高压变频技术发展现状及趋势

林尧 上海电气集团股份有限公司中央研究院 (200070)

林尧（1986年~），男，本科，助理工程师，主要从事科研项目管理及集团产业发展战略研究。

0 引 言

电机是国民经济中主要的耗电大户，尤其是高压大功率的更是尤为突出。我国的高压电动机大部分为风机、泵类负载，大多工作在高能耗、低效率状态，具有很大的节能潜力。随着经济的发展和自动化程度的提高，采用高压变频器对风机泵类负载进行速度控制，不但对改进工艺、提高产品质量有好处，同时又是节能和设备经济运行的要求，是可持续发展的必然趋势。

随着我国经济的发展和电力价格长期不断上涨的压力，实现高压电机的调速运行及优化控制势在必行，以前的可控硅整流、逆变等器件构成的高压变频器谐波大，对电网和电机有冲击，而随着IGBT、IGCT等新型电力电子器件的不断更新和应用，已在很大程度上改善了谐波和对电网的影响，功率因数也得到了提高，原来一直难于解决的高压问题，近年来通过器件串联或单元串联得到了很好的解决。因此，高压变频器的应用规模在逐渐扩大，市场正处于一个高速增长的时期。

1 技术现状及前景

1.1 高压变频器概念及其分类

高压变频器是随着现代电力电子器件、电气传动技术的发展而逐步发展起来的一种高压电机调速产品。按国际惯例和我国国家标准，额定电压在l kV~10 kV的变频器相应称为中压变频器和高压变频器。但通常考虑到在这一电压范围内的变频器有着共同的特征，且习惯上也把额定电压为3 kV或6 kV的电动机称为“高压电机”，因此，通常我们把驱动1 kV～10 kV交流电动机的变频器称之为高压变频器。

由于拖动的高压设备各项性能指标和应用范围不同，所以对功率器件和主电路拓扑结构都有不同的要求，而且国内外各变频器厂商技术基础不同，因此其分类方法也多种多样。按照不同的分类方法，常见的高压变频器主要分类如表1所示。如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，而根据直流环节滤波元件的不同又可以分为电流源型和电压源型。交-交变频器即工频交流直接变换成频率、电压可调的交流，其缺点是输出频率低，只能用在一些低速、大容量的特殊场合。而交-直-交变频器是先把工频交流电通过整流变为直流，然后利用半导体器件通过逆变，将直流电变成电压、频率可调的交流电，其特点是直接输出高压，无需输出变压器，因此效率较高，且输出频率范围宽，在工业电动系统中应用最为广泛，目前市场上的产品也基本上属于这种类型。

表1 高压变频器分类

1.2 高压变频器关键技术及其发展

1.2.1 电力电子器件

对高压变频器而言，电力电子器件最关键的问题是解决耐压问题，其次，电力电子器件的开关过渡过程、分布参数、信号及功率延时等特性决定了产品的性能。目前用于高压变频产品的电力电子主要有：IGBT、IGCT、GTO、GTR、SCR等，IGBT因其工作电压较低，在多电平级联式高压变频器中非常具有发展前景，用它作为主回路器件能改善输出电流波形，减少谐波对电网的污染及减少系统和电动机的电应力。目前，市面上几乎所有的厂商都选用了IGBT作为其变频器的功率元件，因此，目前乃至将来一段时间内IGBT仍是生产高压变频器使用功率元件的首选。但新技术的发展日新月异，未来的大功率开关器件将向更高的阻断电压和更快的开关速度方向发展,为大容量电力电子装置的发展提供更好的选择。如日本东芝开发的IECT利用了电子注入增强效应，吸取了IGBT和GTO两者的优点：低饱和压降，宽安全工作区(吸收回路容量仅为GTO的1/10左右)，低栅极驱动功率(比GTO低两个数量级)和较高的工作频率，器件采用平板压接式电极引出结构，可靠性高，性能已经达到4.5 kV/1500 A的水平,如图1所示。因此，未来各类器件将形成相互竞争、不断创新的技术市场。

图1 东芝IECT

1.2.2 新型控制算法

高压变频既要处理巨大电能的转换(整流、逆变)又要处理信息的收集、变换和传输，因此可分成功率和控制两部分，功率部分要解决与高压大电流有关的技术问题，而控制部分则要解决的软硬件控制问题。其中，控制算法是高压变频装置的核心技术，也是今后重点研究的对象。目前在高压变频装置上,对电机的调速控制策略大都采用V/f恒定的控制方法,这种方法针对风机、水泵等负载,已经基本上能满足调速控制的需要。随着DSP和ASIC的快速发展，各种新型的控制算法的实现变得更加容易，矢量控制技术、无速度传感器技术、直接转矩控制等更优性能的调速技术近年来也获得了较大的发展。另外，自适应技术、人工智能、专家系统、神经网络、模糊逻辑等的研究也取得了可喜的进展，这些研究成果从不同的角度提出了各种仿照人的知识、思维进行控制的方法，统称为智能控制，它的发展也给交流调速系统的控制策略带来了新思想、新方法，使交流传动系统的智能控制已成为当前的一个研究热点。

1.2.3 谐波抑制技术

高压变频器由于变换功率大，开关频率一般比较小，因此，输出谐波成分比较大，如果采用常规的正弦脉宽调制（SPWM）和空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术都难以解决输出谐波大的问题。输出电压谐波会对电机的运行产生一定程度的影响，造成电机的转矩脉动，增加额外的损耗，而输入谐波则会对电网产生影响。近年来，围绕如何有效抑制、减少谐波电流，使电机的运行更加平稳，而且减少损耗，在电路结构和控制技术等方面提出了许多不同的整流和逆变方案,形成了多样化的大功率变频技术。目前普遍采用多脉动整流、变压器耦合输出、多电平和单元级联技术，形成了以多脉动整流拓扑或多电平拓扑为输入级、以变压器耦合输出或多电平输出拓扑为输出级的大功率变频器主电路。如美国罗宾康公司及我国利德华福等公司采用的单元串联多电平技术，采用多组低电压小功率IGBT，PWM变频单元串联输出实现高压大功率集成。由于采用的是功率单元进行串联，如图2所示，因此不存在元件之间的动态和静态均压问题，各变频单元由一个多绕组的隔离变压器供电，从技术上解决了一般6脉冲和12脉冲变频器产生的谐波问题，可实现完美无谐波变频。另外，一些新型的脉宽调制技术也在不断的发展和研究中，如清华大学赵争鸣等提出的混合PWM方法，即低频时采用空间矢量脉宽调制（SVPWM），高频时采用特定消谐（SHEPWM），避免了高频时SVPWM谐波特性变差和SHEPWM在低频时存储量大的缺点，充分发挥了二者的优点，使变频器在整个工作范围内都可以有效抑制低次谐波，得到较好的输出波形。

图2 功率单元串联多电平逆变

1.2.4 新型拓扑结构

高压变频技术发展至今，其主回路拓扑结构是随着电力电子器件的不断创新开发而发展的，到目前为止还没有像低压变频器那样近乎统一的拓扑结构。目前，以三电平方式和单元串联多电平方式发展最为迅速，如图3所示，为三电平拓扑结构，其中，逆变桥由三个相单元组成，每个相单元有4个功率开关（S1U~S4U）构成，VT1~VT4为续流二极管，D1~D2为钳位二极管，直流滤波环节由两组电容量相等的电容器构成。多电平逆变器为高压大容量化变频调速提供了一种有效途径，但随着实际应用和研究的不断深入，上述的几种拓扑结构在实际应用中均被发现有各自的不足之处。因此，新型的多电平拓扑结构及其控制策略成为了目前多电平逆变器领域热门的研究内容，如近年来国内外不少学者提出的通用箝位式多电平、层叠式多电平以及混合型多电平等多种拓扑结构，为高压变频器的研究发展提供了许多思路，相信随着技术的发展，未来高压变频器的拓扑结构将向低压变频器一样趋于标准化，走向统一。

图3 三电平拓扑结构

2 国内外高压变频产品发展情况

2.1 国外高压变频产品现状

经过多年的技术发展，目前国外各大品牌的变频器生产商，均形成了系列化的产品，就总体竞争形势而言，目前国内变频器市场外资品牌仍占主导地位并垄断了高端市场，主要有美国罗克韦尔（AB）、罗宾康（ROBICON）、欧洲ABB、德国西门子、法国阿尔斯通、日本三菱、富士、东芝、日立等。图4所示为西门子公司的SIMOVERT MV系列高压变频器，是进入我国较早的产品，它采用的是高—低—高方式，其核心的逆变器是采用高压IGBT器件的三电平变频器。图5所示为法国阿尔斯通公司的ALSPA CDM6000系列高压变频器，它采用IGBT器件的飞跨电容四电平变频器，可四象限运行，输出波形较好，谐波含量和dv/dt较小，在冶金、矿山使用较多。

总体而言，外资品牌一般具有完善的工艺水平、产品的质量好，可靠性较高，但同时价格也非常昂贵，现阶段发展情况主要如下：

(1)技术开发起步早，产品相对比较成熟，具有相当大的产业化规模，产品技术标准比较完备，能够提供特大功率的变频器，目前已超过10 000 kW。

(2)与变频器相关的配套产业及行业初具规模，掌握了高压变频器生产中的一些核心关键部件如IGBT、IGCT、SGCT等功率部件的生产。

(3)行业应用经验较丰富，产品在煤矿、冶金、石油化工、电力等各个行业中被广泛应用，并取得了显著的经济效益。

(4)企业多数为跨国型大公司，多为综合自动化供应商，拥有多种自动化产品的品牌关联效应，这种关联效应还体现在譬如渠道等其他资源的共享上，对于该品牌的产品销售有很好的推动作用。

图4 西门子 SIMOVERT MV系列

图5 阿尔斯通 ALSPA CDM6000

2.2 国内高压变频产品现状

目前，国内变频器的企业以低压产品为主，在高压大功率变频器方面，能够研制、生产并提供服务的高压变频器厂商为数并不多。主要品牌有：北京利德华福电气(已被施耐德收购)、广州智光电气、成都佳灵电气等,如图6、图7所示。国内企业经过多年的努力，技术上逐渐缩短了与国外品牌间的距离，初步形成产业规模，但由于技术起步晚，大部分企业产品应用还局限于对性能要求不高的低端场合。总体而言，目前国内高压变频器的品种和性能还处于发展阶段，每年市场仍需大量进口，现阶段发展情况主要如下：

(1)具有研发能力和产业化规模的企业少，且在自动化产品结构上相对比较单一，更多的是产品推广的营销策略，因此有一定劣势。但是随着本土品牌在市场的逐渐历练成熟，产品推广的营销策略也正在向品牌推广转变。

(2)技术开发起步较晚，技术标准还有待规范，生产工艺落后，勉强满足变频器产品的技术要求，通过不断的改进，与发达国家的技术差距正在逐渐缩小。

(3)稳定性及产品性能是目前各个厂商面临的主要技术问题，因此在故障率、元器件质量以及超大功率产品上还需进一步不断改进，但是价格低廉是本土品牌的巨大优势。

(4)高压变频器中使用的功率半导体、驱动电路、DSP芯片等一些核心关键器件依旧完全依赖进口。

图6 利德华福HARSVER系列

图7 佳灵JC系列

3 结 语

传统能源领域的大力节能是我国目前发展绿色经济的着重点，所以未来高压变频器市场非常大有可为，未来高压变频器将继续朝着大功率、小型化、轻型化的方向发展。虽然目前我国变频器配套产业的实力相对较弱，国内产品牌无论在加工制造、工业设计等技术方面都与国外品牌存在一定差距，但随着我国高压变频器产业在品牌、技术、人才、管理、服务等各方面的日趋成熟，自主研发能力的不断加强，必将能打造一批综合竞争力的企业，行业也将迎来更大的发展。

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