV～10 kV交流電動機的變頻器稱之為高壓變頻器。

由于拖動的高壓設(shè)備各項性能指標(biāo)和應(yīng)用范圍不同，所以對功率器件和主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都有不同的要求，而且國內(nèi)外各變頻器廠商技術(shù)基礎(chǔ)不同，因此其分類方法也多種多樣。按照不同的分類方法，常見的高壓變頻器主要分類如表1所示。如根據(jù)高壓變頻器有無直流環(huán)節(jié),可以分為交-交變頻器和交-直-交變頻器，而根據(jù)直流環(huán)節(jié)濾波元件的不同又可以分為電流源型和電壓源型。交-交變頻器即工頻交流直接變換成頻率、電壓可調(diào)的交流，其缺點是輸出頻率低，只能用在一些低速、大容量的特殊場合。而交-直-交變頻器是先把工頻交流電通過整流變?yōu)橹绷鳎缓罄冒雽?dǎo)體器件通過逆變，將直流電變成電壓、頻率可調(diào)的交流電，其特點是直接輸出高壓，無需輸出變壓器，因此效率較高，且輸出頻率范圍寬，在工業(yè)電動系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛，目前市場上的產(chǎn)品也基本上屬于這種類型。

表1 高壓變頻器分類

1.2 高壓變頻器關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展

1.2.1 電力電子器件

對高壓變頻器而言，電力電子器件最關(guān)鍵的問題是解決耐壓問題，其次，電力電子器件的開關(guān)過渡過程、分布參數(shù)、信號及功率延時等特性決定了產(chǎn)品的性能。目前用于高壓變頻產(chǎn)品的電力電子主要有：IGBT、IGCT、GTO、GTR、SCR等，IGBT因其工作電壓較低，在多電平級聯(lián)式高壓變頻器中非常具有發(fā)展前景，用它作為主回路器件能改善輸出電流波形，減少諧波對電網(wǎng)的污染及減少系統(tǒng)和電動機的電應(yīng)力。目前，市面上幾乎所有的廠商都選用了IGBT作為其變頻器的功率元件，因此，目前乃至將來一段時間內(nèi)IGBT仍是生產(chǎn)高壓變頻器使用功率元件的首選。但新技術(shù)的發(fā)展日新月異，未來的大功率開關(guān)器件將向更高的阻斷電壓和更快的開關(guān)速度方向發(fā)展,為大容量電力電子裝置的發(fā)展提供更好的選擇。如日本東芝開發(fā)的IECT利用了電子注入增強效應(yīng)，吸取了IGBT和GTO兩者的優(yōu)點：低飽和壓降，寬安全工作區(qū)(吸收回路容量僅為GTO的1/10左右)，低柵極驅(qū)動功率(比GTO低兩個數(shù)量級)和較高的工作頻率，器件采用平板壓接式電極引出結(jié)構(gòu)，可靠性高，性能已經(jīng)達到4.5 kV/1500 A的水平,如圖1所示。因此，未來各類器件將形成相互競爭、不斷創(chuàng)新的技術(shù)市場。

圖1 東芝IECT

1.2.2 新型控制算法

高壓變頻既要處理巨大電能的轉(zhuǎn)換(整流、逆變)又要處理信息的收集、變換和傳輸，因此可分成功率和控制兩部分，功率部分要解決與高壓大電流有關(guān)的技術(shù)問題，而控制部分則要解決的軟硬件控制問題。其中，控制算法是高壓變頻裝置的核心技術(shù)，也是今后重點研究的對象。目前在高壓變頻裝置上,對電機的調(diào)速控制策略大都采用V/f恒定的控制方法,這種方法針對風(fēng)機、水泵等負(fù)載,已經(jīng)基本上能滿足調(diào)速控制的需要。隨著DSP和ASIC的快速發(fā)展，各種新型的控制算法的實現(xiàn)變得更加容易，矢量控制技術(shù)、無速度傳感器技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制等更優(yōu)性能的調(diào)速技術(shù)近年來也獲得了較大的發(fā)展。另外，自適應(yīng)技術(shù)、人工智能、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯等的研究也取得了可喜的進展，這些研究成果從不同的角度提出了各種仿照人的知識、思維進行控制的方法，統(tǒng)稱為智能控制，它的發(fā)展也給交流調(diào)速系統(tǒng)的控制策略帶來了新思想、新方法，使交流傳動系統(tǒng)的智能控制已成為當(dāng)前的一個研究熱點。

1.2.3 諧波抑制技術(shù)

高壓變頻器由于變換功率大，開關(guān)頻率一般比較小，因此，輸出諧波成分比較大，如果采用常規(guī)的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）和空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）技術(shù)都難以解決輸出諧波大的問題。輸出電壓諧波會對電機的運行產(chǎn)生一定程度的影響，造成電機的轉(zhuǎn)矩脈動，增加額外的損耗，而輸入諧波則會對電網(wǎng)產(chǎn)生影響。近年來，圍繞如何有效抑制、減少諧波電流，使電機的運行更加平穩(wěn)，而且減少損耗，在電路結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)等方面提出了許多不同的整流和逆變方案,形成了多樣化的大功率變頻技術(shù)。目前普遍采用多脈動整流、變壓器耦合輸出、多電平和單元級聯(lián)技術(shù)，形成了以多脈動整流拓?fù)浠蚨嚯娖酵負(fù)錇檩斎爰墶⒁宰儔浩黢詈陷敵龌蚨嚯娖捷敵鐾負(fù)錇檩敵黾壍拇蠊β首冾l器主電路。如美國羅賓康公司及我國利德華福等公司采用的單元串聯(lián)多電平技術(shù)，采用多組低電壓小功率IGBT，PWM變頻單元串聯(lián)輸出實現(xiàn)高壓大功率集成。由于采用的是功率單元進行串聯(lián)，如圖2所示，因此不存在元件之間的動態(tài)和靜態(tài)均壓問題，各變頻單元由一個多繞組的隔離變壓器供電，從技術(shù)上解決了一般6脈沖和12脈沖變頻器產(chǎn)生的諧波問題，可實現(xiàn)完美無諧波變頻。另外，一些新型的脈寬調(diào)制技術(shù)也在不斷的發(fā)展和研究中，如清華大學(xué)趙爭鳴等提出的混合PWM方法，即低頻時采用空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM），高頻時采用特定消諧（SHEPWM），避免了高頻時SVPWM諧波特性變差和SHEPWM在低頻時存儲量大的缺點，充分發(fā)揮了二者的優(yōu)點，使變頻器在整個工作范圍內(nèi)都可以有效抑制低次諧波，得到較好的輸出波形。

圖2 功率單元串聯(lián)多電平逆變

1.2.4 新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

高壓變頻技術(shù)發(fā)展至今，其主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是隨著電力電子器件的不斷創(chuàng)新開發(fā)而發(fā)展的，到目前為止還沒有像低壓變頻器那樣近乎統(tǒng)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。目前，以三電平方式和單元串聯(lián)多電平方式發(fā)展最為迅速，如圖3所示，為三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中，逆變橋由三個相單元組成，每個相單元有4個功率開關(guān)（S1U~S4U）構(gòu)成，VT1~VT4為續(xù)流二極管，D1~D2為鉗位二極管，直流濾波環(huán)節(jié)由兩組電容量相等的電容器構(gòu)成。多電平逆變器為高壓大容量化變頻調(diào)速提供了一種有效途徑，但隨著實際應(yīng)用和研究的不斷深入，上述的幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中均被發(fā)現(xiàn)有各自的不足之處。因此，新型的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制策略成為了目前多電平逆變器領(lǐng)域熱門的研究內(nèi)容，如近年來國內(nèi)外不少學(xué)者提出的通用箝位式多電平、層疊式多電平以及混合型多電平等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為高壓變頻器的研究發(fā)展提供了許多思路，相信隨著技術(shù)的發(fā)展，未來高壓變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將向低壓變頻器一樣趨于標(biāo)準(zhǔn)化，走向統(tǒng)一。

圖3 三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 國內(nèi)外高壓變頻產(chǎn)品發(fā)展情況

2.1 國外高壓變頻產(chǎn)品現(xiàn)狀

經(jīng)過多年的技術(shù)發(fā)展，目前國外各大品牌的變頻器生產(chǎn)商，均形成了系列化的產(chǎn)品，就總體競爭形勢而言，目前國內(nèi)變頻器市場外資品牌仍占主導(dǎo)地位并壟斷了高端市場，主要有美國羅克韋爾（AB）、羅賓康（ROBICON）、歐洲ABB、德國西門子、法國阿爾斯通、日本三菱、富士、東芝、日立等。圖4所示為西門子公司的SIMOVERT MV系列高壓變頻器，是進入我國較早的產(chǎn)品，它采用的是高—低—高方式，其核心的逆變器是采用高壓IGBT器件的三電平變頻器。圖5所示為法國阿爾斯通公司的ALSPA CDM6000系列高壓變頻器，它采用IGBT器件的飛跨電容四電平變頻器，可四象限運行，輸出波形較好，諧波含量和dv/dt較小，在冶金、礦山使用較多。

總體而言，外資品牌一般具有完善的工藝水平、產(chǎn)品的質(zhì)量好，可靠性較高，但同時價格也非常昂貴，現(xiàn)階段發(fā)展情況主要如下：

(1)技術(shù)開發(fā)起步早，產(chǎn)品相對比較成熟，具有相當(dāng)大的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)比較完備，能夠提供特大功率的變頻器，目前已超過10 000 kW。

(2)與變頻器相關(guān)的配套產(chǎn)業(yè)及行業(yè)初具規(guī)模，掌握了高壓變頻器生產(chǎn)中的一些核心關(guān)鍵部件如IGBT、IGCT、SGCT等功率部件的生產(chǎn)。

(3)行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗較豐富，產(chǎn)品在煤礦、冶金、石油化工、電力等各個行業(yè)中被廣泛應(yīng)用，并取得了顯著的經(jīng)濟效益。

(4)企業(yè)多數(shù)為跨國型大公司，多為綜合自動化供應(yīng)商，擁有多種自動化產(chǎn)品的品牌關(guān)聯(lián)效應(yīng)，這種關(guān)聯(lián)效應(yīng)還體現(xiàn)在譬如渠道等其他資源的共享上，對于該品牌的產(chǎn)品銷售有很好的推動作用。

圖4 西門子 SIMOVERT MV系列

圖5 阿爾斯通 ALSPA CDM6000

2.2 國內(nèi)高壓變頻產(chǎn)品現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)變頻器的企業(yè)以低壓產(chǎn)品為主，在高壓大功率變頻器方面，能夠研制、生產(chǎn)并提供服務(wù)的高壓變頻器廠商為數(shù)并不多。主要品牌有：北京利德華福電氣(已被施耐德收購)、廣州智光電氣、成都佳靈電氣等,如圖6、圖7所示。國內(nèi)企業(yè)經(jīng)過多年的努力，技術(shù)上逐漸縮短了與國外品牌間的距離，初步形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模，但由于技術(shù)起步晚，大部分企業(yè)產(chǎn)品應(yīng)用還局限于對性能要求不高的低端場合?？傮w而言，目前國內(nèi)高壓變頻器的品種和性能還處于發(fā)展階段，每年市場仍需大量進口，現(xiàn)階段發(fā)展情況主要如下：

(1)具有研發(fā)能力和產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的企業(yè)少，且在自動化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上相對比較單一，更多的是產(chǎn)品推廣的營銷策略，因此有一定劣勢。但是隨著本土品牌在市場的逐漸歷練成熟，產(chǎn)品推廣的營銷策略也正在向品牌推廣轉(zhuǎn)變。

(2)技術(shù)開發(fā)起步較晚，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還有待規(guī)范，生產(chǎn)工藝落后，勉強滿足變頻器產(chǎn)品的技術(shù)要求，通過不斷的改進，與發(fā)達國家的技術(shù)差距正在逐漸縮小。

(3)穩(wěn)定性及產(chǎn)品性能是目前各個廠商面臨的主要技術(shù)問題，因此在故障率、元器件質(zhì)量以及超大功率產(chǎn)品上還需進一步不斷改進，但是價格低廉是本土品牌的巨大優(yōu)勢。

(4)高壓變頻器中使用的功率半導(dǎo)體、驅(qū)動電路、DSP芯片等一些核心關(guān)鍵器件依舊完全依賴進口。

圖6 利德華福HARSVER系列

圖7 佳靈JC系列

3 結(jié) 語

傳統(tǒng)能源領(lǐng)域的大力節(jié)能是我國目前發(fā)展綠色經(jīng)濟的著重點，所以未來高壓變頻器市場非常大有可為，未來高壓變頻器將繼續(xù)朝著大功率、小型化、輕型化的方向發(fā)展。雖然目前我國變頻器配套產(chǎn)業(yè)的實力相對較弱，國內(nèi)產(chǎn)品牌無論在加工制造、工業(yè)設(shè)計等技術(shù)方面都與國外品牌存在一定差距，但隨著我國高壓變頻器產(chǎn)業(yè)在品牌、技術(shù)、人才、管理、服務(wù)等各方面的日趨成熟，自主研發(fā)能力的不斷加強，必將能打造一批綜合競爭力的企業(yè)，行業(yè)也將迎來更大的發(fā)展。

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