高壓直流電源整流及逆變技術分析

陳路 丁祖軍 陳萬

引言

在早期，高壓直流經常采用工頻升壓，然后使用二極管和晶閘管進行整流和調節。它們因電路簡單、技術成熟等優點得到廣泛應用，但因其輸出電壓難以實現快速調節。用于高壓場合的三相PWM控制方案已被廣泛研究，因為其可以實現具有雙向電流和功率流的統一輸出。但是，開關裝置的高耐壓能力以及復雜的處理技術仍然影響著該電路的正常使用。而高壓直流電源則是指通過電力轉換技術，將在輸配電網絡運行過程中供給的交換電，轉化為現實所需電網的儀表裝置。經過了半個多世紀的演變之后，高壓直流電源已應用于各行各業，包括電氣設備耐壓試驗、醫藥機械、冶金工業、直流饋電等。在以往，高壓直流電源一般使用工頻升壓方法，并且由于電路和工藝完善的優勢而得到應用。但現在因為其是直接運行于工頻中，它可以用于功率放大和隔離電流，盡管它需要一個大而笨重的工頻變壓器，但電壓畸變和長輸出電流調節時間使其難以進行速度調整，而且電壓頻率、供電質量及其安全性都很難滿足實際需求。

一、高壓直流電源現狀

20世紀中后期，高電壓電流互感器開始被投入使用。在21世紀，國家電網規模擴大，大型互聯設施建成，單個發電機組容量超過300-1000兆瓦，形成了330kV的直流輸電系統。20世紀70年代初期，又出現了利用向柵極上增加一種與接通輸出電流方式恰恰相反的電壓來實現關斷控制的晶閘管技術，也因此產生了逆變器。高壓直流輸電技術發展進入了晶閘管換流階段，其設計最大直流電壓為80KV，最高容量為320MW；自此之后興建的高壓直流輸電工程便已開始大量使用晶閘管設計，而以前的汞孤閥設計也逐漸由晶閘管所取代[1]。由于其簡化的布局和先進的技術，它被廣泛使用并已成為DC-DC逆變器站的標準設備。20世紀90年代，新的金屬氧化物半導體技術首次用于工業生產，1977年3月，世界上第一個使用半導體變壓器技術的實驗性直流輸電項目在瑞典中部投入使用。其最大功率和輸出電壓為3MW和10KV，最大傳輸長度為10KM。采用這種換流技術的換流裝置能力高，體積小，構造簡便并且克服了由直流輸電系統向交流輸電設備點送電的困難，因此開始被大范圍使用。但是因為其自身消耗大等缺點，不利于大規模建設使用。近幾年來，高壓直流輸電工程進展得相當快，在國家電網內也大量采用了高壓電網技術，而研究與生產中的入門級集成晶閘管和大功率碳化硅元件中，在大型高壓直流電力輸送中也有著較好的應用前景。這些器件壓力高，同流性能好，消耗少，體積小，穩定性好，同時也具備自關斷性能，所以這種全新的半導體變流方式將逐漸代替原有的晶閘管等工藝，并將有力促進直流輸電發展。到了21世紀初總輸電能力已達53281MW，直流輸電路徑/線纜共19399Km。

二、高壓直流電源變換原理

對于三相電源方面，可以通過對其進行BUCK式的PWM交斬波處理，之后再通過較小體積的LC系列濾波電容器，對其高頻率諧波進行有效抑制，從而就能夠對在交流變壓器上所形成的高交流電壓進行有效整流，而這也就是形成高壓直流電源的最主要原因[2]。在此過程中也需要特別注意，由于所使用的整流變壓器在轉換過程中還需要通過升壓變壓器，此時就需要由技術人員妥善設置好的壓力變化比，并且要求交流變壓器和二閥式的交流變壓器必須處于相等位置。經過實際研究我們可以發現，這個方法當前已經更加成熟，再加上表現出的可靠性高等優點，在正常應用流程中，技術人員就能通過對交流PWM變換器做出合理性選擇，確保導通占空比能夠得到變壓器的可靠控制，最終結果將可能呈現完全把控直流的效果[3]。

三、整流與逆變技術分析

整流和逆變完全不同，這兩個是不同的概念，而且完全含義完全相反。前者是指將交流的電壓轉變為直流的電壓，這種轉變也能夠很單純的形容為“交轉直”，后者是指將直流的電壓轉換成交流的電壓，這種轉變能夠很單純的形容為“直轉交”。

（一）逆變

由上文即可知道逆變電路就是“直轉交”線路，而在線路的旁邊有與電網相連的線路就可以認為是有源逆變電路。當線路的一側有交流接通，同時有負載接通時，則該回路又可以稱為無源電路。如圖1所示。

圖1 逆變電路（類型：單向全橋式）

圖中所示為單向全橋式逆變電路，電路中的開關（S1-S4）的通斷完全依靠各自基極電流控制。圖中的二極管（D1-D4）為續流二極管，當電路開關轉換時提供防止電路突然通斷造成電流沖擊，提供續流通道。iL使得通過負載的電路連續，防止對負載造成巨大的電流沖擊。當開關S1,S4閉合，S2,S3斷開時，電路中的電流通過S1,iL，流經負載，S4最后回歸電源負極，當電壓穩定時，負載電壓約等于電源電壓（為正）；當開關S2,S3閉合，S1,S4斷開時，電路中的電流通過S1,流經負載，iL，S4最后回歸電源負極，當電壓穩定時，負載電壓也約等于電源電壓（為負）。如此完成一個周期電流的轉換。通過電流持續控制開關S1-S4的通斷，就能完成直流電到交流電的持續轉換。

（二）整流

從某一種觀點上來看，整流工作過程可以認為是一個很特殊的物理現象，不僅是“交轉直”，而且還是形成了一個功率流程，而這個傳向流程也就是供電到負載變換，這個流程通常我們稱為AC或者說DC變換。在物理上則是在同樣的推動力影響下，形成了不同的微小電流的逆向或是正向的輸出[4]。

首先，根據集成電路圖設計的這個電路設計比較簡單，只需一條單純的二極管單向引導即可到達整流的目的，但這個方式與真正意義上的整流方法完全不同，所以被叫做半波整流。但從實際效果上來說，都是直接把交流電轉換成直流電。較為典型的整流電路如圖2所顯示。

圖2 整流電路（類型：單相半波）

其次，對集成電路的工作原理介紹了電路圖中的u2、RL,u0,VD,TR等基本元素，各種元器件的主要功能也有所不同。電源變壓器為TR。以符號顯示。假設電阻的負載中有電壓通過，同時二極管中也有電壓通過時，則此時器件VD導通，并且在正半周u2兩端出現了a,b瞬時變化的極性，而若形成了降壓，則UL被全部省略了。

在高壓電源裝置使用過程中，由于反映出了更多工作頻率特點，在直接影響開關時間并出現反復開關的基礎上，無形之中提高了運行能耗率。在這種情況下，就需要工作人員進行設計調整，必須把重點放到逆變器拓撲架構上，在妥善選型和使用的基礎上，才可以防止上述情況的發生。同時，也要考慮到可以有效防止較高頻率下的巨大損失發生的解決辦法，斷開開關，此時就可以使電流值達到零值，從而減少了能耗問題的發生。做好測試部分的優化調整工作。如果使用高頻、高壓電源，通常可以設計成數字集成電路，全面控制輸出壓力值。數字控制開關也是如此，它可以在連續和間歇模式之間進行切換。

（三）諧振變換器

同步整流電壓設計，其優點一方面在于更小的導通電壓的特性，而且還可以代替之前二極管達到的整流環節穩壓功能，另一方面也可以更有效地控制了較低壓的電流整流，最后，這也是維護好集成電路結構的重要手段。當前，在電子行業中所使用的多數轉換器過程中，還有許多整流電路裝置均處于硬開關電源狀態，如果在此時頻繁操作開關，則必然會造成切換損失量不斷上升，從而嚴重降低系統運行穩定性和安全性。此外，部分企業在選擇同步整流變換器過程中，也往往出現自驅動狀態，一定程度上會對主電路構成巨大威脅，影響系統運行效率，產品質量也難以提高。[5]。以上分析各種類型的自動變換器，諧振變換器不但擁有更小尺寸的體積優勢，同時還可以具有極高的性能，這也是業界人員相當重視的原因。

（四）PWM交流斬波電路

一種直接AC/AC變換電路，由于內部所表現出的各種功能方式，被區分為相控與斬控兩個部分。而針對斬控的轉換電路形式，相較于前一類子方法來說，更具備了明顯的意義，具體原因應該從如下幾個方面加以探討：(1）由負載條件決定的交直流轉換器的功率特性，也會導致功率因數的巨大變化。（2）由于斬波器驅動的逆變電路，無論是在輸出端還是在輸入端，都只將相對較高的諧波切換到容易消除的水平，所以輸出波形的數值應該接近當時的實際正弦值。重要的一點是，隨著占空比的不斷變化，輸出負載也會發生變化，而且這些變化的幅度往往會在很大范圍內變化。（3）在表現出高速動作響應和極高工作效能的特點下，業內專家對斬控式交流變換器高度重視，其成為今后高壓直流電源核心技術研發的基礎，這還需廣大人員繼續探索，才能有效地將其運用到各個領域的實際工作。

（五）PWM整流器控制技術

控制技術也是決定PWM傳輸裝置發展方向的關鍵因素，因為PWM傳輸裝置的電壓監控是輸入電壓和輸出電流，對輸入和輸出電壓的監控也是監控整個整流器的關鍵因素。這是因為使用PWM整流器的主要目的是使輸入電壓正弦化和功率因數單元的正常運行。對輸入電流有效控制實質就是對電力電子轉換器中功率流的控制，進而限制輸入輸出電流范圍；反之，透過抑制轉換器的有功能量與無功能量流轉，進而調節輸入輸出的直流電壓與輸入工作電流范圍，使其維持在單位功率因數的工作水平。PWM方面的輸出電流限制策略一般分為兩類：第一類是 “間接輸入電流限制 ”策略；第二類是目前主流的 “整流輸入電流限制”策略。“間接輸入電流限制”其實也就是所說的“幅相”輸出電流控制技術，也就是通過限制電壓型PWM整流器的交換側輸入輸出電流范圍的波幅變動和相位，進而間接調節其網側輸出電流。因為“間接電流限制”其網側電流的動態響應速度慢，而且對系統參數變動靈敏，所以該種限制對策已逐漸被“直觀電流限制”的技術所代替。而直觀電流限制的最大優點在于采用了輸出電流環路，使監控系統動力學的穩定性明顯提高。電流外環主要進行監控電流密度指示，而輸入輸出電流內環則主要控制系統電流密度，使之迅速地跟蹤輸入輸出的電流指示，其動作響應較快、限流簡便、控制精度高[6]。

（六）PID控制原理

PID控制器自問世以來已經有70年，通常被用作線性控制器。一個PID控制器有三個不同層次的功能控制。（1）比例系數，即當誤差發生時，誤差信號的比例性被放大或縮小，可立即起到調節控制器輸出的作用，使被控變化的幅度向誤差減小的方向發展，比例系數的數值決定了誤差減小的速度。（2）積分關系，它總是在穩態值的方向上施加一個力，使穩態誤差得以消除。積分效應的強度取決于積分時間常數的大小，時間常數越大，積分效應越弱，反之亦然。增加積分時間常數會減慢靜態失配校正過程，但可以避免過度測定，提高系統穩定性。（3）微分環節，可以反映偏差信號的變化趨勢，因為系統在誤差控制過程中可能會出現振蕩甚至不穩定，所以差分端可以根據偏差信號的變化趨勢引入修正信號，這樣可以減少超調和振蕩，從而減少了控制時間，加快了系統的反應，改善了系統的動態特性。

由于連續模擬量不能直接用于數字控制，偏置量和控制量只能根據采樣時的實際值計算，積分方程和微分方程不能直接使用，因此必須是離散和等效的。經典的PID控制算法使用一系列的采樣點來代表連續時間，用增量求和法代替微分法，這樣PID控制對數字控制系統來說可以是離散的。由于在這項工作中，負載很少變化，所以通常使用閉環PI電壓調節。

結束語

隨著時間的推移，直流高壓供電系統設備的工藝設計創新技術已經被應用于多種能源行業。其中，首先出現的是無界或相控整流結構，這種結構比較簡單，但輸入輸出的高頻諧波濃度過高，功率因數較小。而優化輸入輸出波形的三電平PWM整流電路，可用于功率因數校正，是目前的研究熱點，其結構復雜，控制過程也比較復雜；當前，關于高壓電源拓撲結構的設計也有不少的研究，其工作頻率的增加可以減少整個系統容積和重量，然而高頻高壓變壓器的設計工作也給該方法提供了新的技術難題。