基于開關變壓器技術的超大功率無觸點電力電子開關模塊

潘政剛 潘家忠

（1.哈爾濱電力職業技術學院，哈爾濱 150090，2.哈爾濱帕特爾科技有限公司，哈爾濱 150090）

1 引言

隨著經濟的發展，我國電網發展十分迅速，新能源及清潔能源發電規模逐步擴大，自動化、信息化新技術不斷應用，電網運行管理水平大幅提升。在大力發展清潔高效能源和多元化能源結構的同時，對供電的可靠性要求也不斷提高，因此人們紛紛開展了智能電網的基礎理論、關鍵技術和示范項目等方面的研究與實踐，使現代電網更加智能化。要實現智能電網必須研發和應用一系列關鍵技術，其中基于電力電子技術的高級電力設施在智能電網中發揮著重要的作用，它既可以單獨應用也可以用于組成復雜的系統，但是這些高級電力電子設備往往成本很高、可靠性偏低，這是當前還未能大面積應用的主要原因。

眾所周知，高級電力電子設備需要大容量的電力電子器件，而當前單只電力電子器件的耐壓和容量還遠不能滿足電網的實際要求，因此就要采用串并聯技術，這是造成成本高、可靠性低的主要原因。開關變壓器技術解決了這一長期困擾人們的重大難題，為智能電網的發展提供了一個有效的手段。

電力電子技術亦可稱為大功率電子技術，包括器件、電路和系統3個層次，其中器件的發展和應用是電力電子技術的基石。幾十年來，人們不斷地研究探索各種新型大功率器件，取得了許多積扱的成果。目前，使用最多的電力電子器件是可控硅（晶閘管），它單只耐壓較高（國內達到6500V、國外達到8500V）、電流較大（國內已達5000A、常用3000A）。但是它的耐壓限制與額定電流限制還是跟不上現代電氣設施設備發展的需要。比如由可控硅構成的10kV交流電動機調壓軟起動裝置就需要5－8只可控硅串聯，有時還需要可控硅的并聯。由于可控硅特性參數的差異化使其在串并聯應用時必須外加串聯均壓電路和并聯均流電路。這使電路復雜化，降低了可靠性，而且隨著時間的推移差異會進一步加大，可靠性還會更加惡化。其他方面應用的大型電力電子裝置存在著相同的情況，而且當電壓更高時（比如35－220kV），這種情況會更加嚴重。

我們知道，可控硅串并聯技術的可靠性是制約其功率升級和廣泛應用的關鍵問題。假如這個障礙不存在、電力電子裝置的容量可以做到任意大，可有以下應用前景：①交流電網不可控的問題可以解決而成為交流可控電網；②1000kV高壓交流輸電將很快從示范工程走向大面積應用；③可控串補裝置的研制就不會遇到這么大的困難從而大大提高線路輸送容量；④電網故障情況下大型水輪發電機的并網問題可以解決從而盡快使電網穩定；⑤抽水蓄能發電電動機電動工況下的起動可以得到解決，不再完全依賴進口；⑥礦熱爐等高耗能電爐的電耗會有較大的降低；⑦電弧爐的工作特性能得到更好的控制，提高產品質量；⑧大型電力變壓器的上電涌流和斷電過電壓問題可以得到解決，提高其使用壽命；……。

但是，研制新型大功率電力電子器件關系材料、電子等多學科的技術發展，其道路極其艱難。從20世紀40年代出現可控硅到今天己經七、八十年了，才達到前述的水平，工作電壓越高、電流越大其研制就越困難。近年出現的絕緣柵極晶體管IGBT、集成門極換流可控硅IGCT等新型電力電子器件雖然解決了某些技術問題，但是在耐壓和容量方面仍然進展不大。因此，國家相關部委出臺多項政策支持新型大功率電力電子器件的研發與攻關。

開關變壓器模塊的發明就是在這種情況下，換位思考、獨新辟蹊徑，尋找新的辦法來解決這個在某種意義上具有世界級水平的現實課題。

2 開關變壓器模塊的結構與基本原理

開關變壓器模塊基本電路如圖1所示，其中TK為變壓器，它具有一個初級繞組和一個次級繞組。初級繞組的電壓u1按被調節的交流電壓U i的要求繞制，其一端接待調節的交流電源（U i），另一端接輸出（U o）；次級繞組的電壓u2按單只電力電子器件的耐壓要求繞制，次級繞組的兩端接電力電子器件（例如SCR）；由于變壓器原邊繞組的電壓可以任意高，因此被調節電壓可以做到任意高；這樣一只器件就可以替代許多只器件的串聯，解決排除了元器件串聯的低可靠性問題。圖中的SCR只是電力電子整流器件的一種，根據設計要求它可以更換為其他電力電子器件。

圖1 開關變壓器模塊基本電路

我們知道，變壓器具有變壓的功能又具有它的開路特性（付邊開路時原邊承受全電壓且電流很小）和短路特性（付邊短路時原邊電壓很小且電流大小取決于串聯負載）；可控硅也具有開路特性和短路特性，如果把變壓器和可控硅結合起來，利用二者性能上的結合（使變壓器只工作在開路和短路狀態）就可以達到一個耐高壓的電力電子開關器件的作用。

由圖1可見，變壓器的原邊與負載串聯接電源，正反并聯的兩個單向可控硅與變壓器的付邊低壓繞組接成閉合電路，當可控硅不導通時，變壓器次級呈開路狀態，初級電流很小（小于空載電流），電源電壓的大部分加在變壓器初級繞組上，負載電壓很小；當可控硅導通時，變壓器次級呈短路狀態，初級電壓很小（短路電壓），電源電壓的大部分加在負載上。在這里由于可控硅的控制，變壓器實現對負載端電壓的開關作用，且只工作在這兩種狀態，因此我們稱之為開關變壓器。

當可控硅的導通角由小到大連續變化時，負載端電壓亦由小到大連續變化，即實現了負載的調壓。

由于串并聯問題都得到了解決，可以說我們找到了一種“完美”的大功率電力電子“器件”，即該發明提供的高電壓大電流的開關變壓器式電力電子模塊。

3 開關變壓器模塊應用于高壓電動機軟起動的實例

開關變壓器模塊用于高壓電動機軟起動電路如圖2（a）圖所示，當加上電壓時（SCR未通），開關變壓器TK原邊和電機D上得到電壓，由于TK的空載電流遠小于D的空載電流，故電壓絕大部分（95%以上）加在TK原邊，這時TK副邊也得到電壓，波形為正弦波。

當SCR控制極加上觸發電壓時，SCR導通，比如從α角處導通，則u2立即降低，u2電壓如圖2右上圖中實線所示，u1的波形也相同。

電機D上的電壓為外加電壓減去u1，則D上的電壓波形如圖2（b）下圖所示，當改變控制角α時（比如前移），則u2變小，u1變小；uD加大。這樣，連續調節α由大到小，則uD連續由小到大，完成調壓軟起動。

開關變壓器模塊的輸出電壓電流可以按任意波形輸出，它有如下特點：①由于執行器件是眾所周知的高可靠器件－變壓器，顧可靠性顯而易見。可控硅元件工作在低壓側，不必串聯且方便維修更換。②由于開關變壓器漏抗的濾波作用，高次諧波對電網的影響大大減少，高次諧波總畸變率在國標以內。③開關變壓器開通時只有銅損，關斷時只有鐵損，因此工作時損耗較小，從原理上保證了損耗小的特性。

當電力電子器件采用半控器件（例如SCR）時，可以得到高電壓大電流半控模塊，其控制方法可以是相位控制。當電力電子器件采用全控器件（例如VMOS、IGBT等）時，可以得到高電壓大電流全控模塊，其控制方法可以是脈寬調制控制（PWM）。

圖2 高壓電機軟起動電路簡圖及電壓波形圖

4 可控硅并用技術與開關變壓器模塊并用技術

開關變壓器模塊在應用于高壓電機軟起動方面的優異性能已經得到了廣泛的認同，由于它面世時間較短，目前只做到20MW，對于容量再大的電氣設施設備，只要采用可控硅并用與模塊并用相配合，更會顯示出獨到的靈活性與實用性。

（1）可控硅并用技術

前述的辦法解決了高電壓問題，但隨著所控對象容量的上升，需要調節的電流也在上升。我們采取可控硅并用技術解決了這個問題，即采取增加變壓器付邊繞組和電力電子器件的數量的方法來解決，圖3所示為兩個幅繞組開關變壓器模塊電路簡圖。這里的可控硅并用與常規的可控硅并聯有本質的區別，常規的并聯技術是指被并聯器件首與首相接且尾與尾相接后再接到電路中，而我們提出的并用器件（SCR）是分別接在各自的繞組中，與可控硅并聯有本質的區別。

圖3 多幅繞組開關變壓器模塊

（2）開關變壓器模塊并用技術

對于超大功率電氣設施與設備的電壓控制，由于工藝等方面的限制使得開關變壓器模塊不可能作到無限大時，我們采用開關變壓器模塊并用技術解決超大功率控制問題。圖4所示為兩個開關變壓器模塊并用的電路簡圖。

由圖可見，主電路是純電氣可控電路，電路中無不可控元件，無受環境因素影響的元件，功率增大時只要增大開關變壓器和可控硅的容量即可，其他部分無需變化，變化部分也就是可控硅增大后的觸發問題，而當前容量最大的可控硅其觸發電流也在200mA以下，我們采用的觸發板一直超過這個能力，故可靠觸發無問題。

5 關于開關變壓器模塊并用的討論

（1）開關變壓器模塊并用不同于電力變壓器并聯

開關變壓器模塊并用聯完全不同于教科書上所說的電力變壓器并聯運行。電力變壓器并聯運行是指幾臺變壓器不僅初級接在相同相位的電源上，而且次級并聯向負荷供電。如果變壓器的特性參數不一致，則會產生環流，損耗加大甚至損壞變壓器。

開關變壓器模塊并用只是把高壓側（初級）并聯起來，低壓側（次級）仍然各自獨立，它就好象許多電力變壓器都接在同一電網上一樣，不存在變壓器并聯時由于不平衡產生的環流。

（2）開關變壓器并用技術優于可控硅并聯技術

與常規可控硅并聯相比，這里的可控硅不會發生不開通情況。可控硅直接并聯時，如果開通時間有微小差異，當首先有一只可控硅開通時，可控硅端電壓立即下降為可控硅的管壓降（僅2V左右）。此時，未開通的可控硅雖然有觸發電壓，但由于端電壓太小很容易不開通，造成先開通的可控硅過流。開關變壓器并聯時，如果有一臺開關變壓器先開通，則在其初級繞組兩端仍至少有5%的短路壓降。對于10kV的情況至少有500V的電壓（變壓器次級電壓100V左右），這對于其他支路的開通是完全有保障的。

圖4 開關變壓器模塊并用電路圖

6 開關變壓器模塊目前的應用情況

開關變壓器模塊的第一個產業化產品是面向鋼鐵、石化、冶煉等大中型企業的高壓（3～10kV）電動機軟起動設備，由于市場對新技術新產品要有一個認識過程，所以市場推廣的過程比較艱難。尤其是這種較為關鍵的大型起動設備，其成敗關系到整個系統的正常運行與生產過程，決策者們（尤其是國有企業）怕擔責任而不敢“第一個吃螃蟹”。就電動機起動市場而言，只要起動的電機容量上一個臺階，幾乎都要我們生產者投入全部費用，完成試用后才可能走向正常的定購流程。就是在這種環境下，經過這七八年的艱辛，開關變壓器技術逐步被業內人士所認同，目前己成功推廣應用到二百多臺高壓電動機的軟起動領域。其中，兩臺12000kW及14000kW的電動機軟起動設備分別在燕山石化及鑫金鋼鐵成功應用一年有余。電機容量達20000kW的軟起動設備去年底已經在山東張店鋼鐵運行成功。

7 結論

經過在高壓電動機軟起動市場的多年應用，開關變壓器技術逐步愈加成熟與完善。實踐已經證明，這種性價比優越的大功率電力電子裝置的高可靠性和易用性是不容質疑的。實踐還有力的說明，這種功能強大、性能優越的大功率電力電子裝置完全可以推廣應用到其他需要大功率及超大功率控制的技術領域。如前所述，交流電網控制、電網故障情況下大型水輪發電機的并網、抽水蓄能發電電動機電動工況下的起動、礦熱爐等高耗能電爐的節電、電弧爐的工作特性能得到更好的控制、大型電力變壓器的上電涌流和斷電過電壓問題可以得到解決，提高其使用壽命；……。

衷心希望業內人士予以關注并探討采取合作共贏之舉，為使這一實用技術盡早地為大型電力設施設備的智能控制提供有效的技術保證。

[1] 溫家良等. 高壓晶閘管閥運行試驗方法與試驗裝置的研究與開發[J].電網技術,2006(21).

[2] 賀之淵等. 基于器件物理特性的晶閘管串聯機理的系統化研究及應用[J].中國電機工程學報,2006(12).

[3] 潘政剛等.中壓(3-10kV)電動機起動方法的分析與比較[J].電氣世界,2002(11).