逆變技術(shù)在電力中的應(yīng)用

常群　張慶

[摘要]本文主要對(duì)逆變類電力電子成套裝置中的DC-AC逆變器進(jìn)行研究。回顧了電力電子技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，分析了逆變技術(shù)在電力中的應(yīng)用，以及電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展對(duì)電力電子成套裝置更新?lián)Q代的影響，重點(diǎn)研究了DC-AC主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。分別對(duì)低頻逆變器、高頻逆變器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、原理進(jìn)行描述，在說(shuō)明其優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)又指出存在的不足，認(rèn)為高頻逆變器必將取代低頻逆變器而有更好的應(yīng)用前景。

[關(guān)鍵詞]電力電子技術(shù)；逆變器；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；軟開(kāi)關(guān)；控制

前言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)又與現(xiàn)代控制理論、材料科學(xué)、電機(jī)工程、微電子技術(shù)等許多領(lǐng)域密切相關(guān)。隨著電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，DC-AC逆變技術(shù)廣泛的應(yīng)用于航空、航天、航海等重要領(lǐng)域，特別是隨著石油、天然氣等主要能源日益緊張，新能源的開(kāi)發(fā)和利用越來(lái)越受到人們的重視。因?yàn)镈C-AC逆變器可以實(shí)現(xiàn)將蓄電池、太陽(yáng)能和燃料電池等其他新能源轉(zhuǎn)化為交流能源，這對(duì)將直流轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鞯哪孀兗夹g(shù)更是起著至關(guān)重要的作用。電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展對(duì)電力電子技術(shù)的發(fā)展有著極為重要的作用，因此，電力電子技術(shù)的發(fā)展史是以電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展為基礎(chǔ)和主線的。

1、電力電子技術(shù)簡(jiǎn)介

電力電子技術(shù)是一種高新技術(shù)，它是利用電力半導(dǎo)體器件對(duì)電力的電壓、電流、頻率、相位、相數(shù)等進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。是以電力為對(duì)象，以微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)為手段，研究電力在產(chǎn)生、輸送、分配、變換、應(yīng)用等過(guò)程中進(jìn)行電力再加工的技術(shù)。

1、1電力電子技術(shù)與綠色能源

電力電子技術(shù)是高效節(jié)能技術(shù)，電動(dòng)機(jī)調(diào)速節(jié)能和照明燈節(jié)能是兩大節(jié)能重點(diǎn)。發(fā)展并推廣應(yīng)用電動(dòng)汽車（綠色汽車），是改善大氣環(huán)境的重要手段。利用風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能、地?zé)崮艿染G色能源發(fā)電，可避免火力發(fā)電導(dǎo)致的嚴(yán)重污染。將電網(wǎng)交流電能變成直流電能儲(chǔ)存，然后將直流電能逆變成交流電能供負(fù)載使用，均與電力電子技術(shù)密切相關(guān)。電力電子技術(shù)提供了各種有源功率因數(shù)校正和有源濾波裝置、動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置等，在電網(wǎng)環(huán)境和電磁環(huán)境保護(hù)方面起到相當(dāng)大的作用。

隨著信息電子技術(shù)、微型電子計(jì)算機(jī)、超大規(guī)模集成電路以及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的廣泛應(yīng)用，電力電子技術(shù)如虎添翼，得到了蓬勃的發(fā)展。目前，電力電子技術(shù)已成為工業(yè)化國(guó)家經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中不可缺少的基礎(chǔ)技術(shù)和重要手段。由于環(huán)境、能源、社會(huì)高效化等要求，電力電子成套裝置正向著以下幾個(gè)方面發(fā)展：

⑴高性能化：電力電子成套裝置的高性能化內(nèi)容十分廣泛。對(duì)于大容量裝置，采用多重化和多機(jī)并聯(lián)；降低裝置自身?yè)p耗；實(shí)現(xiàn)高效率化；采用損耗——功率密度考核裝置效率；裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)諧或自動(dòng)化、遙控和遠(yuǎn)控。

⑵標(biāo)準(zhǔn)化：電力電子成套裝置的備品、備件將系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。超大功率集成電路將簡(jiǎn)化成套裝置的工作量。

⑶智能化：二十一世紀(jì)將誕生全智能化電力電子成套裝置。智能化包括兩個(gè)方面，即盡量減少硬件，實(shí)現(xiàn)硬件軟件化；另一方面，采用智能化電力電子器件和其它智能化部件，集成化是智能化的基礎(chǔ)。

⑷全數(shù)字化控制：90年代已經(jīng)采用32位DSP，二十一世紀(jì)全數(shù)字控制的應(yīng)用將更加廣泛深入，甚至取代摸控制。近幾年來(lái)，各種現(xiàn)代控制理論、專家系統(tǒng)、模糊控制及神經(jīng)元控制等都是發(fā)展的熱點(diǎn)，將使電力電子控制技術(shù)發(fā)展到一個(gè)嶄新的階段。

⑸系統(tǒng)化：電力電子技術(shù)及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)擺脫了局部環(huán)節(jié)的孤立發(fā)展，而注意到整體優(yōu)勢(shì)，亦即將電網(wǎng)、整流器、逆變器、電動(dòng)機(jī)、生產(chǎn)機(jī)械和控制系統(tǒng)等作為一個(gè)整體，從系統(tǒng)上進(jìn)行考慮。這是二十一世紀(jì)必將實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

⑹綠色化：電力電子成套裝置所消耗的大量無(wú)功功率及所產(chǎn)生的諧波電流嚴(yán)重地污染了電網(wǎng)。這種污染類似現(xiàn)代工業(yè)對(duì)地球的污染。現(xiàn)在將越來(lái)越引起人們的重視，治理電力電子成套裝置污染的方法是設(shè)法補(bǔ)償無(wú)功功率和諧波，即采用無(wú)功功率靜止補(bǔ)償裝置和電力有源濾波器。但更積極的方法是使電力電子成套裝置具有所需的功能，又不消耗無(wú)功功率，不產(chǎn)生諧波，為此采用自換相整流裝置，并對(duì)其進(jìn)行PWM控制。

2、DC/AC逆變器用電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展

DC-AC逆變技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)直流電能到交流電能的轉(zhuǎn)換，可以從蓄電池、太陽(yáng)能電池等直流電能變換得到質(zhì)量較高的、能滿足負(fù)載對(duì)電壓和頻率要求的交流電能。DC-AC逆變技術(shù)在交流電機(jī)的傳動(dòng)、不間斷電源（UPS）、變頻電源、有源濾波器、電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償器等許多場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。DC-AC逆變技術(shù)的基本原理是通過(guò)半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件（例如SCR，GTO，GTR，IGBT和功率MOSFET模塊等）的開(kāi)通和關(guān)斷作用，把直流電能變換成交流電能，因此是一種電能變換裝置。由于是通過(guò)半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通和關(guān)斷來(lái)實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換的，因此轉(zhuǎn)換效率比較高，但轉(zhuǎn)換輸出的波形卻很差，是含有相當(dāng)多諧波成分的方波。而多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合要求逆變器輸出的是理想的正弦波，因此如何利用半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通和關(guān)斷的轉(zhuǎn)換，使逆變器輸出正弦波和準(zhǔn)正弦波就成了DC-AC逆變器技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)主要問(wèn)題。今后，隨著工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電能質(zhì)量的要求將越來(lái)越高，DC-AC逆變器在這種變換中的作用也會(huì)日益突顯出來(lái)。

3、逆變器的應(yīng)用領(lǐng)域

1.以直流發(fā)電機(jī)、蓄電池、太陽(yáng)能電池和燃料電池為主直流電源的場(chǎng)合，如航空靜止變流器（27V或270V DC/115V 400Hz AC）、通訊靜止變流器（48V DC/220V 50Hz AC）；

2.以變頻或恒頻交流電為主交流電源且采用交-直-交變換方案的場(chǎng)合，如飛機(jī)變速恒頻電源（變頻交流電/115V 400Hz AC）、新型風(fēng)力發(fā)電電源（變頻交流電/220V 50Hz AC）和變頻電源（220V 50Hz DC/115V 400Hz AC或115V 400Hz AC/220V 50Hz AC）；

3.不間斷電源UPS中的核心環(huán)節(jié)-逆變器；

4.作為校表臺(tái)產(chǎn)品的電壓、電流標(biāo)準(zhǔn)源-電壓功率放大器、電流功率放大器。5）交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的核心環(huán)節(jié)—逆變器。

4、結(jié)論

電力半導(dǎo)體成套裝置正向著高性能化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、全數(shù)字化控制、系統(tǒng)化、綠色化方向發(fā)展。事實(shí)證明近年來(lái)，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)在電力電子變換器中的應(yīng)用越來(lái)越引起人們的關(guān)注。在DC-AC變換器領(lǐng)域，自諧振直流環(huán)節(jié)逆變器（RD-CLD）和諧振極逆變器（RPI）兩種開(kāi)關(guān)拓?fù)涮岢龊螅涢_(kāi)關(guān)DC-AC變換器技術(shù)得到了迅速發(fā)展。采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可以降低變換器的換流損耗，省去開(kāi)關(guān)元件上的緩沖電路，提高工作頻率和可靠性，改善變換器的效率，減小體積和重量，因而具有許多優(yōu)點(diǎn)，有著廣闊的應(yīng)用前景。