高壓直流電源整流及逆變技術分析

王英鵬

（遼寧省電力有限公司檢修分公司，遼寧 沈陽 110000）

0 引 言

高壓直流電源（High Voltage DC，HVDC）被廣泛應用在礦業和機械制造等行業中，憑借其技術應用優勢，能為電源小型化發展提供良好的支持，搭建更加科學合理的電源技術應用控制平臺，促進經濟效益和社會效益的和諧統一。

1 HVDC概述

1.1 優 勢

HVDC 完成的輸電過程是借助對工頻電壓的升壓處理，能獲取有效的高壓電流。因此，HVDC室新型直流不間斷供電系統不僅安全系數較高且過載能力較好，能及時建立更加完整地作業模式，提升操作工作效率，也為行業系統的安全運行提供保障。

一方面，HVDC在運行過程中需要的是兩根基礎導線，這就大大降低了導線造價成本，也為電纜費用的合理性管理提供了保障，減少輸電運行電能損耗，支持傳輸過程節能管理工作的開展[1]。另一方面，高壓直流電源電阻發熱損耗數值有限，且不會存在感抗和容抗等無功損耗問題，這就為整體技術處理效果的優化創設了良好空間。

1.2 原 理

HVDC的應用過程中，三相電在交流斬波處理后利用小容量LC濾波器就能實現有效的電源信息操作處理，可有效去除高頻諧波，并且之后產生的輸出交流能一直傳輸到整流變壓器位置。整個變換過程中，整流變壓器均具備特殊連接形式的升壓處理，配合變比參數就能保證變壓器兩閥繞組側獲取相同的高壓變流。從三相整流橋的網側完成實時性輸入，配合整流橋輸出串聯模式，就能最后完成濾波輸出高壓直流的操作。HVDC變換處理的技術已經較為成熟，不僅可靠性和穩定性較好，且用戶操作便捷，只需要調節交流脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）變換器的導通占空比就能有效完成電壓的穩定輸出，為綜合性直流控制效果的優化提供保障。

2 HVDC發展面臨的挑戰

對于HVDC發展進程而言，開關電源技術具有重要的應用價值，然而在新電子元器件、電磁材料等技術不斷發展的時代背景下，開關電源性能也在優化更新，推動了HVDC技術的發展，但是應用環節方面還面臨諸多挑戰。

2.1 高頻高壓變壓器

在HVDC不斷發展的過程中，體積逐漸變小，這就使得頻率逐漸上升，但是對應的分布容抗卻出現縮減的態勢，長此以往，必然會引發絕緣不到位的問題，造成安全隱患現象。

2.2 電壓變化比

若是HVDC變換過程中頻頻出現電壓變化比，就會對變壓器非線性操作產生影響，留存安全隱患，制約HVDC變換操作的安全性和穩定性。值得一提的是，漏感概率的增加也會引發逆變電路穩定失衡的問題，要想維持其運行穩定性，就要使用隔離逆變開關，規避功率器件被擊穿等問題，從而全面提升HVDC的運行質量和效果[2]。

2.3 高頻化問題

變壓器的趨附效應會對HVDC的變換過程產生影響，嚴重程度的加重還會阻礙變壓器的正常運行，從而使得后續操作受限。

3 HVDC整流及逆變技術內容

基于HVDC應用效應的綜合考量，要整合技術內容和要點，共建更加科學穩定的運行環境，確保高壓直流電源整流處理和逆變技術處理工作更加規范，從而維持應用效果，實現設備應用效能的全面優化。

3.1 高頻高壓變壓器

為了全面提升HVDC整流及逆變技術運行的穩定性，要整合具體單元設計工序的規范性，確保高頻高壓變壓器優化設計工作的有序落實。

（1）整合逆變器的拓撲結構。在HVDC使用操作環境中，為了滿足設備高運行效率的應用要求，要整合開關處理環節，減少開關反復操作增加的運行能耗，確保能配合對應的技術調整方案，維持逆變器拓撲結構的應用效率，減少功耗增大而造成的經濟損失。傳統降壓型逆變器拓撲結構主要分為全橋拓撲和半橋拓撲，而若是采取微型逆變器，則要實現升壓降壓變換功能的變換器拓撲模式，在建立交換功能模塊外，還能打造電氣隔離處理模式。可選的拓撲方案如表1所示。

表1 拓撲方案

操作人員要將逆變器和準諧振電路結合在一起，有效借助電壓諧振效果維持開關處理的規范性，最大程度上優化能耗管理效果。針對變壓器漏感問題，則要結合變壓器漏感情況，配合逆變器設備，維持規劃處理的效果。

（2）控制檢測的具體應用情況，主要是借助集成化電路的高頻高壓開關電源，建立完整的模擬處理控制模式，有效實現輸出電壓的控制處理，維持數字方式操作開關的平衡性和規范性，并且建立模擬方式，以維持輸出電壓的控制效果。值得一提的是，數字方式進行開關操作就能為連續性轉換和不連續性轉換模式的切換予以支持。另外，要應用脈寬調制技術、頻率調制技術、直流-直流變換器以及逆變器等打造更加完整的互補模式，確保能對后續電子元器件的性能予以實時性分析，提高整體應用效率。

3.2 諧振變換器軟開關同步整流

傳統異步整流式處理模式主要是在下側開關位置配置二極管，利用上側晶體管將電流定向或者是不定向地傳輸到二極管位置，維持實時性應用要求。這種處理模式最大的弊端就在于應用效率較低。同步整流技術的應用要發揮技術低導通電阻的優勢，替代傳統的二極管，有效形成整流控制模式，具體如圖1所示。

圖1 同步整流

同步整流模式中，處于輕負載狀態（圖2），二極管會變成辦公自動化（Office Automation，OA）模式，非同步二極管電流會向著同一個方向實現電流流動，建立不連續工作模式并產生振動。由圖2可知，實線箭頭和虛線箭頭表示輕載狀態下異步整流式和同步整流式電感電流的對比，表明同步整流式因為采取的是晶體管，所以能實現逆流，在負領域依舊實現電流的持續處理，確保連續模式的穩定性和可控性。最關鍵的是，同步晶體管可逆變處理模式能提升工作的穩定性[3-5]。

圖2 輕負載工作狀態

借助同步整流處理模式能在全面控制低壓大電流整流效果的基礎上維持電路結構的安全性。基于此，一些企業會在變換器處理工作中利用整流設備，且均屬于硬開關狀態，所以要合理性控制開關的運行頻率，維持在完整的數值處理范圍內，保證應用效果的最優化。

另外，一些企業會選擇同步整流變化器自驅動模式，這往往會對主電路產生影響，所以要綜合分析變換器的類型，將運行效率和質量作為評估的核心，應用諧振變換器實現開關網絡零電壓開關（Zero Voltage Switch，ZVS）的應用目標，減少運行安全隱患。

3.3 PWM交流斬波電路

PWM交流斬波電路是基于交流/交流（Alternating Current/Alternating Current，AC/AC）變換建立的電路應用模式，若是依據控制方式進行選擇，主要分為相控式和斬控式。

3.3.1 相控式晶閘管變換電路

在HVDC整流和逆變模式中，晶閘管的運行方式是研究重點，要結合運行標準和要求全面分析整流電路的運行方式。整流電路是將交流電轉變為直流電的重要手段，在常規化晶閘管運行模式中，三項橋式全控整流較為常見。陰極組設有3個基礎晶閘管，陽極組也是3個晶閘管，陰極組電壓參數最高的晶閘管要連接陽極組電壓最低的晶閘管，接入市電三項交流電后，實現兩個晶閘管的同時導通，一個在陽極組、一個在陰極組，充分發揮整流電路運行特征，按照脈沖順序逐一完成脈沖處理，實現兩項電壓差差值接入電阻型負載兩端的處理。因此，相控式晶閘管變換電路最大的優勢就在于電路控制較為簡單，功率容量較大，但是因為受限于實際設備結構，其響應速率較慢，電壓低次諧波含有率較高。

3.3.2 斬控式晶閘管變換電路

第一，斬控式晶閘管變換電路的運行效能和功率因數與負載參數相關聯，所以功率因數一般較高，能在功率參數范圍內建立完整的應用模式。第二，斬控式晶閘管變換電路在實際應用過程中輸出方和輸入方都會含有與高次諧波相關聯的開關頻率，為了保證實際應用運行的穩定性和科學性，一般要結合運行規律和關鍵標準對其予以濾除，從而獲取接近于正弦波的輸出波形，維持良好的控制模式。第三，斬控式晶閘管變換電路在應用中，操作人員要對輸出電壓占空比予以合理性調控，維持較好的變化模式，配合動態響應處理，大大提升運行工作效率，為高壓直流電源相關聯的技術處理提供支持，保證相應作業的穩定性和安全性。

3.3.3 其 他

高壓直流電源整流與逆變模式中，電壓型PWM整流器側向控制方法還分為間接電流控制和直流控制兩種。（1）間接電流控制是在電流應用約束范圍內建立完整的控制模式，主要是對PWM整流器AC側電壓基波幅和相位予以控制，從而維持應用的合理性，并且間接控制柵極側電流，維持應用規范性。因為網格側電流動態響應存在滯緩性，且網格柵電流對系統參數變化較為敏感，因此這種方式逐漸被直流控制模式取代。（2）直流控制模式要結合高壓直流電源整流和逆變應用標準對PWM進行控制，引入電流回路的基礎上改善系統的基礎動態性能，維持外部電壓環路輸出電流指令的安全性和規范性，并控制內部電流環路的輸入效果，維持較好的響應效率，不僅控制精度較高，而且應用安全性符合標準。

4 結 論

總而言之，HVDC整流及逆變技術的研究還有待進一步優化，要深度挖掘技術設計內容，將其融合在不同領域中，建立更加可靠、安全且穩定的電源處理模式，最大程度上提高應用效能，實現行業的可持續發展。