高壓直流電源整流及逆變相關(guān)技術(shù)問(wèn)題分析探究

孟慶波

（撫順石化公司洗滌劑化工廠(chǎng)，遼寧 撫順 113000）

高壓直流輸電是工頻電壓經(jīng)過(guò)升壓后被壓整流獲得的高壓電流，其屬于一類(lèi)新型直流不間斷供電系統(tǒng)，相較交流UPS來(lái)說(shuō)，高壓直流輸電具備并聯(lián)冗余的優(yōu)勢(shì)，且其比單個(gè)組間的可靠性要高，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全系數(shù)的提升，且過(guò)載能力優(yōu)秀，能夠大大提高工作效率，現(xiàn)在各個(gè)行業(yè)中都獲得了廣泛的運(yùn)用。相關(guān)企業(yè)應(yīng)當(dāng)要對(duì)該技術(shù)的工作原理予以全面重視，并開(kāi)展深入的分析與研究，構(gòu)建起多元控制機(jī)制，確保高壓直流電源得以發(fā)揮其應(yīng)有的效用。

1 高壓直流輸電與高壓直流電源

高壓直流輸電在很多行業(yè)及遠(yuǎn)程電力輸送中有重要應(yīng)用，隨著電力電子技術(shù)快速發(fā)展，高壓直流電源性能不斷提高，其技術(shù)也不斷得到更新發(fā)展。相對(duì)于傳統(tǒng)交流輸電方式而言，高壓直流輸電用于遠(yuǎn)距離或超遠(yuǎn)距離輸電中具有更大經(jīng)濟(jì)效益，其除了具有常規(guī)直流輸電調(diào)節(jié)速度快、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)外，經(jīng)濟(jì)性也非常顯著。首先，高壓直流輸電只需兩根導(dǎo)線(xiàn)，線(xiàn)路造價(jià)低，有效節(jié)約電纜費(fèi)用。其次，高壓直流輸電運(yùn)行電能損耗小，傳輸節(jié)能效果佳。直流輸電導(dǎo)線(xiàn)根數(shù)少，電阻發(fā)熱損耗小，沒(méi)有感抗和容抗的無(wú)功損耗，且傳輸功率的增加使單位損耗降低，大大提高了電力傳輸中的節(jié)能效果。此外，高壓直流輸電線(xiàn)路占地面積小，節(jié)約土地。

高壓直流電源是一種將工頻電網(wǎng)電能轉(zhuǎn)變?yōu)樘胤N形式的電子儀器設(shè)備。按輸出電壓極性進(jìn)行分類(lèi)，高壓直流電源主要分為正極性、負(fù)極性?xún)煞N類(lèi)型。隨著電力行業(yè)快速發(fā)展，高壓直流電源被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也有重要應(yīng)用。在具體應(yīng)用環(huán)節(jié)，該項(xiàng)技術(shù)具有較為顯著的節(jié)能效果。相較于傳統(tǒng)電流計(jì)算而言，高壓直流電源通常能夠節(jié)能約20%～30%。其重點(diǎn)是在供電系統(tǒng)效率以及后端設(shè)備效率上具有較為顯著的優(yōu)勢(shì)。而且供電技術(shù)需要逆變，就必定會(huì)對(duì)電能造成損傷，但是運(yùn)用高壓直流電源技術(shù)就能有效防止該問(wèn)題出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)電能的節(jié)約以及使用效率的提升。隨著高壓直流相關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展，高壓直流電源應(yīng)用也不斷拓展，在應(yīng)用中體現(xiàn)出顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，是一種非常有市場(chǎng)前景的應(yīng)用技術(shù)。

2 高壓直流電源變換原理分析

高壓直流電源變換，簡(jiǎn)單而言就是三相電經(jīng)BUCK型PWM交流斬波后，再經(jīng)過(guò)小容量LC濾波器，這環(huán)節(jié)主要是為了去除高頻諧波，這之后輸出交流至整流變壓器原邊。變換過(guò)程中的整流變壓器是具有特殊連接形式的升壓變壓器，通過(guò)設(shè)置合適變比就可以使變壓器兩閥側(cè)繞組得到大小相等、相位相差30°的高壓變流，并分別作為兩個(gè)三相整流橋的網(wǎng)側(cè)輸入，兩個(gè)整流橋輸出串聯(lián)，最后濾波輸出高壓直流。這項(xiàng)技術(shù)目前已經(jīng)較為成熟，且可靠性高，擁有穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境，用戶(hù)只需要調(diào)節(jié)交流PWM變換器導(dǎo)通占空比就可以實(shí)現(xiàn)變壓器原、副邊電壓的穩(wěn)定輸出，達(dá)到控制直流出處目的。

3 高壓直流電源技術(shù)發(fā)展及存在的問(wèn)題及難點(diǎn)

在高壓直流電源應(yīng)用中，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)及其發(fā)展非常重要。隨著新電子元器件、電磁材料、電源變換技術(shù)及控制理論的涌現(xiàn)和發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源性能不斷得到提高和更新發(fā)展，更是逐漸具備了頻率高、效率高、功率密度高及可靠性高等新特性，進(jìn)一步推動(dòng)了高壓直流電源技術(shù)應(yīng)用發(fā)展，當(dāng)時(shí)其應(yīng)用環(huán)節(jié)還存在一些問(wèn)題有待改進(jìn)，具體表現(xiàn)如下。

3.1 關(guān)鍵功率新部件應(yīng)用

目前實(shí)際應(yīng)用中常用的有晶體管、功率MOSFETS、IGBTS等快速轉(zhuǎn)換器件；適用于高頻的新型變壓器貼心材料應(yīng)用方面，主要有鐵氧體、非晶材料等，低功耗、高性能是突出特點(diǎn)。電子電力技術(shù)發(fā)展下，低耗散因素的大容量電容也得到快速發(fā)展和應(yīng)用。另外，低前向電壓降快速整流器也得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

3.2 先進(jìn)變換技術(shù)

變換技術(shù)方面，主要體現(xiàn)在以下幾方面：（1）零電流串聯(lián)和并聯(lián)諧振開(kāi)關(guān)技術(shù)（ZCS）。（2）零電壓LCC諧振逆變技術(shù)（ZVS）。（3）軟開(kāi)關(guān)和相控諧振技術(shù)。（4）正反激勵(lì)和推挽逆變器技術(shù)。

3.3 高壓直流電源技術(shù)發(fā)展中存在的問(wèn)題及難點(diǎn)

對(duì)著高新技術(shù)逐步應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用中也不斷呈現(xiàn)出新的問(wèn)題和技術(shù)難點(diǎn)。主要體現(xiàn)在高頻化技術(shù)發(fā)展方面，高頻化技術(shù)能夠提高電源性能，并壓縮變壓器體積及文波系數(shù)，但由于高頻高壓并存，導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用中存在較大技術(shù)難點(diǎn)，具體體現(xiàn)有以下幾方面：（1）高頻高壓變壓器體積減小，頻率升高，分布容抗也相應(yīng)變小，從而使得絕緣問(wèn)題較為突出。（2）電壓變化比增大使得變壓器非線(xiàn)性嚴(yán)重化，從而增加漏感和分布電容，這樣其就必須與逆變開(kāi)關(guān)隔離才能確保逆變電路正常工作，否則就可能出現(xiàn)擊穿功率器件的問(wèn)題。（3）高頻化會(huì)增加變壓器的趨附效應(yīng)，從而使變壓器效率降低。

4 高壓直流電源整流與逆變技術(shù)分析

4.1 高頻高壓變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前針對(duì)高壓直流電源中高頻高壓變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要有以下兩方面：（1）優(yōu)化選擇逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于高壓電源頻率非常高，使得功率開(kāi)關(guān)器件開(kāi)端頻繁，能耗增大，因此在電源使用技術(shù)改進(jìn)中，應(yīng)對(duì)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行合理選擇。軟開(kāi)關(guān)和同步蒸餾技術(shù)在降低高頻化造成的損耗方面就具有突出優(yōu)勢(shì)，是目前高壓直流電源技術(shù)應(yīng)用中的一項(xiàng)重要技術(shù)應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上再同時(shí)采用逆變器和準(zhǔn)諧振電路相結(jié)合技術(shù)，通過(guò)電壓或電流諧振，能夠使開(kāi)關(guān)打開(kāi)或斷開(kāi)時(shí)的電壓或電流為零，從而大大減小能耗。另外，為減少變壓器漏感等不利影響，可將變壓器漏感作為逆變器一部分，也就是逆變—諧振—變壓器漏感，采用一體化思想進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，從而達(dá)到有效避免不利影響的目的。（2）控制檢測(cè)部?jī)?yōu)化。采用數(shù)字集成電路（IC）高頻高壓開(kāi)關(guān)電源，其以模擬方式對(duì)輸出電壓進(jìn)行控制，并以數(shù)字方式操作開(kāi)關(guān)，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)和不連續(xù)模式轉(zhuǎn)換。同時(shí)，采用PWM（脈寬調(diào)制技術(shù)）、PFM（頻率調(diào)制技術(shù)）和DC-DC（直流—直流）變換器、逆變器等技術(shù)，強(qiáng)電弱電間相互影響得到加強(qiáng)，但檢測(cè)部位高壓電壓對(duì)后續(xù)電子元器件（精密電阻等）在性能方面也提出了更高要求。

4.2 諧振變換器ZVS軟開(kāi)關(guān)同步整流技術(shù)

同步整流（SR）技術(shù)用具有低導(dǎo)通電阻特性的功率MOSFET來(lái)替換二極管而實(shí)現(xiàn)整流，能夠大大降低低壓大電流整流電路功率損。目前應(yīng)用于變換器中的大多整流器件都普遍工作于硬開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率較高的情況下，開(kāi)關(guān)損耗比較大，從而降低了系統(tǒng)效率。另外，運(yùn)用自驅(qū)動(dòng)方式的同步整流變換器，容易給變換器主電路工作造成影響，降低系統(tǒng)性能。在眾多變換器中，諧振變換器具有體積小、傳輸效率高等優(yōu)點(diǎn)而備受重視。諧振變換器諧振環(huán)節(jié)電容電壓及電感電流波形都是正弦波，因此較容易在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的ZVS或ZCS。

4.3 PWM交流斬波電路

一種直接AC/AC變換電路，從所采取控制方式不同方面看，主要分為相控式和斬控式兩種類(lèi)型。其中，相控式晶閘管變換電路控制電路具有操作簡(jiǎn)單、功率容量大的優(yōu)點(diǎn)，其不足及缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢、出處電壓的低次諧波含有率大、功率因數(shù)低等方面。而斬控式交流變換電路相對(duì)于相控電路而言，其優(yōu)良性能就更為突出。首先，斬控式交流變換器功率因數(shù)僅僅由負(fù)載決定，因此其功率因數(shù)相對(duì)較高。其次，輸出輸入方面只含與開(kāi)關(guān)頻率相關(guān)高次諧波，比較容易濾除，因此輸出波形比較接近于正弦波。此外，其輸出電壓隨占空比現(xiàn)行調(diào)節(jié)，變化范圍更大。另外，斬控式交流變換器還具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快及工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此一直都是高壓直流電源相關(guān)技術(shù)研究的重點(diǎn)，而且在各領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，高壓直流電源技術(shù)具有非常多的優(yōu)良性能，在很多工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。隨著電子電力科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，高壓直流電源技術(shù)不斷得到更新與發(fā)展，但在高壓直流電源技術(shù)實(shí)際應(yīng)用中也會(huì)不斷出現(xiàn)新的問(wèn)題及技術(shù)難點(diǎn)，因此仍需進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)高壓直流電源整流與逆變相關(guān)技術(shù)研究，以充分發(fā)揮高壓直流電源技術(shù)應(yīng)用水平，推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)更好的發(fā)展。