高压变频调速技术应用现状与发展趋势

1前言

　　通常，我们把用来驱动1kV以上交流电动机的中、大容量变频器称为高压变频器。按照国际惯例和我国国家标准，当供电电压大于或等于10kV时称高压，小于10kV时称中压。因此，相应额定电压1～10kV的变频器应分别称为中压变频器和高压变频器。但考虑到在这一电压范围内的变频器有着共同的特征，且我们习惯上也把额定电压为3kV或6kV的电动机称为“高压电机”，因此，为简化叙述起见，本文也称之为“高压变频器”。

　　截止2006年底，我国发电装机总容量已突破5亿kW，为5.08亿kW。其中火电装机约占80%，为4亿kW左右。全国年发电量已突破2万亿kWh。而我国的能源利用率却平均比发达国家低20%左右!

　　全国电动机装机总容量已达4亿多kW，年耗电量达12000亿kWh，占全国总用电量的60%，占工业用电量的80%;其中风机、水泵、压缩机的装机总容量已超过2亿kW，年耗电量达8000亿kWh，占全国总用电量的40%左右。70%以上的风机、水泵、压缩机应调速运行，而至今仅有约5%左右调速运行。

　　若按风机、水泵和压缩机总装机容量的50%进行调速节能改造，则可改造容量达1亿kW，其中40%为中高压电机，容量占60%。若按电机平均出力为 60%，年运行4000小时，平均节电率为20～30%(平均25%)计算，则年节电潜力为600亿kWh!整个电机系统的节电潜力约为1000亿 kWh，改造和更新预计需投入2000～3000亿元人民币。

　　根据国家节能计划，我国每年应节约和少用能源7000万吨标准煤，通过基本建设项目及技术改造措施，每年可形成约3000万吨标准煤的节能能力，而每形成一吨标准煤的节能能力需投资2000元(约为开发等量能源费用的三分之一)，则每年需节能投资600亿元，“十五”期间共需3000亿元人民币， “十一五”期间将更多。

　　由于我国经济的高速发展，发电装机仍以高速发展。但电力运行的一些主要指标和装备指标与发达国家相比仍有很大差距：我国火电机组的平均煤耗为 400g/kWh，比发达国家高出约70～100g/kWh;发达国家发电厂的厂用电率为3.7%～6%，而我国的厂用电率为4.7%～10.5%，加之线损，我国送到用户的电能要比发达国家多耗电9.5%，相当于22000MW装机容量，即22个百万大厂的年发电量。因此，我国的节能形势十分严峻!

2变频调速技术的发展历史及现状

　　变频调速技术涉及到电力、电子、电工、信息与控制等多个学科领域。随着电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的发展，以变频调速为代表的近代交流调速技术有了飞速的发展。交流变频调速传动克服了直流电机的缺点，发挥了交流电机本身固有的优点(结构简单、坚固耐用、经济可靠、动态响应好等)，并且很好地解决了交流电机调速性能先天不足的问题。交流变频调速技术以其卓越的调速性能、显著的节电效果以及在国民经济各领域的广泛适用性，而被公认为是一种最有前途的交流调速方式，代表了电气传动发展的主流方向。变频调速技术为节能降耗、改善控制性能、提高产品的产量和质量提供了至关重要的手段。变频调速理论已形成较为完整的科学体系，成为一门相对独立的学科。

20世纪是电力电子变频技术由诞生到发展的一个全盛时代。最初的交流变频调速理论诞生于20世纪20年代，直到60年代，由于电力电子器件的发展，才促进了变频调速技术向实用方向发展。70年代席卷工业发达国家的石油危机，促使他们投入大量的人力、物力、财力去研究高效率的变频器，使变频调速技术有了很大发展并得到推广应用。80年代，变频调速已产品化，性能也不断提高，发挥了交流调速的优越性，广泛地应用于工业各部门，并且部分取代了直流调速。进入90年代，由于新型电力电子器件如IGBT(绝缘栅双极型晶体管InsolatedGateBipolarTransistor)、IGCT(集成门极换流型晶闸管IntegratedGateCommutatedThyristor)等的发展及性能的提高、计算机技术的发展，如由16位机发展到32位机以及DSP(数字信号处理器Digital　SignalProcessor)的诞生和发展(如磁场定向矢量控制、直接转矩控制)等原因，极大地提高了变频调速的技术性能，促进了变频调速技术的发展，使变频器在调速范围、驱动能力、调速精度、动态响应、输出性能、功率因数、运行效率及使用的方便性等方面大大超过了其它常规交流调速方式，其性能指标亦已超过了直流调速系统，达到取代直流调速系统的地步。目前，交流变频调速以其优异的性能而深受各行业的普遍欢迎，在电力、轧钢、造纸、化工、水泥、煤炭、纺织、铁路、食品、船舶、机床等传统工业的改造中和航天航空等高新技术的发展应用中无不看到变频调速技术的踪影，变频调速技术取得了显著的经济效益。

　　变频调速技术的现状具有以下特点

　　(1)在功率器件方面，近年来高电压、大电流的SCR、GTO、IGBT、IGCT等器件的生产以及并联、串联技术的应用，使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。

　　(2)在微电子技术方面，16位、32位高速微处理器以及DSP和ASIC(专用集成电路ApplicationSpecificIC)技术的快速发展，为实现变频器高精度、多功能化提供了硬件手段。

　　(3)在控制理论方面，矢量控制、磁通控制、转矩控制、智能控制等新的控制理论为研制高性能变频器的发展提供了相关理论基础。

　　(4)在产品化生产方面，基础工业和各种制造业的高速发展，促进了变频器相关配套件的社会化、专业化生产。

3国内外高压变频器的分类、比较和应用情况

　　目前世界上的高压变频器不象低压变频器一样具有成熟的一致性的主电路拓扑结构，而是限于功率器件的电压耐量和高压使用条件的矛盾，国内外各变频器生产厂商，采用不同的功率器件和不同的主电路拓扑结构，以适应不同的电压等级和各种拖动设备的要求，因而在各项性能指标和适用范围上也各有差异。

　　一般来讲，在高压供电而功率器件耐压能力有限的情况下，可采用将功率器件串联的方法来解决。但是功率器件在串联使用时，因为各器件的动态电阻和极间电容不同，而存在静态均压和动态均压问题。如果采用与器件并联R和Rc的均压措施，会使电路复杂，损耗增加;同时，器件的串联对驱动电路的要求也大大提高，要尽量做到串联器件同时导通和关断，否则由于各器件开断时间不一致，承受电压不均，会导致器件损坏甚至整个装置崩溃。

　　谐波问题是所有变频器的共同问题，尤其在高压大功率变频调速中更为突出。谐波会污染电网，殃及同一电网上的其它用电设备，甚至影响电力系统的正常运行;谐波也会干扰通讯和控制系统，严重时会使通讯中断、系统瘫痪;谐波电流还会使电动机损耗增加，因而发热增加，效率及功率因数下降，以至不得不“降额” 使用。

　　还有效率问题，变频调速装置的容量愈大，调速系统的效率问题也就愈加重要。采用不同的主电路拓扑结构，使用的功率器件的种类和数量的多少，以及变压器、滤波器等的使用，都会影响系统的效率。为了提高系统效率，必须设法尽量减少功率开关器件和变频调速装置的损耗。

　　可靠性和冗余设计问题：一般的高压大功率拖动系统都要求很高的系统可靠性，尤其是国民经济的重要部门如电力、能源、冶金、矿山和石化等行业，一旦设备出现故障，将会造成人民生命财产的巨大损失。因此高压变频装置设计中是否便于采用冗余设计及旁路控制功能也是至关重要的。

　　根据高压变频器有无直流环节，可以分为交—交变频器和交—直—交变频器;根据直流环节滤波元件的性质又可以分为电流源型变频器和电压源型变频器;电流源型变频器又可以分为负载换流式晶闸管变频器(LCI)和采用自关断器件(GTO、SGCT)的电流源型变频器;电压源型变频器则可以分为：a)功率器件串联二电平直接高压变频器，b)采用HV—IGBT、IGCT的多电平电压源变频器,c)采用LV—IGBT的单元串联多重化电压源变频器等。