大功率变流技术与应用1

95/2007收稿日期：2007-05-08作者简介：丁荣军(1961-),男,高级工程师(教授级)，工学硕士，管理学硕士，株洲电力机车研究所副所长,主管科研开发工作；黄济荣（1938-），男，高级工程师(教授级)，从事交流传动系统的研究与开发工作。大功率变流技术与应用(一)丁荣军，黄济荣（株洲电力机车研究所，湖南株洲412001）摘要：电力电子器件和变流技术在不断地发展，在解决全球能源消耗持续上升、节约用电和减少污染排放的过程中，以及在保持社会和经济的可持续发展中起着不可替代的作用。不论是改变发电资源，从传统的矿石资源向可再生能源转变，还是在发电、输电、配电和用电环节中广泛使用高效的技术与产品，都与变流技术密切相关。文章系统地叙述了电力电子变流技术的发生、发展与应用。关键词：大功率；变流技术；电力电子器件；节能中图分类号：TM46文献标识码：A文章编号：1671-8410(2007)05-0009-07HighPowerConverterTechnologyandApplication(1)DINGRong-jun，HUANGJi-rong(ZhuzhouElectricLocomotiveResearchInstitute,CSR,Zhuzhou,Hunan412001,China)Abstract:Withthecontinuousinnovation,powerelectronicsdevicesandconvertertechnologyplayanirreplaceableroleinreducingglobalenergyconsuming,savingelectricpower,decreasingpollutionemissionandretainingthesustainabledevelopmentofsocietyandeconomy.Thechangingofpowergenerationfromtraditionaloreresourcetorenewableenergyandtheextensiveapplicationofhighefficientinpowergeneration,powertransmission,powerdistributionandpoweroperationarecorrelatedwithconvertertechnology.Thegeneration,develop-mentandapplicationofpowerelectronicsconvertertechnologyaredescribedsystematically.Keywords:highpower;convertertechnology;powerelectronicdevice;energysaving综述·评论0引言全球能源消耗持续上升，需要增加发电能力、节约用电并减少污染排放。我国更不例外，它已经成为社会、经济能否可持续发展的重大问题。在解决这些问题的过程中，两件事将起着关键作用：其一是改变发电资源，从传统的矿石资源向可再生能源转变；其二是在发电、输电、配电和用电环节中广使用高效率的技术与产品。而这两件事中，都与变流技术密切相关。例如，虽然电机早已为人们所熟悉，但其功率流控制和机电能量变换过程的控制受到电力电子变流技术的巨大而深远的影响。电力电子学：20世纪50年代pn-结和晶体管的出现，开拓了半导体物理学的新领域，人类开始步入现代固态电子学的时代。1956年发明了pnpn晶体管(晶闸管)，此后，集成电路时代来临。这意味着，固态半导体器件开始进入人类生活的方方面面[1,2]。20世纪70年代初提出的新的边缘学科——电力电子学，涉及半导体(电力电子和微电子)、能量变换(静止变流器和旋转的机电能量变换器)和控制(模拟控制和数字控制)。以今天的观点，电力电子学是一门涉及材料、能源和信息的边缘学科。电力电子与微电子：固态电子带来了第一次电子革命，而电力电子带来了第二次电子革命。电力电子装置处理发电、输电、配电和用电系统中的能流或功率流，如用晶闸管、GTO、IGBT等电力电子器件构成的变流器；微电子装置处理信息、控制系统的信号流，如各PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建大功率变流技术与应用(一)类逻辑门、运算器、处理器等。电力电子器件的电压达几百至几千伏、电流达几百至几千安，工作频率为几十至几百千赫兹。目前欧洲交通装备上用的IGBT，定额达到6500V、600～1200A，而微电子器件则是几十伏、毫安或微安级的，但工作频率可达兆赫兹。变流技术：由电力电子器件组成各种电路（拓扑）的变流器，在有目的、精致的控制下实现能量形式变换（如把交流电变为直流电、或把直流电变为交流电）、相数变换（如把3相变为单相、2相或更多相）、频率变换（如把标准的50Hz变为0至任意赫兹）、幅值变换、相位变换（如把电流相位变换为与网压成±90°的电流）。电力电子技术的功效：在国民经济的各个领域、从军工到民间衣食住行，都离不开电力电子学，离不开变流技术。在实现现代化、强化节约和高效利用资源中，几乎无处不在。它的效用在于：(1)现代化目标电力电子装置以其独特的单位体积能流比和精确的可控制性向特定的机械(负载)提供可调节电能，使这些机械以最佳方式实现自己的功能，满足人们设定的各种目标。如大功率风扇直接启动时，由于电流冲击使电压瞬时下陷，以致电灯突然暗淡，采用软起动可避免这种情况；提供几万甚至几十万安培电流的整流器为冶炼工业实现了炼铝、炼铜的现代化；高压晶闸管的出现催生了高压整流器和逆变器，使高压乃至超高压直流输电成为现实；没有现代变流技术和交流传动系统，几乎接近轮-轨体系极限的350km/h的高速列车只能是一个梦，机器人也不会如此快速地日臻“成熟”，因为其每一个部位都有巧妙的伺服系统，包括驱动器(变流器)和控制器等。（2）节约资源通过现代电力电子技术进行电能变换，可从合适、经济的输入获得最佳、符合要求的输出，减少过程损耗，提高效率。此外，变流技术还提高了设备的功率因数，减少电流波形中的谐波，在产生相同有功功率的同时减少无功功率和附加损耗。工厂、农村随处可见的不可调节风机、水泵(上世纪90年代我国有2000万台)，无谓消耗大量电能；我国发电厂自用电(主要是3kV或6kV电机驱动的风机、水泵)占其发电量的8%～10%（国外只有4%～5%），大大增加了发电成本，减少了商品电量；水泥厂把依赖活门调节风量的风机改由变流器供电后，1年节省的电费就足以抵偿改造所花的全部资金；电力机车由相控整流器和直流牵引电机改用采用交-直-交电压型变流器和交流电机之后，从牵引接触网来看，电力机车的功率因数可从85%(额定负载下)、甚至70%或更低(部分负载下)提高至95%以上，几乎接近于1，并减少了接触网中产生的谐波电流和无功分量；采用变频空调、冰箱也为用户节省可观的电费；利用太阳能提供建筑用热、用光、用冷、用电、通风和调湿等，可以实现建筑有效节能。据统计，可节约能源70%以上。（3）保护环境首先，从电能的产生、传输到应用，从工农业设备到民生生活各层次的降耗提效，使得在需求总电量不变的前提下，可减少社会总发电量和装机容量，这不仅节省资源，如煤、石油的使用量，同时可显著减少发电厂的排污量，降低空气污染和温室效应。这是电力电子学在环境保护上首要贡献；其次，作为可再生资源发电不可缺少的接口，变流技术将为保护环境做出新的贡献；第三，由于应用电力电子技术和变流技术使设备降低了电磁幅射水平，从而保护人类环境不受或少受电磁的污染和噪声的搔扰。1在国民经济各个领域中的电力电子学1.1发电这里特别要提到的是可再生能源。太阳能总量很大，我国陆地表面每年接受的太阳能相当于1700亿t标准煤的能量。而且太阳内部的核聚变反应可以维持很长的时间，估计约有几十亿至上百亿年；风能同样丰富，据初步测算，我国陆上离地面10m高度层的风能资源储量约为32亿kW，其中可开发的2.53亿kW。而近海风能储量约为7.5亿kW；主要来自农业废弃物、薪柴、林业废弃物、有机废弃物（如禽畜排泄物和城市生活垃圾）、工业废弃物（如谷物加工厂、造纸厂、木材厂、糖厂、酒厂和食品厂等产生的）的生物质，在我国总量达4.87亿t油当量，其中有约3.7亿t可用于发电和供热，占总量的76％。还有海洋能、地热能等。利用可再生资源发电的主要优点是，除了用之不尽、取之不竭外，还可消除有害物质的排放。其主要缺点是，除了成本较高外就是不可控性。可再生能源的利用率随季节、甚至逐日变化，而它的终端用户或电网有确定的特性。所以，一个不可或缺的环节是，需要有适合与用户或公用电网连接的接口变流器。不论是太阳能电池提供的直流电，还是风力涡轮机驱动发电机产生的交流电，在定额(如电压幅值、频率)上和稳定性上都不适合直接应用，也无法直接连网，必须通过变换和调节获得所需频率和幅值的电能。1.2分布式发电与微电网近时人们对分布式发电和微电网的兴趣越来越大。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建大功率变流技术与应用(一)在传统的电力系统中，大型发电厂（站）产生的电能通过长距离输电线送到消费中心（城市或乡村）。为了保证电能质量和电网安全，控制中心连续地监视并调节整个系统。但是，电力系统正在发生变化，大量分布式发电和微电网已经出现。微电网是分布式发电机、储能装置与负载的集合，能够响应中央控制信号。对传统电网而言，它是一个可以提供电、热的单一系统。微电网中的分布式发电装置（如风能、太阳能一类的可再生资源发电）是具有电力电子接口的小型单元（一般小于10MW），分散配置在用户现场。电力电子接口提供控制和连网所需的功能。1.3输电电力电子技术的发展，促进输电技术发生两大变化。一是，采用高压直流输电（HVDC）以减少损耗。我国已建成的葛洲坝到上海线路、从三峡水电站起始的4条线路以及正在兴建的西南峡谷梯级水电站的多条线路都采用HVDC技术的。在这种输电线路中，需要电压高达几十万伏（超高压直流输电为±80万V）的整流器和逆变器；二是，传统交流输电系统通过与电力电子技术相结合，产生了所谓的柔性交流输电系统（FACTS）。实现对系统参数、如电压幅值、相位、潮流的连续调节，FACTS技术是通过大功率电力电子装置、如SVC、TCSC、STATCOM、UPFC补偿无功功率、防止电压下陷、降低损耗，大幅提高电力系统的稳定性和输送能力。图1是柔性交流输电系统中采用电力电子装置的一个例子——UPFC。1.4交通在交-直-交变流技术成熟的前提下，铁路大功率干线电力机车自上世纪80年代起实现了用交流牵引电机替代直流牵引电机的变革。从此，交流传动成了所有轨道和道路交通装备的几乎唯一选项。与直流传动相比，交流牵引电机的单位质量功率比成倍提高。交流传动技术的完善，使今日实现几万吨列车的重载运输和350km/h的高速列车成为可能。交流传动的关键技术是大功率交-直-交变流器及其控制器，这也是所有外商试图垄断和拒绝转让技术的核心部分。1.5传统产业传统制造业与电力电子技术结合，更新换代，衍生了新的现代化产业。在采掘机械、石油钻机、化工设备、轧钢、造纸、水泥等设备以及各种自动化生产线上，采用变流器供电的可调节交流电机传动后，不仅减少了接触器、继电器，还使控制精确、操作方便，故障率低；大功率脉冲电源供电的激光器催生和促进了精密加工领域的发展，如激光焊接、激光切割、激光熔覆、激光快速成型；金属冶炼用直流电弧替代传统的交流电弧显著降低了电极、耐火材料和电能的损耗，但这需要高性能的大功率整流电源。此外，为了模拟高速飞行器实际再入环境的高温、高压状态以考核防热材料的性能和防热设计效能，通常采用直流电源供电、功率达百兆瓦级的直流电弧加热器。1.6节能从环境保护和社会、经济发展的概念出发，节约电能与开发电能具有同等重要的意义。节约电能的途径就是降耗，通过电力电子技术降低设备和系统中的传导损