高压直流电源整流及逆变技术分析

陈路 丁祖军 陈万

引言

在早期，高压直流经常采用工频升压，然后使用二极管和晶闸管进行整流和调节。它们因电路简单、技术成熟等优点得到广泛应用，但因其输出电压难以实现快速调节。用于高压场合的三相PWM控制方案已被广泛研究，因为其可以实现具有双向电流和功率流的统一输出。但是，开关装置的高耐压能力以及复杂的处理技术仍然影响着该电路的正常使用。而高压直流电源则是指通过电力转换技术，将在输配电网络运行过程中供给的交换电，转化为现实所需电网的仪表装置。经过了半个多世纪的演变之后，高压直流电源已应用于各行各业，包括电气设备耐压试验、医药机械、冶金工业、直流馈电等。在以往，高压直流电源一般使用工频升压方法，并且由于电路和工艺完善的优势而得到应用。但现在因为其是直接运行于工频中，它可以用于功率放大和隔离电流，尽管它需要一个大而笨重的工频变压器，但电压畸变和长输出电流调节时间使其难以进行速度调整，而且电压频率、供电质量及其安全性都很难满足实际需求。

一、高压直流电源现状

20世纪中后期，高电压电流互感器开始被投入使用。在21世纪，国家电网规模扩大，大型互联设施建成，单个发电机组容量超过300-1000兆瓦，形成了330kV的直流输电系统。20世纪70年代初期，又出现了利用向栅极上增加一种与接通输出电流方式恰恰相反的电压来实现关断控制的晶闸管技术，也因此产生了逆变器。高压直流输电技术发展进入了晶闸管换流阶段，其设计最大直流电压为80KV，最高容量为320MW；自此之后兴建的高压直流输电工程便已开始大量使用晶闸管设计，而以前的汞孤阀设计也逐渐由晶闸管所取代[1]。由于其简化的布局和先进的技术，它被广泛使用并已成为DC-DC逆变器站的标准设备。20世纪90年代，新的金属氧化物半导体技术首次用于工业生产，1977年3月，世界上第一个使用半导体变压器技术的实验性直流输电项目在瑞典中部投入使用。其最大功率和输出电压为3MW和10KV，最大传输长度为10KM。采用这种换流技术的换流装置能力高，体积小，构造简便并且克服了由直流输电系统向交流输电设备点送电的困难，因此开始被大范围使用。但是因为其自身消耗大等缺点，不利于大规模建设使用。近几年来，高压直流输电工程进展得相当快，在国家电网内也大量采用了高压电网技术，而研究与生产中的入门级集成晶闸管和大功率碳化硅元件中，在大型高压直流电力输送中也有着较好的应用前景。这些器件压力高，同流性能好，消耗少，体积小，稳定性好，同时也具备自关断性能，所以这种全新的半导体变流方式将逐渐代替原有的晶闸管等工艺，并将有力促进直流输电发展。到了21世纪初总输电能力已达53281MW，直流输电路径/线缆共19399Km。

二、高压直流电源变换原理

对于三相电源方面，可以通过对其进行BUCK式的PWM交斩波处理，之后再通过较小体积的LC系列滤波电容器，对其高频率谐波进行有效抑制，从而就能够对在交流变压器上所形成的高交流电压进行有效整流，而这也就是形成高压直流电源的最主要原因[2]。在此过程中也需要特别注意，由于所使用的整流变压器在转换过程中还需要通过升压变压器，此时就需要由技术人员妥善设置好的压力变化比，并且要求交流变压器和二阀式的交流变压器必须处于相等位置。经过实际研究我们可以发现，这个方法当前已经更加成熟，再加上表现出的可靠性高等优点，在正常应用流程中，技术人员就能通过对交流PWM变换器做出合理性选择，确保导通占空比能够得到变压器的可靠控制，最终结果将可能呈现完全把控直流的效果[3]。

三、整流与逆变技术分析

整流和逆变完全不同，这两个是不同的概念，而且完全含义完全相反。前者是指将交流的电压转变为直流的电压，这种转变也能够很单纯的形容为“交转直”，后者是指将直流的电压转换成交流的电压，这种转变能够很单纯的形容为“直转交”。

（一）逆变

由上文即可知道逆变电路就是“直转交”线路，而在线路的旁边有与电网相连的线路就可以认为是有源逆变电路。当线路的一侧有交流接通，同时有负载接通时，则该回路又可以称为无源电路。如图1所示。

图1 逆变电路（类型：单向全桥式）

图中所示为单向全桥式逆变电路，电路中的开关（S1-S4）的通断完全依靠各自基极电流控制。图中的二极管（D1-D4）为续流二极管，当电路开关转换时提供防止电路突然通断造成电流冲击，提供续流通道。iL使得通过负载的电路连续，防止对负载造成巨大的电流冲击。当开关S1,S4闭合，S2,S3断开时，电路中的电流通过S1,iL，流经负载，S4最后回归电源负极，当电压稳定时，负载电压约等于电源电压（为正）；当开关S2,S3闭合，S1,S4断开时，电路中的电流通过S1,流经负载，iL，S4最后回归电源负极，当电压稳定时，负载电压也约等于电源电压（为负）。如此完成一个周期电流的转换。通过电流持续控制开关S1-S4的通断，就能完成直流电到交流电的持续转换。

（二）整流

从某一种观点上来看，整流工作过程可以认为是一个很特殊的物理现象，不仅是“交转直”，而且还是形成了一个功率流程，而这个传向流程也就是供电到负载变换，这个流程通常我们称为AC或者说DC变换。在物理上则是在同样的推动力影响下，形成了不同的微小电流的逆向或是正向的输出[4]。

首先，根据集成电路图设计的这个电路设计比较简单，只需一条单纯的二极管单向引导即可到达整流的目的，但这个方式与真正意义上的整流方法完全不同，所以被叫做半波整流。但从实际效果上来说，都是直接把交流电转换成直流电。较为典型的整流电路如图2所显示。

图2 整流电路（类型：单相半波）

其次，对集成电路的工作原理介绍了电路图中的u2、RL,u0,VD,TR等基本元素，各种元器件的主要功能也有所不同。电源变压器为TR。以符号显示。假设电阻的负载中有电压通过，同时二极管中也有电压通过时，则此时器件VD导通，并且在正半周u2两端出现了a,b瞬时变化的极性，而若形成了降压，则UL被全部省略了。

在高压电源装置使用过程中，由于反映出了更多工作频率特点，在直接影响开关时间并出现反复开关的基础上，无形之中提高了运行能耗率。在这种情况下，就需要工作人员进行设计调整，必须把重点放到逆变器拓扑架构上，在妥善选型和使用的基础上，才可以防止上述情况的发生。同时，也要考虑到可以有效防止较高频率下的巨大损失发生的解决办法，断开开关，此时就可以使电流值达到零值，从而减少了能耗问题的发生。做好测试部分的优化调整工作。如果使用高频、高压电源，通常可以设计成数字集成电路，全面控制输出压力值。数字控制开关也是如此，它可以在连续和间歇模式之间进行切换。

（三）谐振变换器

同步整流电压设计，其优点一方面在于更小的导通电压的特性，而且还可以代替之前二极管达到的整流环节稳压功能，另一方面也可以更有效地控制了较低压的电流整流，最后，这也是维护好集成电路结构的重要手段。当前，在电子行业中所使用的多数转换器过程中，还有许多整流电路装置均处于硬开关电源状态，如果在此时频繁操作开关，则必然会造成切换损失量不断上升，从而严重降低系统运行稳定性和安全性。此外，部分企业在选择同步整流变换器过程中，也往往出现自驱动状态，一定程度上会对主电路构成巨大威胁，影响系统运行效率，产品质量也难以提高。[5]。以上分析各种类型的自动变换器，谐振变换器不但拥有更小尺寸的体积优势，同时还可以具有极高的性能，这也是业界人员相当重视的原因。

（四）PWM交流斩波电路

一种直接AC/AC变换电路，由于内部所表现出的各种功能方式，被区分为相控与斩控两个部分。而针对斩控的转换电路形式，相较于前一类子方法来说，更具备了明显的意义，具体原因应该从如下几个方面加以探讨：(1）由负载条件决定的交直流转换器的功率特性，也会导致功率因数的巨大变化。（2）由于斩波器驱动的逆变电路，无论是在输出端还是在输入端，都只将相对较高的谐波切换到容易消除的水平，所以输出波形的数值应该接近当时的实际正弦值。重要的一点是，随着占空比的不断变化，输出负载也会发生变化，而且这些变化的幅度往往会在很大范围内变化。（3）在表现出高速动作响应和极高工作效能的特点下，业内专家对斩控式交流变换器高度重视，其成为今后高压直流电源核心技术研发的基础，这还需广大人员继续探索，才能有效地将其运用到各个领域的实际工作。

（五）PWM整流器控制技术

控制技术也是决定PWM传输装置发展方向的关键因素，因为PWM传输装置的电压监控是输入电压和输出电流，对输入和输出电压的监控也是监控整个整流器的关键因素。这是因为使用PWM整流器的主要目的是使输入电压正弦化和功率因数单元的正常运行。对输入电流有效控制实质就是对电力电子转换器中功率流的控制，进而限制输入输出电流范围；反之，透过抑制转换器的有功能量与无功能量流转，进而调节输入输出的直流电压与输入工作电流范围，使其维持在单位功率因数的工作水平。PWM方面的输出电流限制策略一般分为两类：第一类是 “间接输入电流限制 ”策略；第二类是目前主流的 “整流输入电流限制”策略。“间接输入电流限制”其实也就是所说的“幅相”输出电流控制技术，也就是通过限制电压型PWM整流器的交换侧输入输出电流范围的波幅变动和相位，进而间接调节其网侧输出电流。因为“间接电流限制”其网侧电流的动态响应速度慢，而且对系统参数变动灵敏，所以该种限制对策已逐渐被“直观电流限制”的技术所代替。而直观电流限制的最大优点在于采用了输出电流环路，使监控系统动力学的稳定性明显提高。电流外环主要进行监控电流密度指示，而输入输出电流内环则主要控制系统电流密度，使之迅速地跟踪输入输出的电流指示，其动作响应较快、限流简便、控制精度高[6]。

（六）PID控制原理

PID控制器自问世以来已经有70年，通常被用作线性控制器。一个PID控制器有三个不同层次的功能控制。（1）比例系数，即当误差发生时，误差信号的比例性被放大或缩小，可立即起到调节控制器输出的作用，使被控变化的幅度向误差减小的方向发展，比例系数的数值决定了误差减小的速度。（2）积分关系，它总是在稳态值的方向上施加一个力，使稳态误差得以消除。积分效应的强度取决于积分时间常数的大小，时间常数越大，积分效应越弱，反之亦然。增加积分时间常数会减慢静态失配校正过程，但可以避免过度测定，提高系统稳定性。（3）微分环节，可以反映偏差信号的变化趋势，因为系统在误差控制过程中可能会出现振荡甚至不稳定，所以差分端可以根据偏差信号的变化趋势引入修正信号，这样可以减少超调和振荡，从而减少了控制时间，加快了系统的反应，改善了系统的动态特性。

由于连续模拟量不能直接用于数字控制，偏置量和控制量只能根据采样时的实际值计算，积分方程和微分方程不能直接使用，因此必须是离散和等效的。经典的PID控制算法使用一系列的采样点来代表连续时间，用增量求和法代替微分法，这样PID控制对数字控制系统来说可以是离散的。由于在这项工作中，负载很少变化，所以通常使用闭环PI电压调节。

结束语

随着时间的推移，直流高压供电系统设备的工艺设计创新技术已经被应用于多种能源行业。其中，首先出现的是无界或相控整流结构，这种结构比较简单，但输入输出的高频谐波浓度过高，功率因数较小。而优化输入输出波形的三电平PWM整流电路，可用于功率因数校正，是目前的研究热点，其结构复杂，控制过程也比较复杂；当前，关于高压电源拓扑结构的设计也有不少的研究，其工作频率的增加可以减少整个系统容积和重量，然而高频高压变压器的设计工作也给该方法提供了新的技术难题。