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(yīng)用在礦業(yè)和機(jī)械制造等行業(yè)中，憑借其技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，能為電源小型化發(fā)展提供良好的支持，搭建更加科學(xué)合理的電源技術(shù)應(yīng)用控制平臺(tái)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的和諧統(tǒng)一。

1 HVDC概述

1.1 優(yōu) 勢(shì)

HVDC 完成的輸電過程是借助對(duì)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(tǒng)不僅安全系數(shù)較高且過載能力較好，能及時(shí)建立更加完整地作業(yè)模式，提升操作工作效率，也為行業(yè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供保障。

一方面，HVDC在運(yùn)行過程中需要的是兩根基礎(chǔ)導(dǎo)線，這就大大降低了導(dǎo)線造價(jià)成本，也為電纜費(fèi)用的合理性管理提供了保障，減少輸電運(yùn)行電能損耗，支持傳輸過程節(jié)能管理工作的開展[1]。另一方面，高壓直流電源電阻發(fā)熱損耗數(shù)值有限，且不會(huì)存在感抗和容抗等無功損耗問題，這就為整體技術(shù)處理效果的優(yōu)化創(chuàng)設(shè)了良好空間。

1.2 原 理

HVDC的應(yīng)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(shí)現(xiàn)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(chǎn)生的輸出交流能一直傳輸?shù)秸髯儔浩魑恢谩Ｕ麄€(gè)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(shù)就能保證變壓器兩閥繞組側(cè)獲取相同的高壓變流。從三相整流橋的網(wǎng)側(cè)完成實(shí)時(shí)性輸入，配合整流橋輸出串聯(lián)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(shù)已經(jīng)較為成熟，不僅可靠性和穩(wěn)定性較好，且用戶操作便捷，只需要調(diào)節(jié)交流脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）變換器的導(dǎo)通占空比就能有效完成電壓的穩(wěn)定輸出，為綜合性直流控制效果的優(yōu)化提供保障。

2 HVDC發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

對(duì)于HVDC發(fā)展進(jìn)程而言，開關(guān)電源技術(shù)具有重要的應(yīng)用價(jià)值，然而在新電子元器件、電磁材料等技術(shù)不斷發(fā)展的時(shí)代背景下，開關(guān)電源性能也在優(yōu)化更新，推動(dòng)了HVDC技術(shù)的發(fā)展，但是應(yīng)用環(huán)節(jié)方面還面臨諸多挑戰(zhàn)。

2.1 高頻高壓變壓器

在HVDC不斷發(fā)展的過程中，體積逐漸變小，這就使得頻率逐漸上升，但是對(duì)應(yīng)的分布容抗卻出現(xiàn)縮減的態(tài)勢(shì)，長(zhǎng)此以往，必然會(huì)引發(fā)絕緣不到位的問題，造成安全隱患現(xiàn)象。

2.2 電壓變化比

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

2.3 高頻化問題

變壓器的趨附效應(yīng)會(huì)對(duì)HVDC的變換過程產(chǎn)生影響，嚴(yán)重程度的加重還會(huì)阻礙變壓器的正常運(yùn)行，從而使得后續(xù)操作受限。

3 HVDC整流及逆變技術(shù)內(nèi)容

基于HVDC應(yīng)用效應(yīng)的綜合考量，要整合技術(shù)內(nèi)容和要點(diǎn)，共建更加科學(xué)穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境，確保高壓直流電源整流處理和逆變技術(shù)處理工作更加規(guī)范，從而維持應(yīng)用效果，實(shí)現(xiàn)設(shè)備應(yīng)用效能的全面優(yōu)化。

3.1 高頻高壓變壓器

為了全面提升HVDC整流及逆變技術(shù)運(yùn)行的穩(wěn)定性，要整合具體單元設(shè)計(jì)工序的規(guī)范性，確保高頻高壓變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)工作的有序落實(shí)。

（1）整合逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在HVDC使用操作環(huán)境中，為了滿足設(shè)備高運(yùn)行效率的應(yīng)用要求，要整合開關(guān)處理環(huán)節(jié)，減少開關(guān)反復(fù)操作增加的運(yùn)行能耗，確保能配合對(duì)應(yīng)的技術(shù)調(diào)整方案，維持逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用效率，減少功耗增大而造成的經(jīng)濟(jì)損失。傳統(tǒng)降壓型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要分為全橋拓?fù)浜桶霕蛲負(fù)?，而若是采取微型逆變器，則要實(shí)現(xiàn)升壓降壓變換功能的變換器拓?fù)淠Ｊ?，在建立交換功能模塊外，還能打造電氣隔離處理模式?？蛇x的拓?fù)浞桨溉绫?所示。

表1 拓?fù)浞桨?/p>

操作人員要將逆變器和準(zhǔn)諧振電路結(jié)合在一起，有效借助電壓諧振效果維持開關(guān)處理的規(guī)范性，最大程度上優(yōu)化能耗管理效果。針對(duì)變壓器漏感問題，則要結(jié)合變壓器漏感情況，配合逆變器設(shè)備，維持規(guī)劃處理的效果。

（2）控制檢測(cè)的具體應(yīng)用情況，主要是借助集成化電路的高頻高壓開關(guān)電源，建立完整的模擬處理控制模式，有效實(shí)現(xiàn)輸出電壓的控制處理，維持?jǐn)?shù)字方式操作開關(guān)的平衡性和規(guī)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(shù)字方式進(jìn)行開關(guān)操作就能為連續(xù)性轉(zhuǎn)換和不連續(xù)性轉(zhuǎn)換模式的切換予以支持。另外，要應(yīng)用脈寬調(diào)制技術(shù)、頻率調(diào)制技術(shù)、直流-直流變換器以及逆變器等打造更加完整的互補(bǔ)模式，確保能對(duì)后續(xù)電子元器件的性能予以實(shí)時(shí)性分析，提高整體應(yīng)用效率。

3.2 諧振變換器軟開關(guān)同步整流

傳統(tǒng)異步整流式處理模式主要是在下側(cè)開關(guān)位置配置二極管，利用上側(cè)晶體管將電流定向或者是不定向地傳輸?shù)蕉O管位置，維持實(shí)時(shí)性應(yīng)用要求。這種處理模式最大的弊端就在于應(yīng)用效率較低。同步整流技術(shù)的應(yīng)用要發(fā)揮技術(shù)低導(dǎo)通電阻的優(yōu)勢(shì)，替代傳統(tǒng)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(fù)載狀態(tài)（圖2），二極管會(huì)變成辦公自動(dòng)化（Office Automation，OA）模式，非同步二極管電流會(huì)向著同一個(gè)方向?qū)崿F(xiàn)電流流動(dòng)，建立不連續(xù)工作模式并產(chǎn)生振動(dòng)。由圖2可知，實(shí)線箭頭和虛線箭頭表示輕載狀態(tài)下異步整流式和同步整流式電感電流的對(duì)比，表明同步整流式因?yàn)椴扇〉氖蔷w管，所以能實(shí)現(xiàn)逆流，在負(fù)領(lǐng)域依舊實(shí)現(xiàn)電流的持續(xù)處理，確保連續(xù)模式的穩(wěn)定性和可控性。最關(guān)鍵的是，同步晶體管可逆變處理模式能提升工作的穩(wěn)定性[3-5]。

圖2 輕負(fù)載工作狀態(tài)

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(chǔ)上維持電路結(jié)構(gòu)的安全性?；诖?，一些企業(yè)會(huì)在變換器處理工作中利用整流設(shè)備，且均屬于硬開關(guān)狀態(tài)，所以要合理性控制開關(guān)的運(yùn)行頻率，維持在完整的數(shù)值處理范圍內(nèi)，保證應(yīng)用效果的最優(yōu)化。

另外，一些企業(yè)會(huì)選擇同步整流變化器自驅(qū)動(dòng)模式，這往往會(huì)對(duì)主電路產(chǎn)生影響，所以要綜合分析變換器的類型，將運(yùn)行效率和質(zhì)量作為評(píng)估的核心，應(yīng)用諧振變換器實(shí)現(xiàn)開關(guān)網(wǎng)絡(luò)零電壓開關(guān)（Zero Voltage Switch，ZVS）的應(yīng)用目標(biāo)，減少運(yùn)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(yīng)用模式，若是依據(jù)控制方式進(jìn)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(yùn)行方式是研究重點(diǎn)，要結(jié)合運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)和要求全面分析整流電路的運(yùn)行方式。整流電路是將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姷闹匾侄?，在常?guī)化晶閘管運(yùn)行模式中，三項(xiàng)橋式全控整流較為常見。陰極組設(shè)有3個(gè)基礎(chǔ)晶閘管，陽極組也是3個(gè)晶閘管，陰極組電壓參數(shù)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(xiàng)交流電后，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)晶閘管的同時(shí)導(dǎo)通，一個(gè)在陽極組、一個(gè)在陰極組，充分發(fā)揮整流電路運(yùn)行特征，按照脈沖順序逐一完成脈沖處理，實(shí)現(xiàn)兩項(xiàng)電壓差差值接入電阻型負(fù)載兩端的處理。因此，相控式晶閘管變換電路最大的優(yōu)勢(shì)就在于電路控制較為簡(jiǎn)單，功率容量較大，但是因?yàn)槭芟抻趯?shí)際設(shè)備結(jié)構(gòu)，其響應(yīng)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(yùn)行效能和功率因數(shù)與負(fù)載參數(shù)相關(guān)聯(lián)，所以功率因數(shù)一般較高，能在功率參數(shù)范圍內(nèi)建立完整的應(yīng)用模式。第二，斬控式晶閘管變換電路在實(shí)際應(yīng)用過程中輸出方和輸入方都會(huì)含有與高次諧波相關(guān)聯(lián)的開關(guān)頻率，為了保證實(shí)際應(yīng)用運(yùn)行的穩(wěn)定性和科學(xué)性，一般要結(jié)合運(yùn)行規(guī)律和關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(yīng)用中，操作人員要對(duì)輸出電壓占空比予以合理性調(diào)控，維持較好的變化模式，配合動(dòng)態(tài)響應(yīng)處理，大大提升運(yùn)行工作效率，為高壓直流電源相關(guān)聯(lián)的技術(shù)處理提供支持，保證相應(yīng)作業(yè)的穩(wěn)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(cè)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(yīng)用約束范圍內(nèi)建立完整的控制模式，主要是對(duì)PWM整流器AC側(cè)電壓基波幅和相位予以控制，從而維持應(yīng)用的合理性，并且間接控制柵極側(cè)電流，維持應(yīng)用規(guī)范性。因?yàn)榫W(wǎng)格側(cè)電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)存在滯緩性，且網(wǎng)格柵電流對(duì)系統(tǒng)參數(shù)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(jié)合高壓直流電源整流和逆變應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)對(duì)PWM進(jìn)行控制，引入電流回路的基礎(chǔ)上改善系統(tǒng)的基礎(chǔ)動(dòng)態(tài)性能，維持外部電壓環(huán)路輸出電流指令的安全性和規(guī)范性，并控制內(nèi)部電流環(huán)路的輸入效果，維持較好的響應(yīng)效率，不僅控制精度較高，而且應(yīng)用安全性符合標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 論

總而言之，HVDC整流及逆變技術(shù)的研究還有待進(jìn)一步優(yōu)化，要深度挖掘技術(shù)設(shè)計(jì)內(nèi)容，將其融合在不同領(lǐng)域中，建立更加可靠、安全且穩(wěn)定的電源處理模式，最大程度上提高應(yīng)用效能，實(shí)現(xiàn)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。