淺析用于直流配電系統的直流變壓器研究現狀及趨勢

查燚+張延遲+顧永超+董賀賀

摘 要：直流變壓器是直流配電系統中的典型單元，其發展水平是影響直流配電發展的重要因素。簡要敘述了直流變壓器的發展現狀，以期提高直流配電系統運行的安全性和穩定性。結合直流配電系統的發展情況指出直流變壓器未來的發展趨勢，從而為直流配電系統更深層次的研究奠定基礎。

關鍵詞：直流配電系統；配電安全；直流變壓器；磁耦合

中圖分類號：TM72 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.15.084

直流變壓器是保證直流配電網安全、穩定運行的關鍵。在直流配電網中，不能像交流變壓器那樣采用磁耦合的方式實現電壓變換，因此，必須基于電力電子技術，通過DC/DC變換器實現直流電壓的變換和功率的雙向傳遞。隨著電力電子技術的大力發展，直流變壓技術已經逐漸從實驗階段走向了實際運用階段，是國家863計劃項目課題“基于柔性直流的智能配電網關鍵技術研究與應用”的重點工作之一。

1 直流變壓器的研究現狀

在直流配電網中，直流變壓器（DC/DC變換器）不僅起到了變換電壓的作用，還可以實現高低壓配電母線之間的能量交互。DC/DC變換器主要分為隔離型和非隔離型。在直流配網中，為了實現不同電壓等級直流母線的電壓和功率轉換，直流變壓器必須具有電氣隔離功能。以美國弗吉尼亞電力電子中心FredC.Lee為首的學者系統地提出了直流變壓器的概念，直流變壓器在接近100%的等效占空比下工作，輸出省去了濾波電感，結構簡單。而它采用開環控制，很容易實現軟開關，可以進一步提高開關頻率和功率密度。通常情況下，現有的功率變換技術是通過工頻變壓器實現電壓匹配和電氣隔離的，但是，由于工頻變壓器體積龐大、質量笨重、損耗較大，很難實現功率轉換系統的高功率密度和高效率。近年來，高頻變壓器取代了傳統的工頻變壓器，被普遍認為是下一代功率變換的必然發展趨勢。事實上，在低壓小容量領域，DC/DC變換器已經得到了比較廣泛的應用，對于高頻隔離型DC/DC變換器也有了較多的研究文獻。但是，受電力電子半導體器件發展的限制，很少有文獻涉及中高壓大容量等級的高頻隔離DC/DC變換器。

基于雙主動全橋的高頻隔離雙向DC/DC變換器（DAB-IBDC）具有功率密度高、模塊化對稱結構、雙向功率傳輸能力、動態響應快、軟開關實現容易等優點，使其成為了高頻隔離功率變換的核心電路，受到了學術界和工業界的高度重視。圖1對比了DAB-IBDC與傳統交流電力系統的基本工作原理。事實上，兩者均可以等效為2個交流源連接在電感兩端，通過調節2個交流源之間的相移來調節功率流動的大小和方向。所不同的是，在傳統的交流電力系統中，交流源為工頻正弦波，而DAB-IBDC中為高頻方波。DAB-IBDC不僅實現了高低壓等級的變換，還實現了高低壓直流母線的電氣隔離和功率的雙向流動。另外，使用高頻隔離變壓器還可以進一步提高系統的功率密度和模塊化程度。獨立的DAB-IBDC單元可以作為一個最基本的直流變壓器單元，實現直流電壓的變換和功率的雙向傳遞等功能。對于需要更高電壓等級和更大容量的直流變壓器場合，可以采用DAB-IBDC為基本單元組合，從而構建高壓大容量直流變壓器。

2 直流變壓器在直流配電網發展趨勢

直流變壓器被廣泛應用于柔性直流配網中，而直流固態變壓器的功率密度和效率是非常關鍵的指標。因為必須采用10 kHz以上的高頻變換，所以，目前，IGBT等硅半導體器件的損耗比較大（目前效率通常在90%～92%左右），且需要較大的散熱設計。同時，高頻變壓器對轉換效率和密度的影響也非常大。在SiC器件快速發展的情況下，可以跟蹤相關半導體器件公司的最新研發進展，采用最新的SiC半導體器件模塊，利用SiC器件的高性能實現高效率和高功率密度的直流電壓和功率轉換。此外，用高頻變壓器取代傳統的工頻變壓器被認為是下一代功率變換的必然發展趨勢。而最新的納米非晶等鐵磁材料技術是實現直流固態變壓器的關鍵技術。

3 結束語

總的來說，直流配電網與直流變壓器已經得到了各國研究者的普遍重視，一些機構提出了各自的直流配電網概念和發展目標，但還沒有較為系統的示范工程報道，尤其是在高壓大容量配電領域，關于柔性直流配電的研究還比較少。盡管如此，可以預見的是，在世界各國對節能減排和能源綜合利用需求不斷增長的今天，隨著直流輸電、分布式電源、儲能和負荷的發展，直流配電網以其強大的技術和經濟優勢將會被廣泛應用，有廣闊的發展前景，而它也必將會對人們的生產生活產生較大的影響。

參考文獻

[1]韓曉東，翟亞東.高壓直流輸電用換流變壓器[J].高壓電器，2002，38（03）：5-6.

[2]王豐，炒敏，李晶，等.雙向DCDC變換器在汽車雙電壓系統中的應用研究[G]// 2008中國電工技術學會電力電子學會第十一屆學術年會論文摘要集.北京：中國電工技術學會，2008.

[3]應建華，張俊，肖靖帆.高頻PWM DC/DC轉換器的設計[J].微電子學與計算機，2009（01）：197-200.

[4]宋強，趙彪，劉文華，等.智能直流配電網研究綜述[J].中國電機工程學報，2013（25）：5，9-19.

〔編輯：白潔〕

2.1 優化浸礦工藝，改善稀土的浸出率

優化浸礦工藝，改善稀土礦體中稀土的浸出率，從而提高稀土資源的利用率。由于離子型稀土礦形成地質條件及成礦機理等存在不同，而就礦體本身而言，具有較大的差別，因此不同礦區，甚至同一礦區不同采點，其礦體特性均存在差異。如果采用同樣的浸出液配制方法（酸度、硫酸銨濃度）、注液方案和注液強度，可能得到差別較大的浸出率和開采回收率。

優化浸礦工藝，改善稀土的浸出率，具體可從以下3方面入手：①選擇合理的注液井密度與浸液方式，提高礦體稀土浸出率。應根據每一個采點的實際地質情況與成礦條件，比如礦體厚度、風化程度、礦體滲透率及品位等條件，結合以往開采所取得的開采生產參數，合理布置采區注液井密度與浸液方式，以實現相對優化的開采注液及浸液方式，以提高礦體浸透率及稀土浸出率，進而提高資源利用率。②通過采前浸礦實驗優化浸液參數，提高礦體中稀土的浸出率。由于各礦山及同一礦山不同區域的稀土礦在同一浸液參數下，浸出率仍存在差異，因此在采前應進行擬采點礦體的浸礦實驗，通過模擬礦體的浸礦實驗，調整優化浸液參數（酸度及浸礦劑濃度），并在實際生產過程中及時跟蹤母液的酸度及硫酸銨濃度，及時調整浸液參數，提高采點礦體中稀土的浸出率，從而提高資源利用率。③完成浸礦后，仍持續注液，回收殘留稀土與銨根離子，減少殘留銨根離子對采區地下水污染的同時提高稀土與硫酸銨的利用率。在完成稀土礦開采，采區母液稀土濃度下降到臨界值后，仍持續注入一段時間液體（主要為新水），將采點礦體中殘留的稀土離子及銨根離子轉換出來，不但可回收部分殘存于礦體中的稀土元素，而且可以減少氨氮對采區地下水污染并提高硫酸銨的循環利用率。

2.2 優化浸液收集工藝，提高浸出母液回收率

在離子型稀土礦原地浸礦工藝開采稀土過程中，除了提高稀土礦體中稀土的浸出率措施外，浸出母液收集方案將直接影響到母液的回收率，進而也影響到稀土開采的總回收率，因此，提高母液收集率成為整個開采過程中最為重要的措施之一，也是減少采區地下水污染最主要的措施。離子型稀土礦原地浸礦工藝發展優化過程中，母液回收率從60%逐步提高到80%以上。近年來，部分企業通過持續改進母液收集措施措施，將母液回收率提高到了90%以上，甚至95%以上，大大地改善了稀土回收率指標，減少了采區污染。主要技術措施如下：①在開采區資源勘探過程中，掌握采區地質情況，特別是基巖成形與走向，摸清采區地下水的走向規律，為集液工程的布置設計提供可靠的采區相關地質參數。②優化設計采區母液集液工程技術方案，特別是集液巷道、導流孔布置的高程、間距與收液截面比是最為關鍵的環節。同時，在采區地下水匯集區設置必要的觀測井，在有母液滲漏時及時回收成為母液集液工程的輔助措施。巷道與導流孔防堵塞措施也是集液工程設計中必須考慮的。③做好采區雨污分流及防洪引流溝措施，減少雨季地表水與母液混流而稀釋母液或母液外溢帶來的污染與損失。④合理的集液溝、母液中轉池容積與轉液泵能力的計算與選擇，防止停電、轉注泵故障恢復周期內母液外溢造成污染與損失。

2.3 減少工藝液體滲漏污染，提高使用率

因離子型稀土礦開采不同于其他礦山開采，礦山開采過程中采區設施基本都為臨時設施，因此在開采過程中，工藝液體的收集、儲存中轉、轉液及母液的處理全過程中，必須確保全流程設施的防滲防漏處理。比如采區巷道底部水泥砂漿防滲、集液溝鋪塑料膜、母液中轉池整體油布防滲、管線固定牢靠與定時巡給維護、水冶車間工藝池防滲與定期檢查、泵房積水坑設計等，實現開采過程中工藝液體全過程、全流程設施防滲防漏和閉路循環使用，與提高母液收集率措施一道，盡可能地減少離子型稀土礦開采過程中工藝液體的滲漏，提高其循環使用率。這樣不僅可以減少含氨氮液體滲漏造成的污染，還可以減少新水的補充量和硫酸銨的消耗，從而節約生產成本。

2.4 轉液自動控制與完善應急發電設施

轉液自動控制與完善應急發電設施，杜絕事故性排放造成污染與經濟損失。具體可從以下3方面入手：①轉液泵與液位聯鎖自動運行控制。實現采區母液中轉池、車間配液池及各中轉站轉液泵與液位的聯鎖自動控制，防止人工操作過程中出現失誤導致母液外溢污染與損失，或抽空液體燒壞轉液泵的情況出現。②液位警戒高低位近遠程聲光報警，在轉液泵出現故障、液位異常時及時提醒操作人員。③采區及車間應急發電設施的配置與完善，確保停電時的生產安全。配置必要的應急發電機組，發電機組與主供電線網實現自動切換，在停電時，應急發電機組自動啟動保證供電正常，有效預防因停電導致工藝液體外溢而發生污染與損失。

2.5 提高設備維護、檢修能力

提高設備維護、檢修能力，杜絕設備故障形成轉液不及時排放工藝液體造成污染與損失。礦區設備維護保養與檢修管理水平，將直接影響到礦山開采過程能否連續穩定地實施。因此配備必要的設備維護人員，做好礦山日常設備的巡檢、保養與維修，有效預防因設備故障造成轉液不及時而發生工藝液體外溢污染環境和造成損失。重要設備，比如轉液泵應配置備用泵，在運行泵出現故障時可以運行備用泵，確保生產不受影響。

2.6 地下水位監測與危險水位引流措施

離子型稀土礦原地浸礦工藝開采利用稀土資源過程中，采區滑坡成為最主要的地質災害和污染事故發生因素，因此，預防采區山體滑坡地質災害事故避免人員傷亡、污染事故與經濟損失是一項重要的清潔生產措施，也是重要的安全生產與環保事故預防措施。具體可從以下3方面入手：①在采區注液區有規律設計布置地下水位監測井，根據采區表土層厚度設置注液區地下水位高限標記，每班檢查采區地下水水位并跟蹤變化情況；②在注液過程中，根據地下水水位的變化及時調整注液強度，有效控制采區礦體的地下水水位在安全標高范圍，防止地下水位過高引發山體滑坡事故；③在采區合理區域設計和配置地下水疏水引流孔，在地下水位超過警戒高位時，可以通過地下水疏水引流孔及時排水，降低和調節采區礦體區域地下水水位高度，預防山體滑坡發生。

2.7 采區采后及時復墾恢復生態

每一個采點在采后，及時拆除相關生產管道、設備及防滲油布等設施，對注液井、監測井、母液中轉池及地下水觀測井回填。對無法回填入注液井、集液巷道和母液中轉池的廢土進行平整后覆蓋表土，將其改造成為耕地或種樹植草恢復植被。采后對采區的及時復墾與恢復生態是企業落實環境保護社會責任的重要措施。

3 結束語

通過在離子型稀土礦山推行清潔生產，有效實施清潔生產的措施與方法并持續改進，取得了以下較好的效果：①有效提升了礦山開采稀土綜合利用率，從70%左右提高到80%以上，浸液循環利用率從原來的75%左右提高到92%以上，硫酸銨、新水消耗均有所降低；②有效減少了硫酸銨中的氨氮對采區、水冶車間及下游地下水的污染。③降低了稀土開采的輔料、動力消耗，同時因產量提升，降低了生產成本。④采區采后及時復墾與生態恢復，有效保持了采區的生態環境。

總之，在離子型稀土礦山有效推進清潔生產綜合措施并持續改進，既是國家法律與政策的要求與需要，也是企業切實實現節能降耗、減污增效做好礦山資源的綜合利用、提高采選率指標改善經濟效益和落實企業環境保護實現企業可持續發展的自身需要。

〔編輯：劉曉芳〕