論綠色變換的發展

On Development of Green Conversion

摘要：以功率變換技術發展的歷史闡明了“回歸綠色”需要解決的網側與負載側的關鍵問題；并以CTA技術為代表，揭示其各分支優波電源的廣闊應用領域和發展過程中遇到的難點；說明了電力電子及其相關器件的發展與電源綠色化過程的相互依存關系。

關鍵詞：功率變換優波電力電子

1功率變換技術發展史呼喚綠色回歸

　　功率變換技術是按用戶需求改變電能應用方式（改變電能的波形、頻率等）的技術；可以有AC／DC、DC／DC、DC／AC、AC／AC及其相互組合的多種變換。40年代前后，由電磁元件組合形成的各種功率變換過程基本上可實現清潔電源。例如，將交流電動機與直流發電機同軸聯結得到AC／DC變換，從電網吸取正弦電流；功率因數的校正也可由并網的同步電機完成。其中勵磁還要配小容量電機完成。用這樣龐大的機組群完成功率變換功能，不論在一次投資、運行費用、占地還是工作效率方面看，均受制于當時的技術發展水平。60年代晶閘管工頻相控技術推動了功率變換技術完成從旋轉式到靜止式的變革，雖解決了上述不足，卻付出了污染電網、降低用電器效率的代價。PWM控制與可關斷電力電子器件組成新的變換器及其不斷更新換代正在逐步緩解電力公害的影響，但離根治尚有很大距離。不過在跨世紀階段，人們對清潔電源的渴求，再也不會回到電磁旋轉式綠色變換時代；而將依賴電力電子器件的不斷發展以及靜止功率變換技術與相關學科的融合來創造現代綠色電源。

2創造綠色電源的關鍵

　　在現有功率變換技術基礎上派生綠色電源的關鍵是要解決網側和負載的諧波污染問題。

2．1網側處理

　　對網側業已存在的污染可進行動態諧波補償，使諧波成份被限制在允許的范圍內。國標GB／T14549－93《電能質量公用電網諧波》已于1994.3.1起正式執行，應予堅決貫徹。

　　在研制新電源裝置時，采取網側補償措施，使之一體化。可按裝置容量與電網容量之比制定達到綠色標準的功率因數和吸取電網電流正弦度指標。該項工作可由制定電源標準的權威部門完成，供技術質量監督部門參考。

　　80年代中期以來，對網側功率因數校正與動態諧波補償技術已步入由可關斷電力電子器件實現裝置的發展過程。已有國外大型補償裝置進入現場，在電網經濟運行中發揮作用。國際國內在這一領域的研究也十分活躍。90年代初，清華大學蔡宣三教授等對有源校正、混合校正技術進行了系統歸納和總結。為了重新認識和解決這一領域的問題，西安交通大學劉進軍博士在導師王兆安教授的支持下，對動態功率因數重新進行了理論上的定義，并應用該理論指導新一代補償裝置的研制。近年來日本Masada教授在潛心于利用超導技術解決電力系統峰谷電力貯存問題的同時處理網側諧波污染。以美國李澤元（Fred.C.Lee）教授為代表的學者群則致力于結合電源拓撲和軟開關技術的發展，將網側校正技術置入一體化：目前主要在AC/DC、DC/DC變換的網側校正一體化措施方面有前沿的積累，各種其它功率變換的網側校正一體化問題尚有待后續研究。1996年以來，各國學者發表在IEEETrans.onPE上的這方面論文已形成熱點。電源產品已有專用的網側補償控制芯片。

　　除補償校正處理19次以下諧波問題外，軟開關技術的有機結合還同時抑制了高頻化導致的高頻噪聲對本機、同網設備和通訊系統的干擾。

　　以上成果直接推動各類現有電力電子電源向“綠色”化方向再上臺階，形成帶網補償功能的新型產品系列。

　　在風機、泵類節電應用領域中活躍著VVVF變頻器產品系列。從幾個kW至幾百kW量大面廣的領域，還沒能進行一體化網側補償產品的開發研制。事實上變頻器作為功率較大的電源，若不進行網側補償的一體化處理，對電網的沖擊較一般電源更嚴重，將對節電的效果產生負面效應。那么，是什么原因制約了變頻器產品網側補償一體化的升級換代呢？其主要障礙并非技術本身，而是前一階段市場運作形成變頻器產品附加值遠低于同容量類似拓撲電源產品（逆變器等）的現實，使制造商進行產品升級換代時，難于合理提價，有利可圖。因此，國家是否應出臺某些宏觀調政策，促進國產或合資企業變頻器產品網側補償一體化的升級換代，并以此提前占領國內市場足夠的份額？

2.2負載側處理

　　對負載的問題應具體分析。照明、電熱等用電器對供電波形無特殊要求，允許各種波形包括直流供電；馬達類感性負載需要正弦波電源供電，不適配的方波強制供電會引起強諧波噪音、電機發熱、降低電機壽命等弊端；醫用儀器中常含晶閘管電路和高脈沖電流，當與其它用電器共用一套電源時，應對電源的適配容量和供電波形有更嚴格的要求。

　　由于供電點負載性質、范圍的多重性，需要提供正弦波供電的占絕大多數。因此AC/DC/AC，DC/AC，AC/AC變換的結果要求正弦失真度達到用戶的需求。常規的辦法是對輸出級采用LC濾波（單級或多級的）。許多電源產品說明書上標注失真度THD（TotalHarmonicDistortion）為2％（線性負載），僅指對阻性負載，而回避對其它性質負載THD指標的描述，實際上回避了對負載適應性的描述。這反映出常規濾波獲取高正弦度供電的方法本身還比較脆弱，一旦負載從阻性變為阻感性或阻容性、甚至晶閘管負載，或者在此基礎上還要求大的負載范圍，裝置的輸出電壓波形就會明顯偏離標注的THD值。由此可以引入THD值軟硬的概念。鑒于學者們、產品開發部門的研究工作者對不同性質負載工況的THD值偏離情況還缺乏研究積累，產品制造商的標注也就僅限于阻性負載。

　　THD指標標注的含糊性使某些用戶在選擇逆變電源時遇到了不便。看來反映交流電源性能的指標應增設一項—THD硬度，用以描述功率變換電源在不同性質負載下，供電波形偏離正弦的程度。

　　與常規濾波不同，CTA（Comparing—Tracking—Amplifying）功率變換技術在較寬負載范圍和非純阻性負載情況下具有THD硬特性，于是在復合性負載有高正弦度要求的場合，CTA電源是最佳選擇之一。

3高THD硬度的CTA優波電源

　　鑒于過去十年來陸續發表的有關CTA功率變換技術的論文，已多次闡明以功率開關與線性放大器電路復合成的該電源的原理、特征及典型應用，本文不再詳述。僅就該技術在發展過程中遇到的難點和解決的途徑談一點體會。

　　CTA基本電路拓撲如圖1所示。

圖1CTA基本電路拓撲

3.1末級對管的組合

　　從CTA拓撲出發，末級對管VT1、VT2工作于特殊B類放大狀態：即飽和與線性區的臨界狀態。負載上電壓對末前級的大電壓信號作功率級跟隨，因此兩對管均作為電壓跟隨器運行。為了取得高輸入阻抗、低輸出阻抗的優點，VT1、VT2應具備N溝、P溝配對的IGBT功能。由于市場上沒有這種組合的模塊或單管，現行的CTA變換器末級常采用N溝、P溝配對的高壓小電流MOSFET與BJT達林頓管復合，獲取N溝、P溝配對的IGBT功能。但P溝MOSFET沒有足夠的市場份額，致使制造商一直不愿制造高壓P溝MOSFET。這樣，CTA技術的發展受到元器件市場的制約。IR公司在本世紀最后幾年從電力電子線路的實踐中感悟到，推挽工作的“對管”可使驅動電路簡化，已生產出電壓等級為400伏，電流達十幾安的N、P溝MOSFET對管。這一技術進步為CTA的發展帶來了福音。

3.2末前級電壓放大單元的實現

　　在無工頻變壓器的高壓輸出型CTA技術中，欲使負載波形獲得THD硬特性，必須跟蹤一個高電壓信號。這個高電壓信號是由控制前級開關的同一參考信號放大而成的。在220伏系統中，要求放大幾十倍至一百多倍。固定工頻信號的處理，可用信號變壓器來實現。升壓型大變比信號變壓器的設計亦較困難。對于大范圍變頻信號的處理，CTA系統不宜采用升壓型信號變壓器實現高電壓。因為高保真度無法在大變頻范圍內得以保持。只能采用電子線路實現，確保足夠大的頻帶。按照變頻調速超低頻的要求，希望在1Hz左右實現低速運行。因此必須采用非電容隔直的直接耦合形式，避免相移。這樣，溫漂、其它因素引起的直流分量負面影響，必須限制在很小的范圍內（例如峰值電壓的1％）。否則，變頻傳動在低頻狀態運行時，有用信號和干擾信號的幅值頻率將難以區分；CTA技術抑制低速轉矩脈動的優勢就難于得到充分發揮。為了在三相系統中克服元器件特性的離散性，提高可靠性，三相大電壓信號單元最好采用專用集成塊。目前PA44等系列的大電流、升壓型高壓運放模塊，技術上基本能滿足要求，但價格貴到300多元/相，使CTA優波變頻技術可望不可及。目前，采用離散電子線路實現的CTA變頻調速在空載條件下負載上電壓失真度已達到下表所列的水平：

繼續解決上述難點，可以在更寬的信號頻率范圍內發揮CTA技術所長。

3.3同型管配對CTA技術的延伸發展

　　如前所述，N溝、P溝對管的實現在IR公司推出新對管之前的相當一段時期里，基本CTA電路的發展欲達市電標準，曾經比較困難，“人造”IGBT功能又使電路復雜化。于是CTA研究群體中，有人提出繞開對管N、P溝匹配結構，尋求N溝同型管組合CTA電路的建議。理論與實驗分析表明：有些傳統功率電路用同型管可實現正、負半波的波形合成，也可以得到將各次諧波“一刀切”的波形凈化效果，但由于兩同型管不能同為射極或源極輸出結構，勢必造成頻率和負載大范圍變化時的非對稱性跟蹤問題。原則上認為，此類復合不是本質上的CTA拓撲。但可以在恒頻定載系統中應用。

　　本項目組的理論實驗結果表明，下列兩類同型對管可以實現CTA高THD硬度的優波變換。

　　（1）單端雙半波供電式CTA在圖1的基本CTA拓撲中，“開關?線性”復合的功率及開關電路是由雙Buck單元組成的，由兩個輸出端為末級線性功率放大電路提供雙半波的微紋波供電。因此可稱之為雙端雙半波供電式CTA。此類供電方式，末級必須以異型N、P溝配對的壓控器件實現CTA。

　　如果將前級的雙端雙半波微紋波供電，改為單端雙半波微紋波供電，末級將可用同型管實現高THD硬度的CTA。該研究已有實驗室階段的前期工作，由本項目組王舉貴先生提出構思，并進行了模擬實驗。

　　（2）工頻SCTA工頻升壓雖比高頻升壓體積大，重量重，但可靠性較高，單Buck與同型管組合實現高THD硬度的CTA特別適合蓄電池供電的情況（圖2）。本項目組駱雅琴副教授在這方面已有前期積累。

　　由于供電電壓等級、應用場合的不同，CTA還可以多種組合，在此不一一贅述。

3.4CTA技術的應用領域

　　鑒于CTA優波變換技術的高THD值硬度，它可以在以下領域獲得廣泛應用。

　　（1）DC/AC變換逆變領域用于再生能源（風力、太陽能、潮汐發電等）的逆變器配套。

　　在缺少大電網供電的人煙稀少地區實施光明工程，目前配備的逆變器為1kVA以下方波供電，1kVA以上正弦波供電。其中正弦波供電的往往滿足家用電器復合負載的需要。由于THD硬度和其它保護措施的綜合原因，可靠性一直是一個制約再生能源供配電系統發展的障礙。特別是在接有醫療設備的場合——晶閘管負載，高脈沖電流負載將對逆變電源的安全運行構成主要威脅。一般毀滅性故障往往發生在合閘瞬間。因此，在負載狀態比較復雜的場合，宜發展CTA逆變電源、取高THD硬度的優點。

　　除此之外，類似的應用還有與鐵路車廂配套的DC48V/AC110V逆變器供給空調系統；DC48V/AC220V逆變器用于通信系統應急電源；還有其它變比的CTA逆變器用于電力監測系統應急電源；高性能醫用UPS和其它UPS；船用400Hz逆變器等。

　　與21世紀現代樓宇群直流母線供電的系統配套的千瓦級逆變器群，也是CTA系列應用的優選場合。

圖2

　　（2）AC/DC/AC變頻領域CTA變頻器由于是純正弦供電，低速時還可根據電機本身非線性實時監測，人為構筑補償有害諧波的軟硬措施，因此在拉絲、薄材加工、機床主軸調速等方面應能創造同等控制方式（VVVF、矢量控制、直接轉矩控制等）下最小的轉矩脈動，從而可在工作母機原設計能力的范圍內，大大提高產品加工質量。

　　在超高速調速系統中CTA模式允許在遠低于PWM系統開關切換頻率下實現高效、高正度、高THD硬度的調速；換言之，它可使系統工作于開關頻率遠高于PWM模式的場合。

　　（3）其它應用領域CTA優波變換獲取高THD硬度的正弦輸出電壓，僅僅是為了適應大多數負載的需要，事實上CTA變換可以實現任意波形功率變換，因此，軍事領域的電子對抗，也可采用CTA功率變換技術。在前述的再生能源系統具有復雜負載工況時，也可用CTA技術實現小容量的有源諧波校正。現有的有源校正技術還是用PWM功率變換器實現補償換流的；從理論上說一般比不上CTA對動態偏離的完全不變性跟蹤。

4結論

　　綠色功率變換技術的發展是與電力電子器件的發展相輔相成、互為支撐的。其關鍵是在治理大電網或獨立小電網污染的同時，重視解決對負載的優波供電問題。在此基礎上，采用軟開關技術解決小容量高頻電源的電磁噪聲污染。CTA功率變換技術是綠色電源發展史上具有本國特色的代表作。其發展過程及分支化、系列化將為各行各業廣闊的潛在市場提供開發產品的技術貯備、思路和經驗。

　　靜止功率變換技術的發展和不斷走向清潔的過程是重返“綠色”的“回歸工程”。其最終結果將是“綠色”程度對40年代前后旋轉式變換的最大限度逼近和在體積、效率、功率傳輸密度等綜合優化指標上的全面超越。