1、引言 近年來，能源消耗、能源價格不斷增長，企業(yè)的成本壓力明顯增大，作為節(jié)能降耗的一種重要手段，變頻調(diào)速技術(shù)越來越受到生產(chǎn)廠家的歡迎。交流電機變頻調(diào)速技術(shù)是通過控制交流電機的定子供電電壓與頻率，平滑的改變電機轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)無級調(diào)速的一項節(jié)能技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的電機調(diào)速節(jié)能系統(tǒng)。 6kv/10kv高壓異步電動機在電力、化工、供水、冶金等行業(yè)廣泛應(yīng)用，其容量一般達幾百到幾千kva，消耗電功率約占我國發(fā)電功率的30%。采用高壓變頻調(diào)速器對高壓電機進行調(diào)速控制，可以有效地節(jié)約電能（對風(fēng)機和水泵類負載，節(jié)電率在40％左右），改善電機壽命，提高產(chǎn)品質(zhì)量。據(jù)現(xiàn)場實測試驗報告表明，高壓電動機采用變頻調(diào)速技術(shù)節(jié)能效果非常顯著，其中風(fēng)機類：28％～69％；泵類：18～41％。原因主要有兩點：一是火力發(fā)電廠各輔機容量裕度太大，相當于1.68～2.54倍實際所需功率；二是大部分時間機組處于低負荷率運行，“大馬拉小車”現(xiàn)象嚴重。 2、大容量異步電機節(jié)能技術(shù) 2.1 變頻調(diào)速的工作原理 （1）交流異步電動機的調(diào)速方式 交流異步電動機的調(diào)速方式有多種，諸如調(diào)壓調(diào)速、變極調(diào)速、串級調(diào)速、滑差調(diào)速、變頻調(diào)速等，其中變頻調(diào)速具有節(jié)能顯著、性能穩(wěn)定的特點，是當今國際上應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)速方式。 （2）變頻調(diào)速的工作原理 交流異步電動機的同步轉(zhuǎn)速，即旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為: no=60f1/p 式中，no代表同步轉(zhuǎn)速（r/min）；f1代表定子頻率；p代表磁極對數(shù)； 而異步電動機的軸轉(zhuǎn)速為： n=n0（1-s）=60f1（1-s）/p 式中，s——異步電動機的轉(zhuǎn)差率； s=（n0-n）/n0 改變異步電動機的供電頻率，可以改變其同步轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)調(diào)速運行。 2.2 高壓變頻器的電路拓撲分類 （1）中間直流環(huán)節(jié) ● 無中間直流環(huán)節(jié) 常規(guī)的“交—交”式變頻器是把工頻交流直接轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流。其缺點是輸出頻率低，一般在30hz以下。由于受到最高頻率的限制，因此只能用在一些低速、大容量的特殊場合。 ● 有中間直流環(huán)節(jié) “交—直—交”式變頻器是把工頻交流通過整流器變成平滑直流，然后利用半導(dǎo)體器件（gto、gtr或igbt）組成的三相逆變器，將直流電變成可變電壓和可變頻率的交流電。其特點是直接輸出高壓，無需輸出變壓器，效率高，輸出頻率范圍寬，在工業(yè)電動系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛。 （2）電壓輸出方式 ● “高—低—高”間接變頻方式 “高—低—高”間接變頻器是在低壓通用變頻器輸入側(cè)加一臺降壓變壓器，在變頻器輸出側(cè)再加一臺升壓變頻器，向高壓電動機供電的變頻調(diào)速系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1： 這種方式由于存在中間低壓環(huán)節(jié)電流大、效率較低、體積大等缺點，較適用于200kw～500kw左右小容量高壓電動機的調(diào)速。因而在工業(yè)中的應(yīng)用不是很廣泛。 ● “高—高”直接變頻方式 隨著功率半導(dǎo)體器件的高壓大容量化的發(fā)展，使大、中功率容量的變頻器直接高壓化成為可能。這種方式可省去輸出變壓器，減少了損耗，提高了設(shè)備效率，是高壓變頻器的發(fā)展方向。它的實現(xiàn)有兩種方式，一是采用功率器件直接串聯(lián)構(gòu)成，組成交—直—交調(diào)速系統(tǒng)，如gto串聯(lián)式交直交電流型變頻器，或者igbt直接串聯(lián)高壓變頻器。另一種是采用多電平逆變器拓撲結(jié)構(gòu)。 與傳統(tǒng)二電平電壓型逆變器相比較，多電平逆變器具有諸多顯著優(yōu)點[1-4]: 輸出電平數(shù)多，具有較低的dv/dt； 無需器件串聯(lián)，采用低壓功率器件即可實現(xiàn)更高等級的電壓輸出； 通過多電平的組合逼近參考波形，使得輸出電壓具有更好的諧波性能。 因此多電平逆變器被業(yè)界認為在高壓大容量領(lǐng)域中最具應(yīng)用前景。采用多電平結(jié)構(gòu)成為實現(xiàn)高電壓大容量化的有效途徑。 自20世紀80年代初nabae等人提出三電平中點箝位電路（neutral point clamped, npc）以來[5]，多電平逆變器技術(shù)得到了很大的發(fā)展。從目前工業(yè)應(yīng)用的角度來看，多電平逆變器主要有三種類型的拓撲結(jié)構(gòu):二極管箝位結(jié)構(gòu)[5-7]、h橋級聯(lián)結(jié)構(gòu)[8-10]和懸浮電容結(jié)構(gòu)[11-13]。圖2為這三類多電平拓撲的單相電路示意圖。 三電平npc逆變器是二極管箝位結(jié)構(gòu)中研究得最為充分的一種，也是一種實用的拓撲結(jié)構(gòu)。不過當電平數(shù)超過3時，二極管箝位逆變器的直流電容電壓將得不到完全控制。瑞士abb公司的acs1000和德國西門子公司simovert系列的中高壓變頻調(diào)速裝置就是基于三電平npc逆變器實現(xiàn)的[14-15]?；谌娖絥pc逆變器的調(diào)速裝置，每個開關(guān)位置只用一只器件時，逆變器目前可輸出4.16kv線電壓，但是要輸出更高電壓，需要器件串聯(lián)[16]。 h橋級聯(lián)多電平逆變器是目前工業(yè)應(yīng)用最為成熟的一種拓撲結(jié)構(gòu)。目前國內(nèi)外有多家公司的變頻器是基于h橋級聯(lián)多電平逆變器實現(xiàn)的，例如美國羅賓康（robicon）公司的harmony系列變頻器[17]。電網(wǎng)電壓經(jīng)變壓器降低到所允許的電壓，在逆變器各相中，串入單相變頻器，經(jīng)低壓單相變頻器變頻后，實現(xiàn)高壓輸出，直接供給高壓電動機。這種方式不需要輸出變壓器，電流波形接近正弦，其輸出電壓的高低范圍由單相變頻器串入的數(shù)量決定。目前，這種方式已被廣泛采用，國外公司已有正式產(chǎn)品應(yīng)用于生產(chǎn)中，并不斷推廣，國內(nèi)也有幾家單位在進行這方面的研究開發(fā)和生產(chǎn)。應(yīng)該說這種方案是目前國產(chǎn)6kv、10kv中壓大功率變頻最可行的方案。由于采用直接高壓輸出，內(nèi)部省去了升壓變壓器，故有體積小、效率高、輸出頻率范圍寬等優(yōu)點，應(yīng)用較為廣泛。 在懸浮電容多電平逆變器的工程應(yīng)用中，目前只有alstom公司有實際的產(chǎn)品[18]。 2.3 高壓變頻器的控制策略 自上個世紀60年代，pwm控制技術(shù)被引入電力電子領(lǐng)域以來，就一直是研究的熱點。目前在多電平逆變器中應(yīng)用較為廣泛的pwm方法主要有優(yōu)化pwm方法[19-20]、載波調(diào)制pwm方法[21-22]和空間矢量調(diào)制（space vector modulation, svm）方法[23-24]等三類。 （1）優(yōu)化pwm方法 它是基于輸出電壓波形的傅立葉級數(shù)表達式，以消除低次諧波、總諧波畸變率最小和轉(zhuǎn)矩脈動最小等要求為目標函數(shù)，求解pwm脈沖波形的一種方法。其中特定諧波消除調(diào)制方法（selected harmonic eliminated modulation, shem）是最常用的優(yōu)化pwm方法。但由于優(yōu)化pwm方法需要采用數(shù)值方法計算大量的開關(guān)角度，實時在線計算較為困難。另外由于開關(guān)模式已被預(yù)先設(shè)定，這種方法在控制上的靈活性較差。 （2）載波調(diào)制pwm方法 載波調(diào)制pwm方法和svm方法均是基于伏秒平均等效原則的二類算法。載波調(diào)制的方法在原理上簡單并易于理解，算法也比較成熟，目前多電平載波調(diào)制pwm主要有sh-pwm（subharmonic pwm）算法和載波移相pwm算法。其中前者適用于相電壓開關(guān)組合單一的多電平拓撲結(jié)構(gòu)，如二極管箝位多電平逆變器；后者適用于具有大量相電壓冗余開關(guān)組合的多電平逆變器，如懸浮電容多電平逆變器和h橋級聯(lián)多電平逆變器。 （3）空間矢量調(diào)制（space vector modulation, svm）方法 與載波調(diào)制相比，svm方法具有直流電壓利用率高、諧波性能好、易于數(shù)字化實現(xiàn)等諸多優(yōu)點。因此在二電平逆變器和三電平npc逆變器中得到廣泛的研究和應(yīng)用，在二電平逆變器中的應(yīng)用較為成熟。但隨著電平數(shù)的增加，逆變器空間電壓矢量數(shù)目急劇增加，增加了svm方法選擇空間電壓矢量的難度，使得多電平svm方法大多都十分復(fù)雜，實現(xiàn)起來需要較多的計算時間。 目前在高壓大容量變頻裝置上，對電機的調(diào)速控制策略大都采用v/f恒定的控制方法。針對風(fēng)機、水泵等負荷，這種方法已經(jīng)足夠滿足調(diào)速控制的需要。而具有更優(yōu)秀調(diào)速性能的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制也逐漸地應(yīng)用到高壓變頻裝置中。 3、高壓變頻調(diào)速技術(shù)的不同技術(shù)方案評價 目前國內(nèi)外已有多家公司開發(fā)高壓變頻調(diào)速產(chǎn)品，并在工業(yè)現(xiàn)場廣泛應(yīng)用。其中國外廠家主要有西門子、abb、rockwell、robicon等公司；國內(nèi)主要是利德華福、成都佳靈、冶金自動化院等公司或研究所在生產(chǎn)或研發(fā)的高壓變頻產(chǎn)品。所采用的技術(shù)方案主要可分為兩類：電流型逆變器和多電平逆變器。rockwell公司推出的基于sgct的powerflex 7000變頻器就是采用電流型逆變器。 3.1 基于電流型逆變器的高壓變頻調(diào)速 這種變頻器具有使用功率器件少，易于控制電流和四象限運行等優(yōu)點。但是缺點也很明顯，如對電網(wǎng)污染嚴重，功率因數(shù)低，對電網(wǎng)電壓和電機參數(shù)敏感，無法做到真正的通用等。從技術(shù)和經(jīng)濟上，相比較電壓型逆變器，它都處于劣勢。 3.2 采用igct/igbt的中點箝位三電平電壓型逆變器 abb的acs1000和西門子公司的simovert mv系列變頻器都采用了這種電路結(jié)構(gòu)，如圖3所示。其優(yōu)點：電路結(jié)構(gòu)簡單、功率器件數(shù)目較少、效率高、整體可靠性高。但是缺點也很明顯，在現(xiàn)有的電力電子器件技術(shù)水平下，實現(xiàn)6kv及以上電壓輸出時需要采用功率開關(guān)器件串聯(lián)運行，而且dv/dt仍然較大，需輸出濾波器。 3.3 采用igbt的單元串聯(lián)多電平電壓型逆變器 robicon的perfect harmony系列變頻器采用了這種電路結(jié)構(gòu)，如圖4所示。其優(yōu)點：輸出無需濾波器、模塊化結(jié)構(gòu)、可以實現(xiàn)冗余運行、成本較低。而且輸入功率因數(shù)高，輸入諧波含量少，號稱完美無諧波高壓變頻器。缺點是輸入變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、采用的功率器件數(shù)目多、控制電路復(fù)雜、igbt導(dǎo)通損耗大。 3.4 采用igct的懸浮電容箝位多電平電壓型逆變器 法國alstom的變頻器采用了這種電路結(jié)構(gòu)，如圖5所示。其優(yōu)點是多電平輸出、電路結(jié)構(gòu)簡單、輸出6kv及以上電壓時避免了功率開關(guān)的串聯(lián)運行。缺點是需要的電容器多、控制技術(shù)復(fù)雜、需電容預(yù)充電電路。 圖5 懸浮電容多電平逆變[align=center][/align]器 4、高壓變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢 隨著電力電子技術(shù)的進步，各種新的技術(shù)將逐漸地應(yīng)用到高壓變頻調(diào)速中。筆者認為，未來的高壓變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)包括新型主電路拓撲結(jié)構(gòu)、大功率開關(guān)器件、控制策略等方面的研究和應(yīng)用。 4.1 新型主電路拓撲結(jié)構(gòu)的研究 多電平逆變器為變頻調(diào)速的高壓大容量化提供了一種有效途徑。但隨著應(yīng)用和研究的深入，上述的幾種電路拓撲結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中均有各自的不足之處。因此，近年來國內(nèi)外的專家學(xué)者提出了多種新型的多電平拓撲結(jié)構(gòu)，如通用箝位式多電平、層疊式多電平以及混合型多電平等。新型的多電平拓撲結(jié)構(gòu)及其控制策略正成為目前多電平逆變器領(lǐng)域熱門的研究課題。 4.2 大功率開關(guān)器件的發(fā)展 自1957年第一只普通晶閘管誕生以來，電力電子器件歷經(jīng)了無自關(guān)斷能力的晶閘管、可自關(guān)斷器件到性能優(yōu)異的復(fù)合型器件和功率集成電路、以及目前的各種新型大功率開關(guān)器件等發(fā)展階段，至今已得到了廣泛的應(yīng)用。大功率開關(guān)器件的出現(xiàn)，為高性能大容量裝置的發(fā)展提供了條件。目前在實際應(yīng)用中的大功率器件主要是門極關(guān)斷晶閘管（gto）和絕緣柵雙極型晶體管（igbt），而新型的大功率開關(guān)器件——集成門極換向晶閘管（igct）和注入增強柵晶體管（iegt）也已進入了工業(yè)實用階段。未來的大功率開關(guān)器件將向更高的阻斷電壓和更快的開關(guān)速度方向發(fā)展，為大容量電力電子裝置的發(fā)展提供更好的選擇。 4.3 控制策略 找到簡單、可靠、快速而有效的控制策略是實現(xiàn)高壓變頻調(diào)速的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前的電子技術(shù)發(fā)展水平為變頻調(diào)速的全數(shù)字化控制奠定了良好的基礎(chǔ)。數(shù)字信號處理、現(xiàn)場總線、組態(tài)軟件、遠程控制、智能控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)、參數(shù)自識別和自調(diào)整等技術(shù)將會越來越廣泛地應(yīng)用在變頻調(diào)速的控制中。 5、結(jié)束語 采用變頻器控制風(fēng)機、水泵、油泵類對發(fā)電機行業(yè)的動力控制改造或增置,節(jié)電潛力較大。一般各類發(fā)電廠中壓動力設(shè)備的裝機容量360kw～2400kw大量的老舊、高能耗動力設(shè)備仍在擔負著重要使命，電能消費嚴重。特別是蓄能發(fā)電，利用水泵蓄水及燃氣輪機發(fā)電，利用電機方式啟動后發(fā)電，用于調(diào)峰發(fā)電，都是大功率電機負荷。裝機容量65mw～200mw。因此，對此類發(fā)電行業(yè)的電機動力進行節(jié)能改造實現(xiàn)經(jīng)濟運行，加強企業(yè)管理，建設(shè)“節(jié)能和諧社會”，推進技術(shù)進步的一項重要手段。