淺析用于直流配電系統(tǒng)的直流變壓器研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)

查燚+張延遲+顧永超+董賀賀

摘 要：直流變壓器是直流配電系統(tǒng)中的典型單元，其發(fā)展水平是影響直流配電發(fā)展的重要因素。簡(jiǎn)要敘述了直流變壓器的發(fā)展現(xiàn)狀，以期提高直流配電系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。結(jié)合直流配電系統(tǒng)的發(fā)展情況指出直流變壓器未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，從而為直流配電系統(tǒng)更深層次的研究奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：直流配電系統(tǒng)；配電安全；直流變壓器；磁耦合

中圖分類號(hào)：TM72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.15.084

直流變壓器是保證直流配電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。在直流配電網(wǎng)中，不能像交流變壓器那樣采用磁耦合的方式實(shí)現(xiàn)電壓變換，因此，必須基于電力電子技術(shù)，通過(guò)DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)直流電壓的變換和功率的雙向傳遞。隨著電力電子技術(shù)的大力發(fā)展，直流變壓技術(shù)已經(jīng)逐漸從實(shí)驗(yàn)階段走向了實(shí)際運(yùn)用階段，是國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目課題“基于柔性直流的智能配電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”的重點(diǎn)工作之一。

1 直流變壓器的研究現(xiàn)狀

在直流配電網(wǎng)中，直流變壓器（DC/DC變換器）不僅起到了變換電壓的作用，還可以實(shí)現(xiàn)高低壓配電母線之間的能量交互。DC/DC變換器主要分為隔離型和非隔離型。在直流配網(wǎng)中，為了實(shí)現(xiàn)不同電壓等級(jí)直流母線的電壓和功率轉(zhuǎn)換，直流變壓器必須具有電氣隔離功能。以美國(guó)弗吉尼亞電力電子中心FredC.Lee為首的學(xué)者系統(tǒng)地提出了直流變壓器的概念，直流變壓器在接近100%的等效占空比下工作，輸出省去了濾波電感，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。而它采用開(kāi)環(huán)控制，很容易實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，可以進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)頻率和功率密度。通常情況下，現(xiàn)有的功率變換技術(shù)是通過(guò)工頻變壓器實(shí)現(xiàn)電壓匹配和電氣隔離的，但是，由于工頻變壓器體積龐大、質(zhì)量笨重、損耗較大，很難實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的高功率密度和高效率。近年來(lái)，高頻變壓器取代了傳統(tǒng)的工頻變壓器，被普遍認(rèn)為是下一代功率變換的必然發(fā)展趨勢(shì)。事實(shí)上，在低壓小容量領(lǐng)域，DC/DC變換器已經(jīng)得到了比較廣泛的應(yīng)用，對(duì)于高頻隔離型DC/DC變換器也有了較多的研究文獻(xiàn)。但是，受電力電子半導(dǎo)體器件發(fā)展的限制，很少有文獻(xiàn)涉及中高壓大容量等級(jí)的高頻隔離DC/DC變換器。

基于雙主動(dòng)全橋的高頻隔離雙向DC/DC變換器（DAB-IBDC）具有功率密度高、模塊化對(duì)稱結(jié)構(gòu)、雙向功率傳輸能力、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)容易等優(yōu)點(diǎn)，使其成為了高頻隔離功率變換的核心電路，受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視。圖1對(duì)比了DAB-IBDC與傳統(tǒng)交流電力系統(tǒng)的基本工作原理。事實(shí)上，兩者均可以等效為2個(gè)交流源連接在電感兩端，通過(guò)調(diào)節(jié)2個(gè)交流源之間的相移來(lái)調(diào)節(jié)功率流動(dòng)的大小和方向。所不同的是，在傳統(tǒng)的交流電力系統(tǒng)中，交流源為工頻正弦波，而DAB-IBDC中為高頻方波。DAB-IBDC不僅實(shí)現(xiàn)了高低壓等級(jí)的變換，還實(shí)現(xiàn)了高低壓直流母線的電氣隔離和功率的雙向流動(dòng)。另外，使用高頻隔離變壓器還可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的功率密度和模塊化程度。獨(dú)立的DAB-IBDC單元可以作為一個(gè)最基本的直流變壓器單元，實(shí)現(xiàn)直流電壓的變換和功率的雙向傳遞等功能。對(duì)于需要更高電壓等級(jí)和更大容量的直流變壓器場(chǎng)合，可以采用DAB-IBDC為基本單元組合，從而構(gòu)建高壓大容量直流變壓器。

2 直流變壓器在直流配電網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)

直流變壓器被廣泛應(yīng)用于柔性直流配網(wǎng)中，而直流固態(tài)變壓器的功率密度和效率是非常關(guān)鍵的指標(biāo)。因?yàn)楸仨毑捎?0 kHz以上的高頻變換，所以，目前，IGBT等硅半導(dǎo)體器件的損耗比較大（目前效率通常在90%～92%左右），且需要較大的散熱設(shè)計(jì)。同時(shí)，高頻變壓器對(duì)轉(zhuǎn)換效率和密度的影響也非常大。在SiC器件快速發(fā)展的情況下，可以跟蹤相關(guān)半導(dǎo)體器件公司的最新研發(fā)進(jìn)展，采用最新的SiC半導(dǎo)體器件模塊，利用SiC器件的高性能實(shí)現(xiàn)高效率和高功率密度的直流電壓和功率轉(zhuǎn)換。此外，用高頻變壓器取代傳統(tǒng)的工頻變壓器被認(rèn)為是下一代功率變換的必然發(fā)展趨勢(shì)。而最新的納米非晶等鐵磁材料技術(shù)是實(shí)現(xiàn)直流固態(tài)變壓器的關(guān)鍵技術(shù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，直流配電網(wǎng)與直流變壓器已經(jīng)得到了各國(guó)研究者的普遍重視，一些機(jī)構(gòu)提出了各自的直流配電網(wǎng)概念和發(fā)展目標(biāo)，但還沒(méi)有較為系統(tǒng)的示范工程報(bào)道，尤其是在高壓大容量配電領(lǐng)域，關(guān)于柔性直流配電的研究還比較少。盡管如此，可以預(yù)見(jiàn)的是，在世界各國(guó)對(duì)節(jié)能減排和能源綜合利用需求不斷增長(zhǎng)的今天，隨著直流輸電、分布式電源、儲(chǔ)能和負(fù)荷的發(fā)展，直流配電網(wǎng)以其強(qiáng)大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)將會(huì)被廣泛應(yīng)用，有廣闊的發(fā)展前景，而它也必將會(huì)對(duì)人們的生產(chǎn)生活產(chǎn)生較大的影響。

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〔編輯：白潔〕

2.1 優(yōu)化浸礦工藝，改善稀土的浸出率

優(yōu)化浸礦工藝，改善稀土礦體中稀土的浸出率，從而提高稀土資源的利用率。由于離子型稀土礦形成地質(zhì)條件及成礦機(jī)理等存在不同，而就礦體本身而言，具有較大的差別，因此不同礦區(qū)，甚至同一礦區(qū)不同采點(diǎn)，其礦體特性均存在差異。如果采用同樣的浸出液配制方法（酸度、硫酸銨濃度）、注液方案和注液強(qiáng)度，可能得到差別較大的浸出率和開(kāi)采回收率。

優(yōu)化浸礦工藝，改善稀土的浸出率，具體可從以下3方面入手：①選擇合理的注液井密度與浸液方式，提高礦體稀土浸出率。應(yīng)根據(jù)每一個(gè)采點(diǎn)的實(shí)際地質(zhì)情況與成礦條件，比如礦體厚度、風(fēng)化程度、礦體滲透率及品位等條件，結(jié)合以往開(kāi)采所取得的開(kāi)采生產(chǎn)參數(shù)，合理布置采區(qū)注液井密度與浸液方式，以實(shí)現(xiàn)相對(duì)優(yōu)化的開(kāi)采注液及浸液方式，以提高礦體浸透率及稀土浸出率，進(jìn)而提高資源利用率。②通過(guò)采前浸礦實(shí)驗(yàn)優(yōu)化浸液參數(shù)，提高礦體中稀土的浸出率。由于各礦山及同一礦山不同區(qū)域的稀土礦在同一浸液參數(shù)下，浸出率仍存在差異，因此在采前應(yīng)進(jìn)行擬采點(diǎn)礦體的浸礦實(shí)驗(yàn)，通過(guò)模擬礦體的浸礦實(shí)驗(yàn)，調(diào)整優(yōu)化浸液參數(shù)（酸度及浸礦劑濃度），并在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中及時(shí)跟蹤母液的酸度及硫酸銨濃度，及時(shí)調(diào)整浸液參數(shù)，提高采點(diǎn)礦體中稀土的浸出率，從而提高資源利用率。③完成浸礦后，仍持續(xù)注液，回收殘留稀土與銨根離子，減少殘留銨根離子對(duì)采區(qū)地下水污染的同時(shí)提高稀土與硫酸銨的利用率。在完成稀土礦開(kāi)采，采區(qū)母液稀土濃度下降到臨界值后，仍持續(xù)注入一段時(shí)間液體（主要為新水），將采點(diǎn)礦體中殘留的稀土離子及銨根離子轉(zhuǎn)換出來(lái)，不但可回收部分殘存于礦體中的稀土元素，而且可以減少氨氮對(duì)采區(qū)地下水污染并提高硫酸銨的循環(huán)利用率。

2.2 優(yōu)化浸液收集工藝，提高浸出母液回收率

在離子型稀土礦原地浸礦工藝開(kāi)采稀土過(guò)程中，除了提高稀土礦體中稀土的浸出率措施外，浸出母液收集方案將直接影響到母液的回收率，進(jìn)而也影響到稀土開(kāi)采的總回收率，因此，提高母液收集率成為整個(gè)開(kāi)采過(guò)程中最為重要的措施之一，也是減少采區(qū)地下水污染最主要的措施。離子型稀土礦原地浸礦工藝發(fā)展優(yōu)化過(guò)程中，母液回收率從60%逐步提高到80%以上。近年來(lái)，部分企業(yè)通過(guò)持續(xù)改進(jìn)母液收集措施措施，將母液回收率提高到了90%以上，甚至95%以上，大大地改善了稀土回收率指標(biāo)，減少了采區(qū)污染。主要技術(shù)措施如下：①在開(kāi)采區(qū)資源勘探過(guò)程中，掌握采區(qū)地質(zhì)情況，特別是基巖成形與走向，摸清采區(qū)地下水的走向規(guī)律，為集液工程的布置設(shè)計(jì)提供可靠的采區(qū)相關(guān)地質(zhì)參數(shù)。②優(yōu)化設(shè)計(jì)采區(qū)母液集液工程技術(shù)方案，特別是集液巷道、導(dǎo)流孔布置的高程、間距與收液截面比是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。同時(shí)，在采區(qū)地下水匯集區(qū)設(shè)置必要的觀測(cè)井，在有母液滲漏時(shí)及時(shí)回收成為母液集液工程的輔助措施。巷道與導(dǎo)流孔防堵塞措施也是集液工程設(shè)計(jì)中必須考慮的。③做好采區(qū)雨污分流及防洪引流溝措施，減少雨季地表水與母液混流而稀釋母液或母液外溢帶來(lái)的污染與損失。④合理的集液溝、母液中轉(zhuǎn)池容積與轉(zhuǎn)液泵能力的計(jì)算與選擇，防止停電、轉(zhuǎn)注泵故障恢復(fù)周期內(nèi)母液外溢造成污染與損失。

2.3 減少工藝液體滲漏污染，提高使用率

因離子型稀土礦開(kāi)采不同于其他礦山開(kāi)采，礦山開(kāi)采過(guò)程中采區(qū)設(shè)施基本都為臨時(shí)設(shè)施，因此在開(kāi)采過(guò)程中，工藝液體的收集、儲(chǔ)存中轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)液及母液的處理全過(guò)程中，必須確保全流程設(shè)施的防滲防漏處理。比如采區(qū)巷道底部水泥砂漿防滲、集液溝鋪塑料膜、母液中轉(zhuǎn)池整體油布防滲、管線固定牢靠與定時(shí)巡給維護(hù)、水冶車(chē)間工藝池防滲與定期檢查、泵房積水坑設(shè)計(jì)等，實(shí)現(xiàn)開(kāi)采過(guò)程中工藝液體全過(guò)程、全流程設(shè)施防滲防漏和閉路循環(huán)使用，與提高母液收集率措施一道，盡可能地減少離子型稀土礦開(kāi)采過(guò)程中工藝液體的滲漏，提高其循環(huán)使用率。這樣不僅可以減少含氨氮液體滲漏造成的污染，還可以減少新水的補(bǔ)充量和硫酸銨的消耗，從而節(jié)約生產(chǎn)成本。

2.4 轉(zhuǎn)液自動(dòng)控制與完善應(yīng)急發(fā)電設(shè)施

轉(zhuǎn)液自動(dòng)控制與完善應(yīng)急發(fā)電設(shè)施，杜絕事故性排放造成污染與經(jīng)濟(jì)損失。具體可從以下3方面入手：①轉(zhuǎn)液泵與液位聯(lián)鎖自動(dòng)運(yùn)行控制。實(shí)現(xiàn)采區(qū)母液中轉(zhuǎn)池、車(chē)間配液池及各中轉(zhuǎn)站轉(zhuǎn)液泵與液位的聯(lián)鎖自動(dòng)控制，防止人工操作過(guò)程中出現(xiàn)失誤導(dǎo)致母液外溢污染與損失，或抽空液體燒壞轉(zhuǎn)液泵的情況出現(xiàn)。②液位警戒高低位近遠(yuǎn)程聲光報(bào)警，在轉(zhuǎn)液泵出現(xiàn)故障、液位異常時(shí)及時(shí)提醒操作人員。③采區(qū)及車(chē)間應(yīng)急發(fā)電設(shè)施的配置與完善，確保停電時(shí)的生產(chǎn)安全。配置必要的應(yīng)急發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)組與主供電線網(wǎng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，在停電時(shí)，應(yīng)急發(fā)電機(jī)組自動(dòng)啟動(dòng)保證供電正常，有效預(yù)防因停電導(dǎo)致工藝液體外溢而發(fā)生污染與損失。

2.5 提高設(shè)備維護(hù)、檢修能力

提高設(shè)備維護(hù)、檢修能力，杜絕設(shè)備故障形成轉(zhuǎn)液不及時(shí)排放工藝液體造成污染與損失。礦區(qū)設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)與檢修管理水平，將直接影響到礦山開(kāi)采過(guò)程能否連續(xù)穩(wěn)定地實(shí)施。因此配備必要的設(shè)備維護(hù)人員，做好礦山日常設(shè)備的巡檢、保養(yǎng)與維修，有效預(yù)防因設(shè)備故障造成轉(zhuǎn)液不及時(shí)而發(fā)生工藝液體外溢污染環(huán)境和造成損失。重要設(shè)備，比如轉(zhuǎn)液泵應(yīng)配置備用泵，在運(yùn)行泵出現(xiàn)故障時(shí)可以運(yùn)行備用泵，確保生產(chǎn)不受影響。

2.6 地下水位監(jiān)測(cè)與危險(xiǎn)水位引流措施

離子型稀土礦原地浸礦工藝開(kāi)采利用稀土資源過(guò)程中，采區(qū)滑坡成為最主要的地質(zhì)災(zāi)害和污染事故發(fā)生因素，因此，預(yù)防采區(qū)山體滑坡地質(zhì)災(zāi)害事故避免人員傷亡、污染事故與經(jīng)濟(jì)損失是一項(xiàng)重要的清潔生產(chǎn)措施，也是重要的安全生產(chǎn)與環(huán)保事故預(yù)防措施。具體可從以下3方面入手：①在采區(qū)注液區(qū)有規(guī)律設(shè)計(jì)布置地下水位監(jiān)測(cè)井，根據(jù)采區(qū)表土層厚度設(shè)置注液區(qū)地下水位高限標(biāo)記，每班檢查采區(qū)地下水水位并跟蹤變化情況；②在注液過(guò)程中，根據(jù)地下水水位的變化及時(shí)調(diào)整注液強(qiáng)度，有效控制采區(qū)礦體的地下水水位在安全標(biāo)高范圍，防止地下水位過(guò)高引發(fā)山體滑坡事故；③在采區(qū)合理區(qū)域設(shè)計(jì)和配置地下水疏水引流孔，在地下水位超過(guò)警戒高位時(shí)，可以通過(guò)地下水疏水引流孔及時(shí)排水，降低和調(diào)節(jié)采區(qū)礦體區(qū)域地下水水位高度，預(yù)防山體滑坡發(fā)生。

2.7 采區(qū)采后及時(shí)復(fù)墾恢復(fù)生態(tài)

每一個(gè)采點(diǎn)在采后，及時(shí)拆除相關(guān)生產(chǎn)管道、設(shè)備及防滲油布等設(shè)施，對(duì)注液井、監(jiān)測(cè)井、母液中轉(zhuǎn)池及地下水觀測(cè)井回填。對(duì)無(wú)法回填入注液井、集液巷道和母液中轉(zhuǎn)池的廢土進(jìn)行平整后覆蓋表土，將其改造成為耕地或種樹(shù)植草恢復(fù)植被。采后對(duì)采區(qū)的及時(shí)復(fù)墾與恢復(fù)生態(tài)是企業(yè)落實(shí)環(huán)境保護(hù)社會(huì)責(zé)任的重要措施。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在離子型稀土礦山推行清潔生產(chǎn)，有效實(shí)施清潔生產(chǎn)的措施與方法并持續(xù)改進(jìn)，取得了以下較好的效果：①有效提升了礦山開(kāi)采稀土綜合利用率，從70%左右提高到80%以上，浸液循環(huán)利用率從原來(lái)的75%左右提高到92%以上，硫酸銨、新水消耗均有所降低；②有效減少了硫酸銨中的氨氮對(duì)采區(qū)、水冶車(chē)間及下游地下水的污染。③降低了稀土開(kāi)采的輔料、動(dòng)力消耗，同時(shí)因產(chǎn)量提升，降低了生產(chǎn)成本。④采區(qū)采后及時(shí)復(fù)墾與生態(tài)恢復(fù)，有效保持了采區(qū)的生態(tài)環(huán)境。

總之，在離子型稀土礦山有效推進(jìn)清潔生產(chǎn)綜合措施并持續(xù)改進(jìn)，既是國(guó)家法律與政策的要求與需要，也是企業(yè)切實(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、減污增效做好礦山資源的綜合利用、提高采選率指標(biāo)改善經(jīng)濟(jì)效益和落實(shí)企業(yè)環(huán)境保護(hù)實(shí)現(xiàn)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的自身需要。

〔編輯：劉曉芳〕