中国变频器产业十年关键词之六——高压变频器
近年来，随着电力电子技术应用的发展需要，促使电力电子器件快速发展；反过来，一代新器件或一项新技术一旦克服了老器件的某些缺点，就会推动包括变频器在内的电力电子应用装置出现革命性的变化。在过去几年里，大家可以看到交流高压变频驱动器的外形尺寸和重量已经有了很明显的变化。在这种表象下更加显著的变化是这些电机驱动器所表现出的性能、效率和可靠性的改善。
高压变频器的概念
按国际惯例和我国国家标准对电压等级的划分，对供电电压≥10kV时称高压，1kV～10kV时称中压。我们习惯上也把额定电压为6kV或3kV的电机称为“高压电机”。由于相应额定电压1 kV～10kV的变频器有着共同的特征，因此，我们把驱动1 kV～10kV交流电动机的变频器称之为高压变频器。在低压变频器领域，由于电力电子器件的耐压问题已解决，因此，形成了标准的电路拓朴结构，也不容易产生新的创新拓朴。但功率开关器件的耐压满足不了中、高压变频器的需要，因此创造了比如交交变频、单元串联多重化、串联多电平、直接串联等拓扑结构。
高压变频器的拓扑结构
时下，高压变频器拓扑结构众多，根据有无中间直流环节，有交-交变频器和交-直-交变频器之分。在交-直-交变频器中，根据中间直流滤波环节的不同，又有电压源型(也称电压型)和电流源型(也称电流型)高压变频之分。
电压型交-直-交高压变频器
直接高压二电平电压源型变频器
业界舆论认为：“IGBT是不能串联的。因为开关时间短，微秒级，很难保证所有管子串联同时开关。否则有的早开，所有的电压都来加在晚开的管子上，那么这个1700V的管子加上6000V，只能烧掉，一烧一串，不可能串联。”2001年，世界首创的电压源型IGBT直接串联高压变频器，在成都佳灵电气制造有限公司问世，解决了IGBT直接串联的难题，代表了高压变频器的一个发展方向。
级联多电平电压源型变频器
1986 年5 月，美国西屋电气公司申请了4674024号的美国专利，提出了由独立的标准低压功率单元串联形成的高压逆变系统，1994 年3 月，美国罗宾康公司在专利5625545中率先引入多重化移相变压器和多电平移相式PWM 等概念，解决了输入/输出谐波、du/dt、共模电压和可靠性等问题。1997年7月北京先行和1998年6月北京凯奇分别申请了功率单元串联性高压变频器专利。近年来，多电平高压变频器得到了飞速发展，多电平逆变器实现的结构一般主要有：二极管箝位型、飞跨电容箝位型、具有独立直流电源的级联型、具有多绕组变压器输出的多重化型等等。
二极管箝位多电平逆变电路
为解决器件直接串联时所需要的均压问题，1977年德国学者Holtz首次提出了利用开关管来辅助中点箝位的三电平逆变器主电路，1981年日本学者A.Nabae提出中点箝位型PWM逆变电路结构。1983年Bhagwat和Stefanovic进一步将三电平推广到多电平的结构。在对三电平PWM变频的研究，不仅在理论分析、控制技术方面，而且在系统设计和工程应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的变频器，应用于轧钢的三电平双PWM整流/变频调速系统，以适用于四象限运行及动态性能要求较高的场合。瑞典ABB公司采用IGCT器件的三电平变频器ACS1000高压变频器在我国大量使用。德国西门子采用HV-IGBT技术的SIMOVERT MV高压变频器，代表当今高压变频技术的最新成果。北京康得也在07年发布了采用HV-IGBT技术的Diamond-HV高压大功率变频系统，摒弃了冗繁的吸收电路，使可靠性进一步增强。山东新风光JD-BP37-T 、JD-BP38-T 系列提升机高压变频器填补了国内空白。
飞跨电容箝位型三电平变换电路
1992年，T.A.Maynard和H.Foch提出用飞跨电容取代箝位二极管,构建飞跨电容箝位型多电平主电路。电容箝位型多电平变流器的电平合成自由度和灵活性高于二极管箝位型多电平变流器，但控制方法非常复杂，而且开关频率增高，开关损耗增大，效率随之降低。法国阿尔斯通公司的alspa cdm6000系列高压变频器，是采用IGBT器件的飞跨电容四电平变频器，可四象限运行，输出波形较好，谐波含量和dv/dt较小（dv/dt＜500dv/dt）。
独立直流电压源的级联型拓扑结构
1994年，美国罗宾康公司推出了全球第一台单元串联式多电平高压变频器，并取名为“完美无谐波变频器”，1998年5月，罗宾康公司又提出了中心点偏移式功率单元旁路的方法，在故障功率单元被旁路后，通过调节三相输出电压的之间的相位，保证输出线电压仍保持三相对称，电机能正常运行，该技术使单元串联多电平变频器的可靠性得到很大提高。单元串联式多电平高压变频方案在我国获得了大面积推广，北京利得华福公司HARSVERT-A系列，北京先行公司HVF系列，上海科达公司MAXF系列，东方凯奇公司等高压变频调速器制造厂等均采用这种结构。为了减少串联功率单元数，简化系统以及进一步降低输出谐波含量，日本富士电机Fuji公司的FRENIC4600FM4系列，采用12脉冲不可控整流和三电平单相PWM逆变，达到功率单元数减少一半的目的。
混合级联型多电平变换电路
混合级联型单相主电路拓扑结构主电路拓扑结构中功率开关元件就不全是IGBT，而是在电压高的H桥单元里，功率开关元件采用IGCT，在电压低的H桥单元中，采用IGBT，即形成不对称级联型多电平拓扑，并且这种拓扑结构将波形合成策略与PWM策略相结合。这种拓扑结构在级联数相同的情况下，可以输出更大的功率，而且电平数也可以增加，更加接近正弦波，谐波含量更少。但混合级联型多电平变频器在这种控制策略情况下会出现高压单元输出过多基波电压，从而低压单元会出现电流倒灌现象。
电流源型交-直-交高压变频器
采用自关断器件GTO（SGCT）的电流源型变频器，直流电路有大电感，可起到保护开关器件的作用，用于异步电机的调速。常见的电流源型高压变频器有美国Rockwell公司(A-B)Bulletin1557型电流型(采用GTO直接串联共18只)和Power FlexTM 7000系列电流型(采用6.5kV,6只SGCT器件)变频器；美国ROSS-HILL(罗斯希尔)公司VFD型电流型高压变频器；意大利ANSALDO(安萨尔多)公司SHCOVERT(H)高压电流源变频器；国产电流源高压变频调速器未见成熟的工业产品。
交-交高压变频器
交-交高压变频器是采用晶闸管实现的无直流环节的直接由交流到交流的变频器，也叫做周波换流器（CYCLO）。其优点是可用于驱动同步和异步电机；堵转转矩和保持转矩大；动态过载能力强；可四象限运行；电机功率因数可为cosφ=1；极佳的低速性能；弱磁工作范围广；转矩质量高；效率高。其缺点是功率因数与速度有关，低速时功率因数低；最大输出频率为电源频率的1/n（n=2，3，……）；最大转速<500r/m；网侧谐波大。
交-交SDM级联高压变频
交-交SDM级联高压变频方案主电路结构与多电平级联方案基本相同，通过输入变压器产生的多路浮动低压电源给各功率变换模块供电，串联后，得到了输出高压电。该方案的功率变换模块实质上是一种单相输出矩阵式变频器。
SDM级联高压变频方案的所有功率半导体器件工作在自然环流状态，即零电流软关断，避免了IGBT等器件强迫关断产生的应力，这对于工作在高电压大电流状态的高压大容量变频器尤为重要
矩阵型高压变频器
矩阵级联型高压变频器，采用3×2矩阵变换单元相互串联而成，实现了高电压的输出，具有与H桥级联型高压变频器相似的特点，同时又具备矩阵、交-交变换器的四象限运行能力。哈尔滨九洲电气股份有限公司提出了一种将矩阵变换器引入H联型高压变频器的新方法，舍弃了直流环节和串、并联电解电容器组,实现了交-形式的直接变换,因此大大延长了变频器的使用寿命,体积也可以减小许多。
高压变频器的市场
在变频器业界内有这样一种说法，谁拥有高压变频器技术方面的优势，谁就将在未来的变频器行业乃至工控领域占有一席之地。
2007年6月，国内高压变频的领航企业北京利德华福电气技术有限公司宣布，公司第1000套高压变频业绩诞生，这一消息在高压变频领域被称为重大事件。
由于能源紧张及生产工艺等各方面的要求，高压变频器已成为大型生产企业节能工作的必由之路。在与长期垄断这一市场的国外产品的竞争中，国产高压变频器也已占有1/3以上的市场份额。
据国家《电动机调速技术产业化途径与对策的研究》报告披露，中国发电总量的66%消耗在电动机上。而我国电动机装机总容量已达4亿多kW，年耗电量达12000亿kW.h，占全国总用电量的60%，占工业用电量的80%；其中风机、水泵、压缩机的装机总容量已超过2亿kW，年耗电量达8000亿kW.h，占全国总用电量的40%左右。70%以上的风机、水泵、压缩机应调速运行，而至今仅有约5%左右调速运行。若按风机、水泵和压缩机总装机容量的50%进行调速节能改造，则可改造容量达1亿kW，其中40%为中高压电机，容量占60%。若按电机平均出力为60%，年运行4000h，平均节电率为20～30%（平均25%）计算，则年节电潜力为600亿kW.h！整个电机系统的节电潜力约为1000亿kW.h，改造和更新预计需投入2000～3000亿元人民币。
目前，我国高压变频器行业以30%以上的速度发展，调查显示，我国变频器的市场潜力约为1800亿，其中，高压变频器约占40%。有变频业内人士保守预测，高压变频市场稳定之后的年平均市场容量应在80～90亿元。
随着技术的进步，高压变频器除了在已有的市场上继续扩大规模外，还将进一步扩展应用的领域，对于很多负载，还需要解决变频器的工程应用上的问题。总之，高压变频器正在迎来发展的黄金时期。
当然，中国高压变频器市场也面临诸多问题，比如价格战、货款回收周期长，等等，需要相关行业组织和专家、企业家共同探讨，使这个高速增长的行业能有一个更加良好的发展环境。
随着电力电子技术、计算机技术和自动控制技术及电机控制理论的发展，当然也少不了各国学者的科研努力，人们对功率变换规律更进一步的认识，以后会出现更新、更好的新型电路拓扑结构，特别是近年来“电力电子积木”pebb(power electronics building block)技术的兴起，使多个功率器件的集成化和低成本化逐步成为可能，也为多电平变换电路拓扑的发展提供了有力的技术支持，从而引起中高压功率变换技术的更大发展。
高压变频器的概念
按国际惯例和我国国家标准对电压等级的划分，对供电电压≥10kV时称高压，1kV～10kV时称中压。我们习惯上也把额定电压为6kV或3kV的电机称为“高压电机”。由于相应额定电压1 kV～10kV的变频器有着共同的特征，因此，我们把驱动1 kV～10kV交流电动机的变频器称之为高压变频器。在低压变频器领域，由于电力电子器件的耐压问题已解决，因此，形成了标准的电路拓朴结构，也不容易产生新的创新拓朴。但功率开关器件的耐压满足不了中、高压变频器的需要，因此创造了比如交交变频、单元串联多重化、串联多电平、直接串联等拓扑结构。
高压变频器的拓扑结构
时下，高压变频器拓扑结构众多，根据有无中间直流环节，有交-交变频器和交-直-交变频器之分。在交-直-交变频器中，根据中间直流滤波环节的不同，又有电压源型(也称电压型)和电流源型(也称电流型)高压变频之分。
电压型交-直-交高压变频器
直接高压二电平电压源型变频器
业界舆论认为：“IGBT是不能串联的。因为开关时间短，微秒级，很难保证所有管子串联同时开关。否则有的早开，所有的电压都来加在晚开的管子上，那么这个1700V的管子加上6000V，只能烧掉，一烧一串，不可能串联。”2001年，世界首创的电压源型IGBT直接串联高压变频器，在成都佳灵电气制造有限公司问世，解决了IGBT直接串联的难题，代表了高压变频器的一个发展方向。
级联多电平电压源型变频器
1986 年5 月，美国西屋电气公司申请了4674024号的美国专利，提出了由独立的标准低压功率单元串联形成的高压逆变系统，1994 年3 月，美国罗宾康公司在专利5625545中率先引入多重化移相变压器和多电平移相式PWM 等概念，解决了输入/输出谐波、du/dt、共模电压和可靠性等问题。1997年7月北京先行和1998年6月北京凯奇分别申请了功率单元串联性高压变频器专利。近年来，多电平高压变频器得到了飞速发展，多电平逆变器实现的结构一般主要有：二极管箝位型、飞跨电容箝位型、具有独立直流电源的级联型、具有多绕组变压器输出的多重化型等等。
二极管箝位多电平逆变电路
为解决器件直接串联时所需要的均压问题，1977年德国学者Holtz首次提出了利用开关管来辅助中点箝位的三电平逆变器主电路，1981年日本学者A.Nabae提出中点箝位型PWM逆变电路结构。1983年Bhagwat和Stefanovic进一步将三电平推广到多电平的结构。在对三电平PWM变频的研究，不仅在理论分析、控制技术方面，而且在系统设计和工程应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的变频器，应用于轧钢的三电平双PWM整流/变频调速系统，以适用于四象限运行及动态性能要求较高的场合。瑞典ABB公司采用IGCT器件的三电平变频器ACS1000高压变频器在我国大量使用。德国西门子采用HV-IGBT技术的SIMOVERT MV高压变频器，代表当今高压变频技术的最新成果。北京康得也在07年发布了采用HV-IGBT技术的Diamond-HV高压大功率变频系统，摒弃了冗繁的吸收电路，使可靠性进一步增强。山东新风光JD-BP37-T 、JD-BP38-T 系列提升机高压变频器填补了国内空白。
飞跨电容箝位型三电平变换电路
1992年，T.A.Maynard和H.Foch提出用飞跨电容取代箝位二极管,构建飞跨电容箝位型多电平主电路。电容箝位型多电平变流器的电平合成自由度和灵活性高于二极管箝位型多电平变流器，但控制方法非常复杂，而且开关频率增高，开关损耗增大，效率随之降低。法国阿尔斯通公司的alspa cdm6000系列高压变频器，是采用IGBT器件的飞跨电容四电平变频器，可四象限运行，输出波形较好，谐波含量和dv/dt较小（dv/dt＜500dv/dt）。
独立直流电压源的级联型拓扑结构
1994年，美国罗宾康公司推出了全球第一台单元串联式多电平高压变频器，并取名为“完美无谐波变频器”，1998年5月，罗宾康公司又提出了中心点偏移式功率单元旁路的方法，在故障功率单元被旁路后，通过调节三相输出电压的之间的相位，保证输出线电压仍保持三相对称，电机能正常运行，该技术使单元串联多电平变频器的可靠性得到很大提高。单元串联式多电平高压变频方案在我国获得了大面积推广，北京利得华福公司HARSVERT-A系列，北京先行公司HVF系列，上海科达公司MAXF系列，东方凯奇公司等高压变频调速器制造厂等均采用这种结构。为了减少串联功率单元数，简化系统以及进一步降低输出谐波含量，日本富士电机Fuji公司的FRENIC4600FM4系列，采用12脉冲不可控整流和三电平单相PWM逆变，达到功率单元数减少一半的目的。
混合级联型多电平变换电路
混合级联型单相主电路拓扑结构主电路拓扑结构中功率开关元件就不全是IGBT，而是在电压高的H桥单元里，功率开关元件采用IGCT，在电压低的H桥单元中，采用IGBT，即形成不对称级联型多电平拓扑，并且这种拓扑结构将波形合成策略与PWM策略相结合。这种拓扑结构在级联数相同的情况下，可以输出更大的功率，而且电平数也可以增加，更加接近正弦波，谐波含量更少。但混合级联型多电平变频器在这种控制策略情况下会出现高压单元输出过多基波电压，从而低压单元会出现电流倒灌现象。
电流源型交-直-交高压变频器
采用自关断器件GTO（SGCT）的电流源型变频器，直流电路有大电感，可起到保护开关器件的作用，用于异步电机的调速。常见的电流源型高压变频器有美国Rockwell公司(A-B)Bulletin1557型电流型(采用GTO直接串联共18只)和Power FlexTM 7000系列电流型(采用6.5kV,6只SGCT器件)变频器；美国ROSS-HILL(罗斯希尔)公司VFD型电流型高压变频器；意大利ANSALDO(安萨尔多)公司SHCOVERT(H)高压电流源变频器；国产电流源高压变频调速器未见成熟的工业产品。
交-交高压变频器
交-交高压变频器是采用晶闸管实现的无直流环节的直接由交流到交流的变频器，也叫做周波换流器（CYCLO）。其优点是可用于驱动同步和异步电机；堵转转矩和保持转矩大；动态过载能力强；可四象限运行；电机功率因数可为cosφ=1；极佳的低速性能；弱磁工作范围广；转矩质量高；效率高。其缺点是功率因数与速度有关，低速时功率因数低；最大输出频率为电源频率的1/n（n=2，3，……）；最大转速<500r/m；网侧谐波大。
交-交SDM级联高压变频
交-交SDM级联高压变频方案主电路结构与多电平级联方案基本相同，通过输入变压器产生的多路浮动低压电源给各功率变换模块供电，串联后，得到了输出高压电。该方案的功率变换模块实质上是一种单相输出矩阵式变频器。
SDM级联高压变频方案的所有功率半导体器件工作在自然环流状态，即零电流软关断，避免了IGBT等器件强迫关断产生的应力，这对于工作在高电压大电流状态的高压大容量变频器尤为重要
矩阵型高压变频器
矩阵级联型高压变频器，采用3×2矩阵变换单元相互串联而成，实现了高电压的输出，具有与H桥级联型高压变频器相似的特点，同时又具备矩阵、交-交变换器的四象限运行能力。哈尔滨九洲电气股份有限公司提出了一种将矩阵变换器引入H联型高压变频器的新方法，舍弃了直流环节和串、并联电解电容器组,实现了交-形式的直接变换,因此大大延长了变频器的使用寿命,体积也可以减小许多。
高压变频器的市场
在变频器业界内有这样一种说法，谁拥有高压变频器技术方面的优势，谁就将在未来的变频器行业乃至工控领域占有一席之地。
2007年6月，国内高压变频的领航企业北京利德华福电气技术有限公司宣布，公司第1000套高压变频业绩诞生，这一消息在高压变频领域被称为重大事件。
由于能源紧张及生产工艺等各方面的要求，高压变频器已成为大型生产企业节能工作的必由之路。在与长期垄断这一市场的国外产品的竞争中，国产高压变频器也已占有1/3以上的市场份额。
据国家《电动机调速技术产业化途径与对策的研究》报告披露，中国发电总量的66%消耗在电动机上。而我国电动机装机总容量已达4亿多kW，年耗电量达12000亿kW.h，占全国总用电量的60%，占工业用电量的80%；其中风机、水泵、压缩机的装机总容量已超过2亿kW，年耗电量达8000亿kW.h，占全国总用电量的40%左右。70%以上的风机、水泵、压缩机应调速运行，而至今仅有约5%左右调速运行。若按风机、水泵和压缩机总装机容量的50%进行调速节能改造，则可改造容量达1亿kW，其中40%为中高压电机，容量占60%。若按电机平均出力为60%，年运行4000h，平均节电率为20～30%（平均25%）计算，则年节电潜力为600亿kW.h！整个电机系统的节电潜力约为1000亿kW.h，改造和更新预计需投入2000～3000亿元人民币。
目前，我国高压变频器行业以30%以上的速度发展，调查显示，我国变频器的市场潜力约为1800亿，其中，高压变频器约占40%。有变频业内人士保守预测，高压变频市场稳定之后的年平均市场容量应在80～90亿元。
随着技术的进步，高压变频器除了在已有的市场上继续扩大规模外，还将进一步扩展应用的领域，对于很多负载，还需要解决变频器的工程应用上的问题。总之，高压变频器正在迎来发展的黄金时期。
当然，中国高压变频器市场也面临诸多问题，比如价格战、货款回收周期长，等等，需要相关行业组织和专家、企业家共同探讨，使这个高速增长的行业能有一个更加良好的发展环境。
随着电力电子技术、计算机技术和自动控制技术及电机控制理论的发展，当然也少不了各国学者的科研努力，人们对功率变换规律更进一步的认识，以后会出现更新、更好的新型电路拓扑结构，特别是近年来“电力电子积木”pebb(power electronics building block)技术的兴起，使多个功率器件的集成化和低成本化逐步成为可能，也为多电平变换电路拓扑的发展提供了有力的技术支持，从而引起中高压功率变换技术的更大发展。
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