中國變頻器產(chǎn)業(yè)十年關(guān)鍵詞之六——高壓變頻器
近年來，隨著電力電子技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展需要，促使電力電子器件快速發(fā)展；反過來，一代新器件或一項(xiàng)新技術(shù)一旦克服了老器件的某些缺點(diǎn)，就會(huì)推動(dòng)包括變頻器在內(nèi)的電力電子應(yīng)用裝置出現(xiàn)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(qū)動(dòng)器的外形尺寸和重量已經(jīng)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(jī)驅(qū)動(dòng)器所表現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)對電壓等級的劃分，對供電電壓≥10kV時(shí)稱高壓，1kV～10kV時(shí)稱中壓。我們習(xí)慣上也把額定電壓為6kV或3kV的電機(jī)稱為“高壓電機(jī)”。由于相應(yīng)額定電壓1 kV～10kV的變頻器有著共同的特征，因此，我們把驅(qū)動(dòng)1 kV～10kV交流電動(dòng)機(jī)的變頻器稱之為高壓變頻器。在低壓變頻器領(lǐng)域，由于電力電子器件的耐壓問題已解決，因此，形成了標(biāo)準(zhǔn)的電路拓樸結(jié)構(gòu)，也不容易產(chǎn)生新的創(chuàng)新拓樸。但功率開關(guān)器件的耐壓滿足不了中、高壓變頻器的需要，因此創(chuàng)造了比如交交變頻、單元串聯(lián)多重化、串聯(lián)多電平、直接串聯(lián)等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
高壓變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
時(shí)下，高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)眾多，根據(jù)有無中間直流環(huán)節(jié)，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(jù)中間直流濾波環(huán)節(jié)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(yè)界輿論認(rèn)為：“IGBT是不能串聯(lián)的。因?yàn)殚_關(guān)時(shí)間短，微秒級，很難保證所有管子串聯(lián)同時(shí)開關(guān)。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(gè)1700V的管子加上6000V，只能燒掉，一燒一串，不可能串聯(lián)。”2001年，世界首創(chuàng)的電壓源型IGBT直接串聯(lián)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(lián)的難題，代表了高壓變頻器的一個(gè)發(fā)展方向。
級聯(lián)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(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)低壓功率單元串聯(lián)形成的高壓逆變系統(tǒng)，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(lián)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(fā)展，多電平逆變器實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)一般主要有：二極管箝位型、飛跨電容箝位型、具有獨(dú)立直流電源的級聯(lián)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(lián)時(shí)所需要的均壓問題，1977年德國學(xué)者Holtz首次提出了利用開關(guān)管來輔助中點(diǎn)箝位的三電平逆變器主電路，1981年日本學(xué)者A.Nabae提出中點(diǎn)箝位型PWM逆變電路結(jié)構(gòu)。1983年Bhagwat和Stefanovic進(jìn)一步將三電平推廣到多電平的結(jié)構(gòu)。在對三電平PWM變頻的研究，不僅在理論分析、控制技術(shù)方面，而且在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程應(yīng)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(yīng)用于軋鋼的三電平雙PWM整流/變頻調(diào)速系統(tǒng)，以適用于四象限運(yùn)行及動(dòng)態(tài)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(shù)的SIMOVERT MV高壓變頻器，代表當(dāng)今高壓變頻技術(shù)的最新成果。北京康得也在07年發(fā)布了采用HV-IGBT技術(shù)的Diamond-HV高壓大功率變頻系統(tǒng)，摒棄了冗繁的吸收電路，使可靠性進(jìn)一步增強(qiáng)。山東新風(fēng)光JD-BP37-T 、JD-BP38-T 系列提升機(jī)高壓變頻器填補(bǔ)了國內(nèi)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(gòu)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(fù)雜，而且開關(guān)頻率增高，開關(guān)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(yùn)行，輸出波形較好，諧波含量和dv/dt較小（dv/dt＜500dv/dt）。
獨(dú)立直流電壓源的級聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
1994年，美國羅賓康公司推出了全球第一臺單元串聯(lián)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(diǎn)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(diào)節(jié)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(jī)能正常運(yùn)行，該技術(shù)使單元串聯(lián)多電平變頻器的可靠性得到很大提高。單元串聯(lián)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(dá)公司MAXF系列，東方凱奇公司等高壓變頻調(diào)速器制造廠等均采用這種結(jié)構(gòu)。為了減少串聯(lián)功率單元數(shù)，簡化系統(tǒng)以及進(jìn)一步降低輸出諧波含量，日本富士電機(jī)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(dá)到功率單元數(shù)減少一半的目的。
混合級聯(lián)型多電平變換電路
混合級聯(lián)型單相主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中功率開關(guān)元件就不全是IGBT，而是在電壓高的H橋單元里，功率開關(guān)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(lián)型多電平拓?fù)洌⑶疫@種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將波形合成策略與PWM策略相結(jié)合。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在級聯(lián)數(shù)相同的情況下，可以輸出更大的功率，而且電平數(shù)也可以增加，更加接近正弦波，諧波含量更少。但混合級聯(lián)型多電平變頻器在這種控制策略情況下會(huì)出現(xiàn)高壓單元輸出過多基波電壓，從而低壓單元會(huì)出現(xiàn)電流倒灌現(xiàn)象。
電流源型交-直-交高壓變頻器
采用自關(guān)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(hù)開關(guān)器件的作用，用于異步電機(jī)的調(diào)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(lián)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(chǎn)電流源高壓變頻調(diào)速器未見成熟的工業(yè)產(chǎn)品。
交-交高壓變頻器
交-交高壓變頻器是采用晶閘管實(shí)現(xiàn)的無直流環(huán)節(jié)的直接由交流到交流的變頻器，也叫做周波換流器（CYCLO）。其優(yōu)點(diǎn)是可用于驅(qū)動(dòng)同步和異步電機(jī)；堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和保持轉(zhuǎn)矩大；動(dòng)態(tài)過載能力強(qiáng)；可四象限運(yùn)行；電機(jī)功率因數(shù)可為cosφ=1；極佳的低速性能；弱磁工作范圍廣；轉(zhuǎn)矩質(zhì)量高；效率高。其缺點(diǎn)是功率因數(shù)與速度有關(guān)，低速時(shí)功率因數(shù)低；最大輸出頻率為電源頻率的1/n（n=2，3，……）；最大轉(zhuǎn)速<500r/m；網(wǎng)側(cè)諧波大。
交-交SDM級聯(lián)高壓變頻
交-交SDM級聯(lián)高壓變頻方案主電路結(jié)構(gòu)與多電平級聯(lián)方案基本相同，通過輸入變壓器產(chǎn)生的多路浮動(dòng)低壓電源給各功率變換模塊供電，串聯(lián)后，得到了輸出高壓電。該方案的功率變換模塊實(shí)質(zhì)上是一種單相輸出矩陣式變頻器。
SDM級聯(lián)高壓變頻方案的所有功率半導(dǎo)體器件工作在自然環(huán)流狀態(tài)，即零電流軟關(guān)斷，避免了IGBT等器件強(qiáng)迫關(guān)斷產(chǎn)生的應(yīng)力，這對于工作在高電壓大電流狀態(tài)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(lián)型高壓變頻器，采用3×2矩陣變換單元相互串聯(lián)而成，實(shí)現(xiàn)了高電壓的輸出，具有與H橋級聯(lián)型高壓變頻器相似的特點(diǎn)，同時(shí)又具備矩陣、交-交變換器的四象限運(yùn)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(lián)型高壓變頻器的新方法，舍棄了直流環(huán)節(jié)和串、并聯(lián)電解電容器組,實(shí)現(xiàn)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(yè)界內(nèi)有這樣一種說法，誰擁有高壓變頻器技術(shù)方面的優(yōu)勢，誰就將在未來的變頻器行業(yè)乃至工控領(lǐng)域占有一席之地。
2007年6月，國內(nèi)高壓變頻的領(lǐng)航企業(yè)北京利德華福電氣技術(shù)有限公司宣布，公司第1000套高壓變頻業(yè)績誕生，這一消息在高壓變頻領(lǐng)域被稱為重大事件。
由于能源緊張及生產(chǎn)工藝等各方面的要求，高壓變頻器已成為大型生產(chǎn)企業(yè)節(jié)能工作的必由之路。在與長期壟斷這一市場的國外產(chǎn)品的競爭中，國產(chǎn)高壓變頻器也已占有1/3以上的市場份額。
據(jù)國家《電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)產(chǎn)業(yè)化途徑與對策的研究》報(bào)告披露，中國發(fā)電總量的66%消耗在電動(dòng)機(jī)上。而我國電動(dòng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘恳堰_(dá)4億多kW，年耗電量達(dá)12000億kW.h，占全國總用電量的60%，占工業(yè)用電量的80%；其中風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)的裝機(jī)總?cè)萘恳殉^2億kW，年耗電量達(dá)8000億kW.h，占全國總用電量的40%左右。70%以上的風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)應(yīng)調(diào)速運(yùn)行，而至今僅有約5%左右調(diào)速運(yùn)行。若按風(fēng)機(jī)、水泵和壓縮機(jī)總裝機(jī)容量的50%進(jìn)行調(diào)速節(jié)能改造，則可改造容量達(dá)1億kW，其中40%為中高壓電機(jī)，容量占60%。若按電機(jī)平均出力為60%，年運(yùn)行4000h，平均節(jié)電率為20～30%（平均25%）計(jì)算，則年節(jié)電潛力為600億kW.h！整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)的節(jié)電潛力約為1000億kW.h，改造和更新預(yù)計(jì)需投入2000～3000億元人民幣。
目前，我國高壓變頻器行業(yè)以30%以上的速度發(fā)展，調(diào)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(yè)內(nèi)人士保守預(yù)測，高壓變頻市場穩(wěn)定之后的年平均市場容量應(yīng)在80～90億元。
隨著技術(shù)的進(jìn)步，高壓變頻器除了在已有的市場上繼續(xù)擴(kuò)大規(guī)模外，還將進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用的領(lǐng)域，對于很多負(fù)載，還需要解決變頻器的工程應(yīng)用上的問題。總之，高壓變頻器正在迎來發(fā)展的黃金時(shí)期。
當(dāng)然，中國高壓變頻器市場也面臨諸多問題，比如價(jià)格戰(zhàn)、貨款回收周期長，等等，需要相關(guān)行業(yè)組織和專家、企業(yè)家共同探討，使這個(gè)高速增長的行業(yè)能有一個(gè)更加良好的發(fā)展環(huán)境。
隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)及電機(jī)控制理論的發(fā)展，當(dāng)然也少不了各國學(xué)者的科研努力，人們對功率變換規(guī)律更進(jìn)一步的認(rèn)識，以后會(huì)出現(xiàn)更新、更好的新型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，特別是近年來“電力電子積木”pebb(power electronics building block)技術(shù)的興起，使多個(gè)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?fù)涞陌l(fā)展提供了有力的技術(shù)支持，從而引起中高壓功率變換技術(shù)的更大發(fā)展。
高壓變頻器的概念
按國際慣例和我國國家標(biāo)準(zhǔn)對電壓等級的劃分，對供電電壓≥10kV時(shí)稱高壓，1kV～10kV時(shí)稱中壓。我們習(xí)慣上也把額定電壓為6kV或3kV的電機(jī)稱為“高壓電機(jī)”。由于相應(yīng)額定電壓1 kV～10kV的變頻器有著共同的特征，因此，我們把驅(qū)動(dòng)1 kV～10kV交流電動(dòng)機(jī)的變頻器稱之為高壓變頻器。在低壓變頻器領(lǐng)域，由于電力電子器件的耐壓問題已解決，因此，形成了標(biāo)準(zhǔn)的電路拓樸結(jié)構(gòu)，也不容易產(chǎn)生新的創(chuàng)新拓樸。但功率開關(guān)器件的耐壓滿足不了中、高壓變頻器的需要，因此創(chuàng)造了比如交交變頻、單元串聯(lián)多重化、串聯(lián)多電平、直接串聯(lián)等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
高壓變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
時(shí)下，高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)眾多，根據(jù)有無中間直流環(huán)節(jié)，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(jù)中間直流濾波環(huán)節(jié)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(yè)界輿論認(rèn)為：“IGBT是不能串聯(lián)的。因?yàn)殚_關(guān)時(shí)間短，微秒級，很難保證所有管子串聯(lián)同時(shí)開關(guān)。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(gè)1700V的管子加上6000V，只能燒掉，一燒一串，不可能串聯(lián)。”2001年，世界首創(chuàng)的電壓源型IGBT直接串聯(lián)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(lián)的難題，代表了高壓變頻器的一個(gè)發(fā)展方向。
級聯(lián)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(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)低壓功率單元串聯(lián)形成的高壓逆變系統(tǒng)，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(lián)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(fā)展，多電平逆變器實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)一般主要有：二極管箝位型、飛跨電容箝位型、具有獨(dú)立直流電源的級聯(lián)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(lián)時(shí)所需要的均壓問題，1977年德國學(xué)者Holtz首次提出了利用開關(guān)管來輔助中點(diǎn)箝位的三電平逆變器主電路，1981年日本學(xué)者A.Nabae提出中點(diǎn)箝位型PWM逆變電路結(jié)構(gòu)。1983年Bhagwat和Stefanovic進(jìn)一步將三電平推廣到多電平的結(jié)構(gòu)。在對三電平PWM變頻的研究，不僅在理論分析、控制技術(shù)方面，而且在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程應(yīng)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(yīng)用于軋鋼的三電平雙PWM整流/變頻調(diào)速系統(tǒng)，以適用于四象限運(yùn)行及動(dòng)態(tài)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(shù)的SIMOVERT MV高壓變頻器，代表當(dāng)今高壓變頻技術(shù)的最新成果。北京康得也在07年發(fā)布了采用HV-IGBT技術(shù)的Diamond-HV高壓大功率變頻系統(tǒng)，摒棄了冗繁的吸收電路，使可靠性進(jìn)一步增強(qiáng)。山東新風(fēng)光JD-BP37-T 、JD-BP38-T 系列提升機(jī)高壓變頻器填補(bǔ)了國內(nèi)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(gòu)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(fù)雜，而且開關(guān)頻率增高，開關(guān)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(yùn)行，輸出波形較好，諧波含量和dv/dt較小（dv/dt＜500dv/dt）。
獨(dú)立直流電壓源的級聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
1994年，美國羅賓康公司推出了全球第一臺單元串聯(lián)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(diǎn)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(diào)節(jié)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(jī)能正常運(yùn)行，該技術(shù)使單元串聯(lián)多電平變頻器的可靠性得到很大提高。單元串聯(lián)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(dá)公司MAXF系列，東方凱奇公司等高壓變頻調(diào)速器制造廠等均采用這種結(jié)構(gòu)。為了減少串聯(lián)功率單元數(shù)，簡化系統(tǒng)以及進(jìn)一步降低輸出諧波含量，日本富士電機(jī)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(dá)到功率單元數(shù)減少一半的目的。
混合級聯(lián)型多電平變換電路
混合級聯(lián)型單相主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中功率開關(guān)元件就不全是IGBT，而是在電壓高的H橋單元里，功率開關(guān)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(lián)型多電平拓?fù)洌⑶疫@種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將波形合成策略與PWM策略相結(jié)合。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在級聯(lián)數(shù)相同的情況下，可以輸出更大的功率，而且電平數(shù)也可以增加，更加接近正弦波，諧波含量更少。但混合級聯(lián)型多電平變頻器在這種控制策略情況下會(huì)出現(xiàn)高壓單元輸出過多基波電壓，從而低壓單元會(huì)出現(xiàn)電流倒灌現(xiàn)象。
電流源型交-直-交高壓變頻器
采用自關(guān)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(hù)開關(guān)器件的作用，用于異步電機(jī)的調(diào)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(lián)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(chǎn)電流源高壓變頻調(diào)速器未見成熟的工業(yè)產(chǎn)品。
交-交高壓變頻器
交-交高壓變頻器是采用晶閘管實(shí)現(xiàn)的無直流環(huán)節(jié)的直接由交流到交流的變頻器，也叫做周波換流器（CYCLO）。其優(yōu)點(diǎn)是可用于驅(qū)動(dòng)同步和異步電機(jī)；堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和保持轉(zhuǎn)矩大；動(dòng)態(tài)過載能力強(qiáng)；可四象限運(yùn)行；電機(jī)功率因數(shù)可為cosφ=1；極佳的低速性能；弱磁工作范圍廣；轉(zhuǎn)矩質(zhì)量高；效率高。其缺點(diǎn)是功率因數(shù)與速度有關(guān)，低速時(shí)功率因數(shù)低；最大輸出頻率為電源頻率的1/n（n=2，3，……）；最大轉(zhuǎn)速<500r/m；網(wǎng)側(cè)諧波大。
交-交SDM級聯(lián)高壓變頻
交-交SDM級聯(lián)高壓變頻方案主電路結(jié)構(gòu)與多電平級聯(lián)方案基本相同，通過輸入變壓器產(chǎn)生的多路浮動(dòng)低壓電源給各功率變換模塊供電，串聯(lián)后，得到了輸出高壓電。該方案的功率變換模塊實(shí)質(zhì)上是一種單相輸出矩陣式變頻器。
SDM級聯(lián)高壓變頻方案的所有功率半導(dǎo)體器件工作在自然環(huán)流狀態(tài)，即零電流軟關(guān)斷，避免了IGBT等器件強(qiáng)迫關(guān)斷產(chǎn)生的應(yīng)力，這對于工作在高電壓大電流狀態(tài)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(lián)型高壓變頻器，采用3×2矩陣變換單元相互串聯(lián)而成，實(shí)現(xiàn)了高電壓的輸出，具有與H橋級聯(lián)型高壓變頻器相似的特點(diǎn)，同時(shí)又具備矩陣、交-交變換器的四象限運(yùn)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(lián)型高壓變頻器的新方法，舍棄了直流環(huán)節(jié)和串、并聯(lián)電解電容器組,實(shí)現(xiàn)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(yè)界內(nèi)有這樣一種說法，誰擁有高壓變頻器技術(shù)方面的優(yōu)勢，誰就將在未來的變頻器行業(yè)乃至工控領(lǐng)域占有一席之地。
2007年6月，國內(nèi)高壓變頻的領(lǐng)航企業(yè)北京利德華福電氣技術(shù)有限公司宣布，公司第1000套高壓變頻業(yè)績誕生，這一消息在高壓變頻領(lǐng)域被稱為重大事件。
由于能源緊張及生產(chǎn)工藝等各方面的要求，高壓變頻器已成為大型生產(chǎn)企業(yè)節(jié)能工作的必由之路。在與長期壟斷這一市場的國外產(chǎn)品的競爭中，國產(chǎn)高壓變頻器也已占有1/3以上的市場份額。
據(jù)國家《電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)產(chǎn)業(yè)化途徑與對策的研究》報(bào)告披露，中國發(fā)電總量的66%消耗在電動(dòng)機(jī)上。而我國電動(dòng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘恳堰_(dá)4億多kW，年耗電量達(dá)12000億kW.h，占全國總用電量的60%，占工業(yè)用電量的80%；其中風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)的裝機(jī)總?cè)萘恳殉^2億kW，年耗電量達(dá)8000億kW.h，占全國總用電量的40%左右。70%以上的風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)應(yīng)調(diào)速運(yùn)行，而至今僅有約5%左右調(diào)速運(yùn)行。若按風(fēng)機(jī)、水泵和壓縮機(jī)總裝機(jī)容量的50%進(jìn)行調(diào)速節(jié)能改造，則可改造容量達(dá)1億kW，其中40%為中高壓電機(jī)，容量占60%。若按電機(jī)平均出力為60%，年運(yùn)行4000h，平均節(jié)電率為20～30%（平均25%）計(jì)算，則年節(jié)電潛力為600億kW.h！整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)的節(jié)電潛力約為1000億kW.h，改造和更新預(yù)計(jì)需投入2000～3000億元人民幣。
目前，我國高壓變頻器行業(yè)以30%以上的速度發(fā)展，調(diào)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(yè)內(nèi)人士保守預(yù)測，高壓變頻市場穩(wěn)定之后的年平均市場容量應(yīng)在80～90億元。
隨著技術(shù)的進(jìn)步，高壓變頻器除了在已有的市場上繼續(xù)擴(kuò)大規(guī)模外，還將進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用的領(lǐng)域，對于很多負(fù)載，還需要解決變頻器的工程應(yīng)用上的問題。總之，高壓變頻器正在迎來發(fā)展的黃金時(shí)期。
當(dāng)然，中國高壓變頻器市場也面臨諸多問題，比如價(jià)格戰(zhàn)、貨款回收周期長，等等，需要相關(guān)行業(yè)組織和專家、企業(yè)家共同探討，使這個(gè)高速增長的行業(yè)能有一個(gè)更加良好的發(fā)展環(huán)境。
隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)及電機(jī)控制理論的發(fā)展，當(dāng)然也少不了各國學(xué)者的科研努力，人們對功率變換規(guī)律更進(jìn)一步的認(rèn)識，以后會(huì)出現(xiàn)更新、更好的新型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，特別是近年來“電力電子積木”pebb(power electronics building block)技術(shù)的興起，使多個(gè)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?fù)涞陌l(fā)展提供了有力的技術(shù)支持，從而引起中高壓功率變換技術(shù)的更大發(fā)展。
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