論綠色變換的發(fā)展

論綠色變換的發(fā)展

On Development of Green Conversion

摘要：以功率變換技術(shù)發(fā)展的歷史闡明了“回歸綠色”需要解決的網(wǎng)側(cè)與負載側(cè)的關(guān)鍵問題；并以CTA技術(shù)為代表，揭示其各分支優(yōu)波電源的廣闊應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展過程中遇到的難點；說明了電力電子及其相關(guān)器件的發(fā)展與電源綠色化過程的相互依存關(guān)系。

關(guān)鍵詞：功率變換優(yōu)波電力電子

1功率變換技術(shù)發(fā)展史呼喚綠色回歸

　　功率變換技術(shù)是按用戶需求改變電能應(yīng)用方式（改變電能的波形、頻率等）的技術(shù)；可以有AC／DC、DC／DC、DC／AC、AC／AC及其相互組合的多種變換。40年代前后，由電磁元件組合形成的各種功率變換過程基本上可實現(xiàn)清潔電源。例如，將交流電動機與直流發(fā)電機同軸聯(lián)結(jié)得到AC／DC變換，從電網(wǎng)吸取正弦電流；功率因數(shù)的校正也可由并網(wǎng)的同步電機完成。其中勵磁還要配小容量電機完成。用這樣龐大的機組群完成功率變換功能，不論在一次投資、運行費用、占地還是工作效率方面看，均受制于當(dāng)時的技術(shù)發(fā)展水平。60年代晶閘管工頻相控技術(shù)推動了功率變換技術(shù)完成從旋轉(zhuǎn)式到靜止式的變革，雖解決了上述不足，卻付出了污染電網(wǎng)、降低用電器效率的代價。PWM控制與可關(guān)斷電力電子器件組成新的變換器及其不斷更新?lián)Q代正在逐步緩解電力公害的影響，但離根治尚有很大距離。不過在跨世紀階段，人們對清潔電源的渴求，再也不會回到電磁旋轉(zhuǎn)式綠色變換時代；而將依賴電力電子器件的不斷發(fā)展以及靜止功率變換技術(shù)與相關(guān)學(xué)科的融合來創(chuàng)造現(xiàn)代綠色電源。

2創(chuàng)造綠色電源的關(guān)鍵

　　在現(xiàn)有功率變換技術(shù)基礎(chǔ)上派生綠色電源的關(guān)鍵是要解決網(wǎng)側(cè)和負載的諧波污染問題。

2．1網(wǎng)側(cè)處理

　　對網(wǎng)側(cè)業(yè)已存在的污染可進行動態(tài)諧波補償，使諧波成份被限制在允許的范圍內(nèi)。國標(biāo)GB／T14549－93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》已于1994.3.1起正式執(zhí)行，應(yīng)予堅決貫徹。

　　在研制新電源裝置時，采取網(wǎng)側(cè)補償措施，使之一體化?？砂囱b置容量與電網(wǎng)容量之比制定達到綠色標(biāo)準(zhǔn)的功率因數(shù)和吸取電網(wǎng)電流正弦度指標(biāo)。該項工作可由制定電源標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)威部門完成，供技術(shù)質(zhì)量監(jiān)督部門參考。

　　80年代中期以來，對網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)校正與動態(tài)諧波補償技術(shù)已步入由可關(guān)斷電力電子器件實現(xiàn)裝置的發(fā)展過程。已有國外大型補償裝置進入現(xiàn)場，在電網(wǎng)經(jīng)濟運行中發(fā)揮作用。國際國內(nèi)在這一領(lǐng)域的研究也十分活躍。90年代初，清華大學(xué)蔡宣三教授等對有源校正、混合校正技術(shù)進行了系統(tǒng)歸納和總結(jié)。為了重新認識和解決這一領(lǐng)域的問題，西安交通大學(xué)劉進軍博士在導(dǎo)師王兆安教授的支持下，對動態(tài)功率因數(shù)重新進行了理論上的定義，并應(yīng)用該理論指導(dǎo)新一代補償裝置的研制。近年來日本Masada教授在潛心于利用超導(dǎo)技術(shù)解決電力系統(tǒng)峰谷電力貯存問題的同時處理網(wǎng)側(cè)諧波污染。以美國李澤元（Fred.C.Lee）教授為代表的學(xué)者群則致力于結(jié)合電源拓撲和軟開關(guān)技術(shù)的發(fā)展，將網(wǎng)側(cè)校正技術(shù)置入一體化：目前主要在AC/DC、DC/DC變換的網(wǎng)側(cè)校正一體化措施方面有前沿的積累，各種其它功率變換的網(wǎng)側(cè)校正一體化問題尚有待后續(xù)研究。1996年以來，各國學(xué)者發(fā)表在IEEETrans.onPE上的這方面論文已形成熱點。電源產(chǎn)品已有專用的網(wǎng)側(cè)補償控制芯片。

　　除補償校正處理19次以下諧波問題外，軟開關(guān)技術(shù)的有機結(jié)合還同時抑制了高頻化導(dǎo)致的高頻噪聲對本機、同網(wǎng)設(shè)備和通訊系統(tǒng)的干擾。

　　以上成果直接推動各類現(xiàn)有電力電子電源向“綠色”化方向再上臺階，形成帶網(wǎng)補償功能的新型產(chǎn)品系列。

　　在風(fēng)機、泵類節(jié)電應(yīng)用領(lǐng)域中活躍著VVVF變頻器產(chǎn)品系列。從幾個kW至幾百kW量大面廣的領(lǐng)域，還沒能進行一體化網(wǎng)側(cè)補償產(chǎn)品的開發(fā)研制。事實上變頻器作為功率較大的電源，若不進行網(wǎng)側(cè)補償?shù)囊惑w化處理，對電網(wǎng)的沖擊較一般電源更嚴重，將對節(jié)電的效果產(chǎn)生負面效應(yīng)。那么，是什么原因制約了變頻器產(chǎn)品網(wǎng)側(cè)補償一體化的升級換代呢？其主要障礙并非技術(shù)本身，而是前一階段市場運作形成變頻器產(chǎn)品附加值遠低于同容量類似拓撲電源產(chǎn)品（逆變器等）的現(xiàn)實，使制造商進行產(chǎn)品升級換代時，難于合理提價，有利可圖。因此，國家是否應(yīng)出臺某些宏觀調(diào)政策，促進國產(chǎn)或合資企業(yè)變頻器產(chǎn)品網(wǎng)側(cè)補償一體化的升級換代，并以此提前占領(lǐng)國內(nèi)市場足夠的份額？

2.2負載側(cè)處理

　　對負載的問題應(yīng)具體分析。照明、電熱等用電器對供電波形無特殊要求，允許各種波形包括直流供電；馬達類感性負載需要正弦波電源供電，不適配的方波強制供電會引起強諧波噪音、電機發(fā)熱、降低電機壽命等弊端；醫(yī)用儀器中常含晶閘管電路和高脈沖電流，當(dāng)與其它用電器共用一套電源時，應(yīng)對電源的適配容量和供電波形有更嚴格的要求。

　　由于供電點負載性質(zhì)、范圍的多重性，需要提供正弦波供電的占絕大多數(shù)。因此AC/DC/AC，DC/AC，AC/AC變換的結(jié)果要求正弦失真度達到用戶的需求。常規(guī)的辦法是對輸出級采用LC濾波（單級或多級的）。許多電源產(chǎn)品說明書上標(biāo)注失真度THD（TotalHarmonicDistortion）為2％（線性負載），僅指對阻性負載，而回避對其它性質(zhì)負載THD指標(biāo)的描述，實際上回避了對負載適應(yīng)性的描述。這反映出常規(guī)濾波獲取高正弦度供電的方法本身還比較脆弱，一旦負載從阻性變?yōu)樽韪行曰蜃枞菪?、甚至晶閘管負載，或者在此基礎(chǔ)上還要求大的負載范圍，裝置的輸出電壓波形就會明顯偏離標(biāo)注的THD值。由此可以引入THD值軟硬的概念。鑒于學(xué)者們、產(chǎn)品開發(fā)部門的研究工作者對不同性質(zhì)負載工況的THD值偏離情況還缺乏研究積累，產(chǎn)品制造商的標(biāo)注也就僅限于阻性負載。

　　THD指標(biāo)標(biāo)注的含糊性使某些用戶在選擇逆變電源時遇到了不便?？磥矸从辰涣麟娫葱阅艿闹笜?biāo)應(yīng)增設(shè)一項—THD硬度，用以描述功率變換電源在不同性質(zhì)負載下，供電波形偏離正弦的程度。

　　與常規(guī)濾波不同，CTA（Comparing—Tracking—Amplifying）功率變換技術(shù)在較寬負載范圍和非純阻性負載情況下具有THD硬特性，于是在復(fù)合性負載有高正弦度要求的場合，CTA電源是最佳選擇之一。

3高THD硬度的CTA優(yōu)波電源

　　鑒于過去十年來陸續(xù)發(fā)表的有關(guān)CTA功率變換技術(shù)的論文，已多次闡明以功率開關(guān)與線性放大器電路復(fù)合成的該電源的原理、特征及典型應(yīng)用，本文不再詳述。僅就該技術(shù)在發(fā)展過程中遇到的難點和解決的途徑談一點體會。

　　CTA基本電路拓撲如圖1所示。

圖1CTA基本電路拓撲

3.1末級對管的組合

　　從CTA拓撲出發(fā)，末級對管VT1、VT2工作于特殊B類放大狀態(tài)：即飽和與線性區(qū)的臨界狀態(tài)。負載上電壓對末前級的大電壓信號作功率級跟隨，因此兩對管均作為電壓跟隨器運行。為了取得高輸入阻抗、低輸出阻抗的優(yōu)點，VT1、VT2應(yīng)具備N溝、P溝配對的IGBT功能。由于市場上沒有這種組合的模塊或單管，現(xiàn)行的CTA變換器末級常采用N溝、P溝配對的高壓小電流MOSFET與BJT達林頓管復(fù)合，獲取N溝、P溝配對的IGBT功能。但P溝MOSFET沒有足夠的市場份額，致使制造商一直不愿制造高壓P溝MOSFET。這樣，CTA技術(shù)的發(fā)展受到元器件市場的制約。IR公司在本世紀最后幾年從電力電子線路的實踐中感悟到，推挽工作的“對管”可使驅(qū)動電路簡化，已生產(chǎn)出電壓等級為400伏，電流達十幾安的N、P溝MOSFET對管。這一技術(shù)進步為CTA的發(fā)展帶來了福音。

3.2末前級電壓放大單元的實現(xiàn)

　　在無工頻變壓器的高壓輸出型CTA技術(shù)中，欲使負載波形獲得THD硬特性，必須跟蹤一個高電壓信號。這個高電壓信號是由控制前級開關(guān)的同一參考信號放大而成的。在220伏系統(tǒng)中，要求放大幾十倍至一百多倍。固定工頻信號的處理，可用信號變壓器來實現(xiàn)。升壓型大變比信號變壓器的設(shè)計亦較困難。對于大范圍變頻信號的處理，CTA系統(tǒng)不宜采用升壓型信號變壓器實現(xiàn)高電壓。因為高保真度無法在大變頻范圍內(nèi)得以保持。只能采用電子線路實現(xiàn)，確保足夠大的頻帶。按照變頻調(diào)速超低頻的要求，希望在1Hz左右實現(xiàn)低速運行。因此必須采用非電容隔直的直接耦合形式，避免相移。這樣，溫漂、其它因素引起的直流分量負面影響，必須限制在很小的范圍內(nèi)（例如峰值電壓的1％）。否則，變頻傳動在低頻狀態(tài)運行時，有用信號和干擾信號的幅值頻率將難以區(qū)分；CTA技術(shù)抑制低速轉(zhuǎn)矩脈動的優(yōu)勢就難于得到充分發(fā)揮。為了在三相系統(tǒng)中克服元器件特性的離散性，提高可靠性，三相大電壓信號單元最好采用專用集成塊。目前PA44等系列的大電流、升壓型高壓運放模塊，技術(shù)上基本能滿足要求，但價格貴到300多元/相，使CTA優(yōu)波變頻技術(shù)可望不可及。目前，采用離散電子線路實現(xiàn)的CTA變頻調(diào)速在空載條件下負載上電壓失真度已達到下表所列的水平：

繼續(xù)解決上述難點，可以在更寬的信號頻率范圍內(nèi)發(fā)揮CTA技術(shù)所長。

3.3同型管配對CTA技術(shù)的延伸發(fā)展

　　如前所述，N溝、P溝對管的實現(xiàn)在IR公司推出新對管之前的相當(dāng)一段時期里，基本CTA電路的發(fā)展欲達市電標(biāo)準(zhǔn)，曾經(jīng)比較困難，“人造”IGBT功能又使電路復(fù)雜化。于是CTA研究群體中，有人提出繞開對管N、P溝匹配結(jié)構(gòu)，尋求N溝同型管組合CTA電路的建議。理論與實驗分析表明：有些傳統(tǒng)功率電路用同型管可實現(xiàn)正、負半波的波形合成，也可以得到將各次諧波“一刀切”的波形凈化效果，但由于兩同型管不能同為射極或源極輸出結(jié)構(gòu)，勢必造成頻率和負載大范圍變化時的非對稱性跟蹤問題。原則上認為，此類復(fù)合不是本質(zhì)上的CTA拓撲。但可以在恒頻定載系統(tǒng)中應(yīng)用。

　　本項目組的理論實驗結(jié)果表明，下列兩類同型對管可以實現(xiàn)CTA高THD硬度的優(yōu)波變換。

　?。?）單端雙半波供電式CTA在圖1的基本CTA拓撲中，“開關(guān)?線性”復(fù)合的功率及開關(guān)電路是由雙Buck單元組成的，由兩個輸出端為末級線性功率放大電路提供雙半波的微紋波供電。因此可稱之為雙端雙半波供電式CTA。此類供電方式，末級必須以異型N、P溝配對的壓控器件實現(xiàn)CTA。

　　如果將前級的雙端雙半波微紋波供電，改為單端雙半波微紋波供電，末級將可用同型管實現(xiàn)高THD硬度的CTA。該研究已有實驗室階段的前期工作，由本項目組王舉貴先生提出構(gòu)思，并進行了模擬實驗。

　　（2）工頻SCTA工頻升壓雖比高頻升壓體積大，重量重，但可靠性較高，單Buck與同型管組合實現(xiàn)高THD硬度的CTA特別適合蓄電池供電的情況（圖2）。本項目組駱雅琴副教授在這方面已有前期積累。

　　由于供電電壓等級、應(yīng)用場合的不同，CTA還可以多種組合，在此不一一贅述。

3.4CTA技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

　　鑒于CTA優(yōu)波變換技術(shù)的高THD值硬度，它可以在以下領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

　?。?）DC/AC變換逆變領(lǐng)域用于再生能源（風(fēng)力、太陽能、潮汐發(fā)電等）的逆變器配套。

　　在缺少大電網(wǎng)供電的人煙稀少地區(qū)實施光明工程，目前配備的逆變器為1kVA以下方波供電，1kVA以上正弦波供電。其中正弦波供電的往往滿足家用電器復(fù)合負載的需要。由于THD硬度和其它保護措施的綜合原因，可靠性一直是一個制約再生能源供配電系統(tǒng)發(fā)展的障礙。特別是在接有醫(yī)療設(shè)備的場合——晶閘管負載，高脈沖電流負載將對逆變電源的安全運行構(gòu)成主要威脅。一般毀滅性故障往往發(fā)生在合閘瞬間。因此，在負載狀態(tài)比較復(fù)雜的場合，宜發(fā)展CTA逆變電源、取高THD硬度的優(yōu)點。

　　除此之外，類似的應(yīng)用還有與鐵路車廂配套的DC48V/AC110V逆變器供給空調(diào)系統(tǒng)；DC48V/AC220V逆變器用于通信系統(tǒng)應(yīng)急電源；還有其它變比的CTA逆變器用于電力監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)急電源；高性能醫(yī)用UPS和其它UPS；船用400Hz逆變器等。

　　與21世紀現(xiàn)代樓宇群直流母線供電的系統(tǒng)配套的千瓦級逆變器群，也是CTA系列應(yīng)用的優(yōu)選場合。

圖2

　　（2）AC/DC/AC變頻領(lǐng)域CTA變頻器由于是純正弦供電，低速時還可根據(jù)電機本身非線性實時監(jiān)測，人為構(gòu)筑補償有害諧波的軟硬措施，因此在拉絲、薄材加工、機床主軸調(diào)速等方面應(yīng)能創(chuàng)造同等控制方式（VVVF、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等）下最小的轉(zhuǎn)矩脈動，從而可在工作母機原設(shè)計能力的范圍內(nèi)，大大提高產(chǎn)品加工質(zhì)量。

　　在超高速調(diào)速系統(tǒng)中CTA模式允許在遠低于PWM系統(tǒng)開關(guān)切換頻率下實現(xiàn)高效、高正度、高THD硬度的調(diào)速；換言之，它可使系統(tǒng)工作于開關(guān)頻率遠高于PWM模式的場合。

　?。?）其它應(yīng)用領(lǐng)域CTA優(yōu)波變換獲取高THD硬度的正弦輸出電壓，僅僅是為了適應(yīng)大多數(shù)負載的需要，事實上CTA變換可以實現(xiàn)任意波形功率變換，因此，軍事領(lǐng)域的電子對抗，也可采用CTA功率變換技術(shù)。在前述的再生能源系統(tǒng)具有復(fù)雜負載工況時，也可用CTA技術(shù)實現(xiàn)小容量的有源諧波校正。現(xiàn)有的有源校正技術(shù)還是用PWM功率變換器實現(xiàn)補償換流的；從理論上說一般比不上CTA對動態(tài)偏離的完全不變性跟蹤。

4結(jié)論

　　綠色功率變換技術(shù)的發(fā)展是與電力電子器件的發(fā)展相輔相成、互為支撐的。其關(guān)鍵是在治理大電網(wǎng)或獨立小電網(wǎng)污染的同時，重視解決對負載的優(yōu)波供電問題。在此基礎(chǔ)上，采用軟開關(guān)技術(shù)解決小容量高頻電源的電磁噪聲污染。CTA功率變換技術(shù)是綠色電源發(fā)展史上具有本國特色的代表作。其發(fā)展過程及分支化、系列化將為各行各業(yè)廣闊的潛在市場提供開發(fā)產(chǎn)品的技術(shù)貯備、思路和經(jīng)驗。

　　靜止功率變換技術(shù)的發(fā)展和不斷走向清潔的過程是重返“綠色”的“回歸工程”。其最終結(jié)果將是“綠色”程度對40年代前后旋轉(zhuǎn)式變換的最大限度逼近和在體積、效率、功率傳輸密度等綜合優(yōu)化指標(biāo)上的全面超越。