中國變頻器產業十年關鍵詞之六——高壓變頻器
近年來，隨著電力電子技術應用的發展需要，促使電力電子器件快速發展；反過來，一代新器件或一項新技術一旦克服了老器件的某些缺點，就會推動包括變頻器在內的電力電子應用裝置出現革命性的變化。在過去幾年里，大家可以看到交流高壓變頻驅動器的外形尺寸和重量已經有了很明顯的變化。在這種表象下更加顯著的變化是這些電機驅動器所表現出的性能、效率和可靠性的改善。
高壓變頻器的概念
按國際慣例和我國國家標準對電壓等級的劃分，對供電電壓≥10kV時稱高壓，1kV～10kV時稱中壓。我們習慣上也把額定電壓為6kV或3kV的電機稱為“高壓電機”。由于相應額定電壓1 kV～10kV的變頻器有著共同的特征，因此，我們把驅動1 kV～10kV交流電動機的變頻器稱之為高壓變頻器。在低壓變頻器領域，由于電力電子器件的耐壓問題已解決，因此，形成了標準的電路拓樸結構，也不容易產生新的創新拓樸。但功率開關器件的耐壓滿足不了中、高壓變頻器的需要，因此創造了比如交交變頻、單元串聯多重化、串聯多電平、直接串聯等拓撲結構。
高壓變頻器的拓撲結構
時下，高壓變頻器拓撲結構眾多，根據有無中間直流環節，有交-交變頻器和交-直-交變頻器之分。在交-直-交變頻器中，根據中間直流濾波環節的不同，又有電壓源型(也稱電壓型)和電流源型(也稱電流型)高壓變頻之分。
電壓型交-直-交高壓變頻器
直接高壓二電平電壓源型變頻器
業界輿論認為：“IGBT是不能串聯的。因為開關時間短，微秒級，很難保證所有管子串聯同時開關。否則有的早開，所有的電壓都來加在晚開的管子上，那么這個1700V的管子加上6000V，只能燒掉，一燒一串，不可能串聯?！?001年，世界首創的電壓源型IGBT直接串聯高壓變頻器，在成都佳靈電氣制造有限公司問世，解決了IGBT直接串聯的難題，代表了高壓變頻器的一個發展方向。
級聯多電平電壓源型變頻器
1986 年5 月，美國西屋電氣公司申請了4674024號的美國專利，提出了由獨立的標準低壓功率單元串聯形成的高壓逆變系統，1994 年3 月，美國羅賓康公司在專利5625545中率先引入多重化移相變壓器和多電平移相式PWM 等概念，解決了輸入/輸出諧波、du/dt、共模電壓和可靠性等問題。1997年7月北京先行和1998年6月北京凱奇分別申請了功率單元串聯性高壓變頻器專利。近年來，多電平高壓變頻器得到了飛速發展，多電平逆變器實現的結構一般主要有：二極管箝位型、飛跨電容箝位型、具有獨立直流電源的級聯型、具有多繞組變壓器輸出的多重化型等等。
二極管箝位多電平逆變電路
為解決器件直接串聯時所需要的均壓問題，1977年德國學者Holtz首次提出了利用開關管來輔助中點箝位的三電平逆變器主電路，1981年日本學者A.Nabae提出中點箝位型PWM逆變電路結構。1983年Bhagwat和Stefanovic進一步將三電平推廣到多電平的結構。在對三電平PWM變頻的研究，不僅在理論分析、控制技術方面，而且在系統設計和工程應用等方面都取得很大的成功。日本三菱公司研制出了容量80MW的變頻器，應用于軋鋼的三電平雙PWM整流/變頻調速系統，以適用于四象限運行及動態性能要求較高的場合。瑞典ABB公司采用IGCT器件的三電平變頻器ACS1000高壓變頻器在我國大量使用。德國西門子采用HV-IGBT技術的SIMOVERT MV高壓變頻器，代表當今高壓變頻技術的最新成果。北京康得也在07年發布了采用HV-IGBT技術的Diamond-HV高壓大功率變頻系統，摒棄了冗繁的吸收電路，使可靠性進一步增強。山東新風光JD-BP37-T 、JD-BP38-T 系列提升機高壓變頻器填補了國內空白。
飛跨電容箝位型三電平變換電路
1992年，T.A.Maynard和H.Foch提出用飛跨電容取代箝位二極管,構建飛跨電容箝位型多電平主電路。電容箝位型多電平變流器的電平合成自由度和靈活性高于二極管箝位型多電平變流器，但控制方法非常復雜，而且開關頻率增高，開關損耗增大，效率隨之降低。法國阿爾斯通公司的alspa cdm6000系列高壓變頻器，是采用IGBT器件的飛跨電容四電平變頻器，可四象限運行，輸出波形較好，諧波含量和dv/dt較?。╠v/dt＜500dv/dt）。
獨立直流電壓源的級聯型拓撲結構
1994年，美國羅賓康公司推出了全球第一臺單元串聯式多電平高壓變頻器，并取名為“完美無諧波變頻器”，1998年5月，羅賓康公司又提出了中心點偏移式功率單元旁路的方法，在故障功率單元被旁路后，通過調節三相輸出電壓的之間的相位，保證輸出線電壓仍保持三相對稱，電機能正常運行，該技術使單元串聯多電平變頻器的可靠性得到很大提高。單元串聯式多電平高壓變頻方案在我國獲得了大面積推廣，北京利得華福公司HARSVERT-A系列，北京先行公司HVF系列，上海科達公司MAXF系列，東方凱奇公司等高壓變頻調速器制造廠等均采用這種結構。為了減少串聯功率單元數，簡化系統以及進一步降低輸出諧波含量，日本富士電機Fuji公司的FRENIC4600FM4系列，采用12脈沖不可控整流和三電平單相PWM逆變，達到功率單元數減少一半的目的。
混合級聯型多電平變換電路
混合級聯型單相主電路拓撲結構主電路拓撲結構中功率開關元件就不全是IGBT，而是在電壓高的H橋單元里，功率開關元件采用IGCT，在電壓低的H橋單元中，采用IGBT，即形成不對稱級聯型多電平拓撲，并且這種拓撲結構將波形合成策略與PWM策略相結合。這種拓撲結構在級聯數相同的情況下，可以輸出更大的功率，而且電平數也可以增加，更加接近正弦波，諧波含量更少。但混合級聯型多電平變頻器在這種控制策略情況下會出現高壓單元輸出過多基波電壓，從而低壓單元會出現電流倒灌現象。
電流源型交-直-交高壓變頻器
采用自關斷器件GTO（SGCT）的電流源型變頻器，直流電路有大電感，可起到保護開關器件的作用，用于異步電機的調速。常見的電流源型高壓變頻器有美國Rockwell公司(A-B)Bulletin1557型電流型(采用GTO直接串聯共18只)和Power FlexTM 7000系列電流型(采用6.5kV,6只SGCT器件)變頻器；美國ROSS-HILL(羅斯希爾)公司VFD型電流型高壓變頻器；意大利ANSALDO(安薩爾多)公司SHCOVERT(H)高壓電流源變頻器；國產電流源高壓變頻調速器未見成熟的工業產品。
交-交高壓變頻器
交-交高壓變頻器是采用晶閘管實現的無直流環節的直接由交流到交流的變頻器，也叫做周波換流器（CYCLO）。其優點是可用于驅動同步和異步電機；堵轉轉矩和保持轉矩大；動態過載能力強；可四象限運行；電機功率因數可為cosφ=1；極佳的低速性能；弱磁工作范圍廣；轉矩質量高；效率高。其缺點是功率因數與速度有關，低速時功率因數低；最大輸出頻率為電源頻率的1/n（n=2，3，……）；最大轉速<500r/m；網側諧波大。
交-交SDM級聯高壓變頻
交-交SDM級聯高壓變頻方案主電路結構與多電平級聯方案基本相同，通過輸入變壓器產生的多路浮動低壓電源給各功率變換模塊供電，串聯后，得到了輸出高壓電。該方案的功率變換模塊實質上是一種單相輸出矩陣式變頻器。
SDM級聯高壓變頻方案的所有功率半導體器件工作在自然環流狀態，即零電流軟關斷，避免了IGBT等器件強迫關斷產生的應力，這對于工作在高電壓大電流狀態的高壓大容量變頻器尤為重要
矩陣型高壓變頻器
矩陣級聯型高壓變頻器，采用3×2矩陣變換單元相互串聯而成，實現了高電壓的輸出，具有與H橋級聯型高壓變頻器相似的特點，同時又具備矩陣、交-交變換器的四象限運行能力。哈爾濱九洲電氣股份有限公司提出了一種將矩陣變換器引入H聯型高壓變頻器的新方法，舍棄了直流環節和串、并聯電解電容器組,實現了交-形式的直接變換,因此大大延長了變頻器的使用壽命,體積也可以減小許多。
高壓變頻器的市場
在變頻器業界內有這樣一種說法，誰擁有高壓變頻器技術方面的優勢，誰就將在未來的變頻器行業乃至工控領域占有一席之地。
2007年6月，國內高壓變頻的領航企業北京利德華福電氣技術有限公司宣布，公司第1000套高壓變頻業績誕生，這一消息在高壓變頻領域被稱為重大事件。
由于能源緊張及生產工藝等各方面的要求，高壓變頻器已成為大型生產企業節能工作的必由之路。在與長期壟斷這一市場的國外產品的競爭中，國產高壓變頻器也已占有1/3以上的市場份額。
據國家《電動機調速技術產業化途徑與對策的研究》報告披露，中國發電總量的66%消耗在電動機上。而我國電動機裝機總容量已達4億多kW，年耗電量達12000億kW.h，占全國總用電量的60%，占工業用電量的80%；其中風機、水泵、壓縮機的裝機總容量已超過2億kW，年耗電量達8000億kW.h，占全國總用電量的40%左右。70%以上的風機、水泵、壓縮機應調速運行，而至今僅有約5%左右調速運行。若按風機、水泵和壓縮機總裝機容量的50%進行調速節能改造，則可改造容量達1億kW，其中40%為中高壓電機，容量占60%。若按電機平均出力為60%，年運行4000h，平均節電率為20～30%（平均25%）計算，則年節電潛力為600億kW.h！整個電機系統的節電潛力約為1000億kW.h，改造和更新預計需投入2000～3000億元人民幣。
目前，我國高壓變頻器行業以30%以上的速度發展，調查顯示，我國變頻器的市場潛力約為1800億，其中，高壓變頻器約占40%。有變頻業內人士保守預測，高壓變頻市場穩定之后的年平均市場容量應在80～90億元。
隨著技術的進步，高壓變頻器除了在已有的市場上繼續擴大規模外，還將進一步擴展應用的領域，對于很多負載，還需要解決變頻器的工程應用上的問題?？傊邏鹤冾l器正在迎來發展的黃金時期。
當然，中國高壓變頻器市場也面臨諸多問題，比如價格戰、貨款回收周期長，等等，需要相關行業組織和專家、企業家共同探討，使這個高速增長的行業能有一個更加良好的發展環境。
隨著電力電子技術、計算機技術和自動控制技術及電機控制理論的發展，當然也少不了各國學者的科研努力，人們對功率變換規律更進一步的認識，以后會出現更新、更好的新型電路拓撲結構，特別是近年來“電力電子積木”pebb(power electronics building block)技術的興起，使多個功率器件的集成化和低成本化逐步成為可能，也為多電平變換電路拓撲的發展提供了有力的技術支持，從而引起中高壓功率變換技術的更大發展。
高壓變頻器的概念
按國際慣例和我國國家標準對電壓等級的劃分，對供電電壓≥10kV時稱高壓，1kV～10kV時稱中壓。我們習慣上也把額定電壓為6kV或3kV的電機稱為“高壓電機”。由于相應額定電壓1 kV～10kV的變頻器有著共同的特征，因此，我們把驅動1 kV～10kV交流電動機的變頻器稱之為高壓變頻器。在低壓變頻器領域，由于電力電子器件的耐壓問題已解決，因此，形成了標準的電路拓樸結構，也不容易產生新的創新拓樸。但功率開關器件的耐壓滿足不了中、高壓變頻器的需要，因此創造了比如交交變頻、單元串聯多重化、串聯多電平、直接串聯等拓撲結構。
高壓變頻器的拓撲結構
時下，高壓變頻器拓撲結構眾多，根據有無中間直流環節，有交-交變頻器和交-直-交變頻器之分。在交-直-交變頻器中，根據中間直流濾波環節的不同，又有電壓源型(也稱電壓型)和電流源型(也稱電流型)高壓變頻之分。
電壓型交-直-交高壓變頻器
直接高壓二電平電壓源型變頻器
業界輿論認為：“IGBT是不能串聯的。因為開關時間短，微秒級，很難保證所有管子串聯同時開關。否則有的早開，所有的電壓都來加在晚開的管子上，那么這個1700V的管子加上6000V，只能燒掉，一燒一串，不可能串聯?！?001年，世界首創的電壓源型IGBT直接串聯高壓變頻器，在成都佳靈電氣制造有限公司問世，解決了IGBT直接串聯的難題，代表了高壓變頻器的一個發展方向。
級聯多電平電壓源型變頻器
1986 年5 月，美國西屋電氣公司申請了4674024號的美國專利，提出了由獨立的標準低壓功率單元串聯形成的高壓逆變系統，1994 年3 月，美國羅賓康公司在專利5625545中率先引入多重化移相變壓器和多電平移相式PWM 等概念，解決了輸入/輸出諧波、du/dt、共模電壓和可靠性等問題。1997年7月北京先行和1998年6月北京凱奇分別申請了功率單元串聯性高壓變頻器專利。近年來，多電平高壓變頻器得到了飛速發展，多電平逆變器實現的結構一般主要有：二極管箝位型、飛跨電容箝位型、具有獨立直流電源的級聯型、具有多繞組變壓器輸出的多重化型等等。
二極管箝位多電平逆變電路
為解決器件直接串聯時所需要的均壓問題，1977年德國學者Holtz首次提出了利用開關管來輔助中點箝位的三電平逆變器主電路，1981年日本學者A.Nabae提出中點箝位型PWM逆變電路結構。1983年Bhagwat和Stefanovic進一步將三電平推廣到多電平的結構。在對三電平PWM變頻的研究，不僅在理論分析、控制技術方面，而且在系統設計和工程應用等方面都取得很大的成功。日本三菱公司研制出了容量80MW的變頻器，應用于軋鋼的三電平雙PWM整流/變頻調速系統，以適用于四象限運行及動態性能要求較高的場合。瑞典ABB公司采用IGCT器件的三電平變頻器ACS1000高壓變頻器在我國大量使用。德國西門子采用HV-IGBT技術的SIMOVERT MV高壓變頻器，代表當今高壓變頻技術的最新成果。北京康得也在07年發布了采用HV-IGBT技術的Diamond-HV高壓大功率變頻系統，摒棄了冗繁的吸收電路，使可靠性進一步增強。山東新風光JD-BP37-T 、JD-BP38-T 系列提升機高壓變頻器填補了國內空白。
飛跨電容箝位型三電平變換電路
1992年，T.A.Maynard和H.Foch提出用飛跨電容取代箝位二極管,構建飛跨電容箝位型多電平主電路。電容箝位型多電平變流器的電平合成自由度和靈活性高于二極管箝位型多電平變流器，但控制方法非常復雜，而且開關頻率增高，開關損耗增大，效率隨之降低。法國阿爾斯通公司的alspa cdm6000系列高壓變頻器，是采用IGBT器件的飛跨電容四電平變頻器，可四象限運行，輸出波形較好，諧波含量和dv/dt較?。╠v/dt＜500dv/dt）。
獨立直流電壓源的級聯型拓撲結構
1994年，美國羅賓康公司推出了全球第一臺單元串聯式多電平高壓變頻器，并取名為“完美無諧波變頻器”，1998年5月，羅賓康公司又提出了中心點偏移式功率單元旁路的方法，在故障功率單元被旁路后，通過調節三相輸出電壓的之間的相位，保證輸出線電壓仍保持三相對稱，電機能正常運行，該技術使單元串聯多電平變頻器的可靠性得到很大提高。單元串聯式多電平高壓變頻方案在我國獲得了大面積推廣，北京利得華福公司HARSVERT-A系列，北京先行公司HVF系列，上海科達公司MAXF系列，東方凱奇公司等高壓變頻調速器制造廠等均采用這種結構。為了減少串聯功率單元數，簡化系統以及進一步降低輸出諧波含量，日本富士電機Fuji公司的FRENIC4600FM4系列，采用12脈沖不可控整流和三電平單相PWM逆變，達到功率單元數減少一半的目的。
混合級聯型多電平變換電路
混合級聯型單相主電路拓撲結構主電路拓撲結構中功率開關元件就不全是IGBT，而是在電壓高的H橋單元里，功率開關元件采用IGCT，在電壓低的H橋單元中，采用IGBT，即形成不對稱級聯型多電平拓撲，并且這種拓撲結構將波形合成策略與PWM策略相結合。這種拓撲結構在級聯數相同的情況下，可以輸出更大的功率，而且電平數也可以增加，更加接近正弦波，諧波含量更少。但混合級聯型多電平變頻器在這種控制策略情況下會出現高壓單元輸出過多基波電壓，從而低壓單元會出現電流倒灌現象。
電流源型交-直-交高壓變頻器
采用自關斷器件GTO（SGCT）的電流源型變頻器，直流電路有大電感，可起到保護開關器件的作用，用于異步電機的調速。常見的電流源型高壓變頻器有美國Rockwell公司(A-B)Bulletin1557型電流型(采用GTO直接串聯共18只)和Power FlexTM 7000系列電流型(采用6.5kV,6只SGCT器件)變頻器；美國ROSS-HILL(羅斯希爾)公司VFD型電流型高壓變頻器；意大利ANSALDO(安薩爾多)公司SHCOVERT(H)高壓電流源變頻器；國產電流源高壓變頻調速器未見成熟的工業產品。
交-交高壓變頻器
交-交高壓變頻器是采用晶閘管實現的無直流環節的直接由交流到交流的變頻器，也叫做周波換流器（CYCLO）。其優點是可用于驅動同步和異步電機；堵轉轉矩和保持轉矩大；動態過載能力強；可四象限運行；電機功率因數可為cosφ=1；極佳的低速性能；弱磁工作范圍廣；轉矩質量高；效率高。其缺點是功率因數與速度有關，低速時功率因數低；最大輸出頻率為電源頻率的1/n（n=2，3，……）；最大轉速<500r/m；網側諧波大。
交-交SDM級聯高壓變頻
交-交SDM級聯高壓變頻方案主電路結構與多電平級聯方案基本相同，通過輸入變壓器產生的多路浮動低壓電源給各功率變換模塊供電，串聯后，得到了輸出高壓電。該方案的功率變換模塊實質上是一種單相輸出矩陣式變頻器。
SDM級聯高壓變頻方案的所有功率半導體器件工作在自然環流狀態，即零電流軟關斷，避免了IGBT等器件強迫關斷產生的應力，這對于工作在高電壓大電流狀態的高壓大容量變頻器尤為重要
矩陣型高壓變頻器
矩陣級聯型高壓變頻器，采用3×2矩陣變換單元相互串聯而成，實現了高電壓的輸出，具有與H橋級聯型高壓變頻器相似的特點，同時又具備矩陣、交-交變換器的四象限運行能力。哈爾濱九洲電氣股份有限公司提出了一種將矩陣變換器引入H聯型高壓變頻器的新方法，舍棄了直流環節和串、并聯電解電容器組,實現了交-形式的直接變換,因此大大延長了變頻器的使用壽命,體積也可以減小許多。
高壓變頻器的市場
在變頻器業界內有這樣一種說法，誰擁有高壓變頻器技術方面的優勢，誰就將在未來的變頻器行業乃至工控領域占有一席之地。
2007年6月，國內高壓變頻的領航企業北京利德華福電氣技術有限公司宣布，公司第1000套高壓變頻業績誕生，這一消息在高壓變頻領域被稱為重大事件。
由于能源緊張及生產工藝等各方面的要求，高壓變頻器已成為大型生產企業節能工作的必由之路。在與長期壟斷這一市場的國外產品的競爭中，國產高壓變頻器也已占有1/3以上的市場份額。
據國家《電動機調速技術產業化途徑與對策的研究》報告披露，中國發電總量的66%消耗在電動機上。而我國電動機裝機總容量已達4億多kW，年耗電量達12000億kW.h，占全國總用電量的60%，占工業用電量的80%；其中風機、水泵、壓縮機的裝機總容量已超過2億kW，年耗電量達8000億kW.h，占全國總用電量的40%左右。70%以上的風機、水泵、壓縮機應調速運行，而至今僅有約5%左右調速運行。若按風機、水泵和壓縮機總裝機容量的50%進行調速節能改造，則可改造容量達1億kW，其中40%為中高壓電機，容量占60%。若按電機平均出力為60%，年運行4000h，平均節電率為20～30%（平均25%）計算，則年節電潛力為600億kW.h！整個電機系統的節電潛力約為1000億kW.h，改造和更新預計需投入2000～3000億元人民幣。
目前，我國高壓變頻器行業以30%以上的速度發展，調查顯示，我國變頻器的市場潛力約為1800億，其中，高壓變頻器約占40%。有變頻業內人士保守預測，高壓變頻市場穩定之后的年平均市場容量應在80～90億元。
隨著技術的進步，高壓變頻器除了在已有的市場上繼續擴大規模外，還將進一步擴展應用的領域，對于很多負載，還需要解決變頻器的工程應用上的問題?？傊邏鹤冾l器正在迎來發展的黃金時期。
當然，中國高壓變頻器市場也面臨諸多問題，比如價格戰、貨款回收周期長，等等，需要相關行業組織和專家、企業家共同探討，使這個高速增長的行業能有一個更加良好的發展環境。
隨著電力電子技術、計算機技術和自動控制技術及電機控制理論的發展，當然也少不了各國學者的科研努力，人們對功率變換規律更進一步的認識，以后會出現更新、更好的新型電路拓撲結構，特別是近年來“電力電子積木”pebb(power electronics building block)技術的興起，使多個功率器件的集成化和低成本化逐步成為可能，也為多電平變換電路拓撲的發展提供了有力的技術支持，從而引起中高壓功率變換技術的更大發展。
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