高壓變頻技術發展現狀及趨勢

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業發展戰略研究。

0 引 言

電機是國民經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機、泵類負載，大多工作在高能耗、低效率狀態，具有很大的節能潛力。隨著經濟的發展和自動化程度的提高，采用高壓變頻器對風機泵類負載進行速度控制，不但對改進工藝、提高產品質量有好處，同時又是節能和設備經濟運行的要求，是可持續發展的必然趨勢。

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

1 技術現狀及前景

1.1 高壓變頻器概念及其分類

高壓變頻器是隨著現代電力電子器件、電氣傳動技術的發展而逐步發展起來的一種高壓電機調速產品。按國際慣例和我國國家標準，額定電壓在l kV~10 kV的變頻器相應稱為中壓變頻器和高壓變頻器。但通常考慮到在這一電壓范圍內的變頻器有著共同的特征，且習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。

由于拖動的高壓設備各項性能指標和應用范圍不同，所以對功率器件和主電路拓撲結構都有不同的要求，而且國內外各變頻器廠商技術基礎不同，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。如根據高壓變頻器有無直流環節,可以分為交-交變頻器和交-直-交變頻器，而根據直流環節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為直流，然后利用半導體器件通過逆變，將直流電變成電壓、頻率可調的交流電，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，在工業電動系統中應用最為廣泛，目前市場上的產品也基本上屬于這種類型。

表1 高壓變頻器分類

1.2 高壓變頻器關鍵技術及其發展

1.2.1 電力電子器件

對高壓變頻器而言，電力電子器件最關鍵的問題是解決耐壓問題，其次，電力電子器件的開關過渡過程、分布參數、信號及功率延時等特性決定了產品的性能。目前用于高壓變頻產品的電力電子主要有：IGBT、IGCT、GTO、GTR、SCR等，IGBT因其工作電壓較低，在多電平級聯式高壓變頻器中非常具有發展前景，用它作為主回路器件能改善輸出電流波形，減少諧波對電網的污染及減少系統和電動機的電應力。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IGBT仍是生產高壓變頻器使用功率元件的首選。但新技術的發展日新月異，未來的大功率開關器件將向更高的阻斷電壓和更快的開關速度方向發展,為大容量電力電子裝置的發展提供更好的選擇。如日本東芝開發的IECT利用了電子注入增強效應，吸取了IGBT和GTO兩者的優點：低飽和壓降，寬安全工作區(吸收回路容量僅為GTO的1/10左右)，低柵極驅動功率(比GTO低兩個數量級)和較高的工作頻率，器件采用平板壓接式電極引出結構，可靠性高，性能已經達到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、不斷創新的技術市場。

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的技術問題，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，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,這種方法針對風機、水泵等負載,已經基本上能滿足調速控制的需要。隨著DSP和ASIC的快速發展，各種新型的控制算法的實現變得更加容易，矢量控制技術、無速度傳感器技術、直接轉矩控制等更優性能的調速技術近年來也獲得了較大的發展。另外，自適應技術、人工智能、專家系統、神經網絡、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，統稱為智能控制，它的發展也給交流調速系統的控制策略帶來了新思想、新方法，使交流傳動系統的智能控制已成為當前的一個研究熱點。

1.2.3 諧波抑制技術

高壓變頻器由于變換功率大，開關頻率一般比較小，因此，輸出諧波成分比較大，如果采用常規的正弦脈寬調制（SPWM）和空間矢量脈寬調制（SVPWM）技術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生一定程度的影響，造成電機的轉矩脈動，增加額外的損耗，而輸入諧波則會對電網產生影響。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，而且減少損耗，在電路結構和控制技術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。目前普遍采用多脈動整流、變壓器耦合輸出、多電平和單元級聯技術，形成了以多脈動整流拓撲或多電平拓撲為輸入級、以變壓器耦合輸出或多電平輸出拓撲為輸出級的大功率變頻器主電路。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多電平技術，采用多組低電壓小功率IGBT，PWM變頻單元串聯輸出實現高壓大功率集成。由于采用的是功率單元進行串聯，如圖2所示，因此不存在元件之間的動態和靜態均壓問題，各變頻單元由一個多繞組的隔離變壓器供電，從技術上解決了一般6脈沖和12脈沖變頻器產生的諧波問題，可實現完美無諧波變頻。另外，一些新型的脈寬調制技術也在不斷的發展和研究中，如清華大學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，充分發揮了二者的優點，使變頻器在整個工作范圍內都可以有效抑制低次諧波，得到較好的輸出波形。

圖2 功率單元串聯多電平逆變

1.2.4 新型拓撲結構

高壓變頻技術發展至今，其主回路拓撲結構是隨著電力電子器件的不斷創新開發而發展的，到目前為止還沒有像低壓變頻器那樣近乎統一的拓撲結構。目前，以三電平方式和單元串聯多電平方式發展最為迅速，如圖3所示，為三電平拓撲結構，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（S1U~S4U）構成，VT1~VT4為續流二極管，D1~D2為鉗位二極管，直流濾波環節由兩組電容量相等的電容器構成。多電平逆變器為高壓大容量化變頻調速提供了一種有效途徑，但隨著實際應用和研究的不斷深入，上述的幾種拓撲結構在實際應用中均被發現有各自的不足之處。因此，新型的多電平拓撲結構及其控制策略成為了目前多電平逆變器領域熱門的研究內容，如近年來國內外不少學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撲結構，為高壓變頻器的研究發展提供了許多思路，相信隨著技術的發展，未來高壓變頻器的拓撲結構將向低壓變頻器一樣趨于標準化，走向統一。

圖3 三電平拓撲結構

2 國內外高壓變頻產品發展情況

2.1 國外高壓變頻產品現狀

經過多年的技術發展，目前國外各大品牌的變頻器生產商，均形成了系列化的產品，就總體競爭形勢而言，目前國內變頻器市場外資品牌仍占主導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、產品的質量好，可靠性較高，但同時價格也非常昂貴，現階段發展情況主要如下：

(1)技術開發起步早，產品相對比較成熟，具有相當大的產業化規模，產品技術標準比較完備，能夠提供特大功率的變頻器，目前已超過10 000 kW。

(2)與變頻器相關的配套產業及行業初具規模，掌握了高壓變頻器生產中的一些核心關鍵部件如IGBT、IGCT、SGCT等功率部件的生產。

(3)行業應用經驗較豐富，產品在煤礦、冶金、石油化工、電力等各個行業中被廣泛應用，并取得了顯著的經濟效益。

(4)企業多數為跨國型大公司，多為綜合自動化供應商，擁有多種自動化產品的品牌關聯效應，這種關聯效應還體現在譬如渠道等其他資源的共享上，對于該品牌的產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 國內高壓變頻產品現狀

目前，國內變頻器的企業以低壓產品為主，在高壓大功率變頻器方面，能夠研制、生產并提供服務的高壓變頻器廠商為數并不多。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。國內企業經過多年的努力，技術上逐漸縮短了與國外品牌間的距離，初步形成產業規模，但由于技術起步晚，大部分企業產品應用還局限于對性能要求不高的低端場合。總體而言，目前國內高壓變頻器的品種和性能還處于發展階段，每年市場仍需大量進口，現階段發展情況主要如下：

(1)具有研發能力和產業化規模的企業少，且在自動化產品結構上相對比較單一，更多的是產品推廣的營銷策略，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，產品推廣的營銷策略也正在向品牌推廣轉變。

(2)技術開發起步較晚，技術標準還有待規范，生產工藝落后，勉強滿足變頻器產品的技術要求，通過不斷的改進，與發達國家的技術差距正在逐漸縮小。

(3)穩定性及產品性能是目前各個廠商面臨的主要技術問題，因此在故障率、元器件質量以及超大功率產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勢。

(4)高壓變頻器中使用的功率半導體、驅動電路、DSP芯片等一些核心關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 語

傳統能源領域的大力節能是我國目前發展綠色經濟的著重點，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朝著大功率、小型化、輕型化的方向發展。雖然目前我國變頻器配套產業的實力相對較弱，國內產品牌無論在加工制造、工業設計等技術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業在品牌、技術、人才、管理、服務等各方面的日趨成熟，自主研發能力的不斷加強，必將能打造一批綜合競爭力的企業，行業也將迎來更大的發展。

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