林堯 上海電氣集團(tuán)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(xiàng)目管理及集團(tuán)產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究。

0 引 言

電機(jī)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(guó)的高壓電動(dòng)機(jī)大部分為風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)負(fù)載，大多工作在高能耗、低效率狀態(tài)，具有很大的節(jié)能潛力。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和自動(dòng)化程度的提高，采用高壓變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)泵類(lèi)負(fù)載進(jìn)行速度控制，不但對(duì)改進(jìn)工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量有好處，同時(shí)又是節(jié)能和設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求，是可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和電力價(jià)格長(zhǎng)期不斷上漲的壓力，實(shí)現(xiàn)高壓電機(jī)的調(diào)速運(yùn)行及優(yōu)化控制勢(shì)在必行，以前的可控硅整流、逆變等器件構(gòu)成的高壓變頻器諧波大，對(duì)電網(wǎng)和電機(jī)有沖擊，而隨著IGBT、IGCT等新型電力電子器件的不斷更新和應(yīng)用，已在很大程度上改善了諧波和對(duì)電網(wǎng)的影響，功率因數(shù)也得到了提高，原來(lái)一直難于解決的高壓?jiǎn)栴}，近年來(lái)通過(guò)器件串聯(lián)或單元串聯(lián)得到了很好的解決。因此，高壓變頻器的應(yīng)用規(guī)模在逐漸擴(kuò)大，市場(chǎng)正處于一個(gè)高速增長(zhǎng)的時(shí)期。

1 技術(shù)現(xiàn)狀及前景

1.1 高壓變頻器概念及其分類(lèi)

高壓變頻器是隨著現(xiàn)代電力電子器件、電氣傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展而逐步發(fā)展起來(lái)的一種高壓電機(jī)調(diào)速產(chǎn)品。按國(guó)際慣例和我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，額定電壓在l kV~10 kV的變頻器相應(yīng)稱(chēng)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(nèi)的變頻器有著共同的特征，且習(xí)慣上也把額定電壓為3 kV或6 kV的電動(dòng)機(jī)稱(chēng)為“高壓電機(jī)”，因此，通常我們把驅(qū)動(dòng)1 kV～10 kV交流電動(dòng)機(jī)的變頻器稱(chēng)之為高壓變頻器。

由于拖動(dòng)的高壓設(shè)備各項(xiàng)性能指標(biāo)和應(yīng)用范圍不同，所以對(duì)功率器件和主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都有不同的要求，而且國(guó)內(nèi)外各變頻器廠商技術(shù)基礎(chǔ)不同，因此其分類(lèi)方法也多種多樣。按照不同的分類(lèi)方法，常見(jiàn)的高壓變頻器主要分類(lèi)如表1所示。如根據(jù)高壓變頻器有無(wú)直流環(huán)節(jié),可以分為交-交變頻器和交-直-交變頻器，而根據(jù)直流環(huán)節(jié)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(diào)的交流，其缺點(diǎn)是輸出頻率低，只能用在一些低速、大容量的特殊場(chǎng)合。而交-直-交變頻器是先把工頻交流電通過(guò)整流變?yōu)橹绷鳎缓罄冒雽?dǎo)體器件通過(guò)逆變，將直流電變成電壓、頻率可調(diào)的交流電，其特點(diǎn)是直接輸出高壓，無(wú)需輸出變壓器，因此效率較高，且輸出頻率范圍寬，在工業(yè)電動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛，目前市場(chǎng)上的產(chǎn)品也基本上屬于這種類(lèi)型。

表1 高壓變頻器分類(lèi)

1.2 高壓變頻器關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展

1.2.1 電力電子器件

對(duì)高壓變頻器而言，電力電子器件最關(guān)鍵的問(wèn)題是解決耐壓?jiǎn)栴}，其次，電力電子器件的開(kāi)關(guān)過(guò)渡過(guò)程、分布參數(shù)、信號(hào)及功率延時(shí)等特性決定了產(chǎn)品的性能。目前用于高壓變頻產(chǎn)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(jí)聯(lián)式高壓變頻器中非常具有發(fā)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(duì)電網(wǎng)的污染及減少系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)的電應(yīng)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(lái)一段時(shí)間內(nèi)IGBT仍是生產(chǎn)高壓變頻器使用功率元件的首選。但新技術(shù)的發(fā)展日新月異，未來(lái)的大功率開(kāi)關(guān)器件將向更高的阻斷電壓和更快的開(kāi)關(guān)速度方向發(fā)展,為大容量電力電子裝置的發(fā)展提供更好的選擇。如日本東芝開(kāi)發(fā)的IECT利用了電子注入增強(qiáng)效應(yīng)，吸取了IGBT和GTO兩者的優(yōu)點(diǎn)：低飽和壓降，寬安全工作區(qū)(吸收回路容量?jī)H為GTO的1/10左右)，低柵極驅(qū)動(dòng)功率(比GTO低兩個(gè)數(shù)量級(jí))和較高的工作頻率，器件采用平板壓接式電極引出結(jié)構(gòu)，可靠性高，性能已經(jīng)達(dá)到4.5 kV/1500 A的水平,如圖1所示。因此，未來(lái)各類(lèi)器件將形成相互競(jìng)爭(zhēng)、不斷創(chuàng)新的技術(shù)市場(chǎng)。

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(zhuǎn)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(guān)的技術(shù)問(wèn)題，而控制部分則要解決的軟硬件控制問(wèn)題。其中，控制算法是高壓變頻裝置的核心技術(shù)，也是今后重點(diǎn)研究的對(duì)象。目前在高壓變頻裝置上,對(duì)電機(jī)的調(diào)速控制策略大都采用V/f恒定的控制方法,這種方法針對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵等負(fù)載,已經(jīng)基本上能滿足調(diào)速控制的需要。隨著DSP和ASIC的快速發(fā)展，各種新型的控制算法的實(shí)現(xiàn)變得更加容易，矢量控制技術(shù)、無(wú)速度傳感器技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制等更優(yōu)性能的調(diào)速技術(shù)近年來(lái)也獲得了較大的發(fā)展。另外，自適應(yīng)技術(shù)、人工智能、專(zhuān)家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯等的研究也取得了可喜的進(jìn)展，這些研究成果從不同的角度提出了各種仿照人的知識(shí)、思維進(jìn)行控制的方法，統(tǒng)稱(chēng)為智能控制，它的發(fā)展也給交流調(diào)速系統(tǒng)的控制策略帶來(lái)了新思想、新方法，使交流傳動(dòng)系統(tǒng)的智能控制已成為當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

1.2.3 諧波抑制技術(shù)

高壓變頻器由于變換功率大，開(kāi)關(guān)頻率一般比較小，因此，輸出諧波成分比較大，如果采用常規(guī)的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）和空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）技術(shù)都難以解決輸出諧波大的問(wèn)題。輸出電壓諧波會(huì)對(duì)電機(jī)的運(yùn)行產(chǎn)生一定程度的影響，造成電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，增加額外的損耗，而輸入諧波則會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生影響。近年來(lái)，圍繞如何有效抑制、減少諧波電流，使電機(jī)的運(yùn)行更加平穩(wěn)，而且減少損耗，在電路結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)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(shù)。目前普遍采用多脈動(dòng)整流、變壓器耦合輸出、多電平和單元級(jí)聯(lián)技術(shù)，形成了以多脈動(dòng)整流拓?fù)浠蚨嚯娖酵負(fù)錇檩斎爰?jí)、以變壓器耦合輸出或多電平輸出拓?fù)錇檩敵黾?jí)的大功率變頻器主電路。如美國(guó)羅賓康公司及我國(guó)利德華福等公司采用的單元串聯(lián)多電平技術(shù)，采用多組低電壓小功率IGBT，PWM變頻單元串聯(lián)輸出實(shí)現(xiàn)高壓大功率集成。由于采用的是功率單元進(jìn)行串聯(lián)，如圖2所示，因此不存在元件之間的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)均壓?jiǎn)栴}，各變頻單元由一個(gè)多繞組的隔離變壓器供電，從技術(shù)上解決了一般6脈沖和12脈沖變頻器產(chǎn)生的諧波問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)完美無(wú)諧波變頻。另外，一些新型的脈寬調(diào)制技術(shù)也在不斷的發(fā)展和研究中，如清華大學(xué)趙爭(zhēng)鳴等提出的混合PWM方法，即低頻時(shí)采用空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM），高頻時(shí)采用特定消諧（SHEPWM），避免了高頻時(shí)SVPWM諧波特性變差和SHEPWM在低頻時(shí)存儲(chǔ)量大的缺點(diǎn)，充分發(fā)揮了二者的優(yōu)點(diǎn)，使變頻器在整個(gè)工作范圍內(nèi)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(lián)多電平逆變

1.2.4 新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

高壓變頻技術(shù)發(fā)展至今，其主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是隨著電力電子器件的不斷創(chuàng)新開(kāi)發(fā)而發(fā)展的，到目前為止還沒(méi)有像低壓變頻器那樣近乎統(tǒng)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。目前，以三電平方式和單元串聯(lián)多電平方式發(fā)展最為迅速，如圖3所示，為三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中，逆變橋由三個(gè)相單元組成，每個(gè)相單元有4個(gè)功率開(kāi)關(guān)（S1U~S4U）構(gòu)成，VT1~VT4為續(xù)流二極管，D1~D2為鉗位二極管，直流濾波環(huán)節(jié)由兩組電容量相等的電容器構(gòu)成。多電平逆變器為高壓大容量化變頻調(diào)速提供了一種有效途徑，但隨著實(shí)際應(yīng)用和研究的不斷深入，上述的幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中均被發(fā)現(xiàn)有各自的不足之處。因此，新型的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制策略成為了目前多電平逆變器領(lǐng)域熱門(mén)的研究?jī)?nèi)容，如近年來(lái)國(guó)內(nèi)外不少學(xué)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為高壓變頻器的研究發(fā)展提供了許多思路，相信隨著技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)高壓變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將向低壓變頻器一樣趨于標(biāo)準(zhǔn)化，走向統(tǒng)一。

圖3 三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 國(guó)內(nèi)外高壓變頻產(chǎn)品發(fā)展情況

2.1 國(guó)外高壓變頻產(chǎn)品現(xiàn)狀

經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)發(fā)展，目前國(guó)外各大品牌的變頻器生產(chǎn)商，均形成了系列化的產(chǎn)品，就總體競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)而言，目前國(guó)內(nèi)變頻器市場(chǎng)外資品牌仍占主導(dǎo)地位并壟斷了高端市場(chǎng)，主要有美國(guó)羅克韋爾（AB）、羅賓康（ROBICON）、歐洲ABB、德國(guó)西門(mén)子、法國(guó)阿爾斯通、日本三菱、富士、東芝、日立等。圖4所示為西門(mén)子公司的SIMOVERT MV系列高壓變頻器，是進(jìn)入我國(guó)較早的產(chǎn)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(guó)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(yùn)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(chǎn)品的質(zhì)量好，可靠性較高，但同時(shí)價(jià)格也非常昂貴，現(xiàn)階段發(fā)展情況主要如下：

(1)技術(shù)開(kāi)發(fā)起步早，產(chǎn)品相對(duì)比較成熟，具有相當(dāng)大的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)比較完備，能夠提供特大功率的變頻器，目前已超過(guò)10 000 kW。

(2)與變頻器相關(guān)的配套產(chǎn)業(yè)及行業(yè)初具規(guī)模，掌握了高壓變頻器生產(chǎn)中的一些核心關(guān)鍵部件如IGBT、IGCT、SGCT等功率部件的生產(chǎn)。

(3)行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)較豐富，產(chǎn)品在煤礦、冶金、石油化工、電力等各個(gè)行業(yè)中被廣泛應(yīng)用，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

(4)企業(yè)多數(shù)為跨國(guó)型大公司，多為綜合自動(dòng)化供應(yīng)商，擁有多種自動(dòng)化產(chǎn)品的品牌關(guān)聯(lián)效應(yīng)，這種關(guān)聯(lián)效應(yīng)還體現(xiàn)在譬如渠道等其他資源的共享上，對(duì)于該品牌的產(chǎn)品銷(xiāo)售有很好的推動(dòng)作用。

圖4 西門(mén)子 SIMOVERT MV系列

圖5 阿爾斯通 ALSPA CDM6000

2.2 國(guó)內(nèi)高壓變頻產(chǎn)品現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)變頻器的企業(yè)以低壓產(chǎn)品為主，在高壓大功率變頻器方面，能夠研制、生產(chǎn)并提供服務(wù)的高壓變頻器廠商為數(shù)并不多。主要品牌有：北京利德華福電氣(已被施耐德收購(gòu))、廣州智光電氣、成都佳靈電氣等,如圖6、圖7所示。國(guó)內(nèi)企業(yè)經(jīng)過(guò)多年的努力，技術(shù)上逐漸縮短了與國(guó)外品牌間的距離，初步形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模，但由于技術(shù)起步晚，大部分企業(yè)產(chǎn)品應(yīng)用還局限于對(duì)性能要求不高的低端場(chǎng)合?？傮w而言，目前國(guó)內(nèi)高壓變頻器的品種和性能還處于發(fā)展階段，每年市場(chǎng)仍需大量進(jìn)口，現(xiàn)階段發(fā)展情況主要如下：

(1)具有研發(fā)能力和產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的企業(yè)少，且在自動(dòng)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上相對(duì)比較單一，更多的是產(chǎn)品推廣的營(yíng)銷(xiāo)策略，因此有一定劣勢(shì)。但是隨著本土品牌在市場(chǎng)的逐漸歷練成熟，產(chǎn)品推廣的營(yíng)銷(xiāo)策略也正在向品牌推廣轉(zhuǎn)變。

(2)技術(shù)開(kāi)發(fā)起步較晚，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還有待規(guī)范，生產(chǎn)工藝落后，勉強(qiáng)滿足變頻器產(chǎn)品的技術(shù)要求，通過(guò)不斷的改進(jìn)，與發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)差距正在逐漸縮小。

(3)穩(wěn)定性及產(chǎn)品性能是目前各個(gè)廠商面臨的主要技術(shù)問(wèn)題，因此在故障率、元器件質(zhì)量以及超大功率產(chǎn)品上還需進(jìn)一步不斷改進(jìn)，但是價(jià)格低廉是本土品牌的巨大優(yōu)勢(shì)。

(4)高壓變頻器中使用的功率半導(dǎo)體、驅(qū)動(dòng)電路、DSP芯片等一些核心關(guān)鍵器件依舊完全依賴進(jìn)口。

圖6 利德華福HARSVER系列

圖7 佳靈JC系列

3 結(jié) 語(yǔ)

傳統(tǒng)能源領(lǐng)域的大力節(jié)能是我國(guó)目前發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)的著重點(diǎn)，所以未來(lái)高壓變頻器市場(chǎng)非常大有可為，未來(lái)高壓變頻器將繼續(xù)朝著大功率、小型化、輕型化的方向發(fā)展。雖然目前我國(guó)變頻器配套產(chǎn)業(yè)的實(shí)力相對(duì)較弱，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品牌無(wú)論在加工制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等技術(shù)方面都與國(guó)外品牌存在一定差距，但隨著我國(guó)高壓變頻器產(chǎn)業(yè)在品牌、技術(shù)、人才、管理、服務(wù)等各方面的日趨成熟，自主研發(fā)能力的不斷加強(qiáng)，必將能打造一批綜合競(jìng)爭(zhēng)力的企業(yè)，行業(yè)也將迎來(lái)更大的發(fā)展。

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