论绿色变换的发展

论绿色变换的发展

On Development of Green Conversion

摘要：以功率变换技术发展的历史阐明了“回归绿色”需要解决的网侧与负载侧的关键问题；并以CTA技术为代表，揭示其各分支优波电源的广阔应用领域和发展过程中遇到的难点；说明了电力电子及其相关器件的发展与电源绿色化过程的相互依存关系。

关键词：功率变换优波电力电子

1功率变换技术发展史呼唤绿色回归

　　功率变换技术是按用户需求改变电能应用方式（改变电能的波形、频率等）的技术；可以有AC／DC、DC／DC、DC／AC、AC／AC及其相互组合的多种变换。40年代前后，由电磁元件组合形成的各种功率变换过程基本上可实现清洁电源。例如，将交流电动机与直流发电机同轴联结得到AC／DC变换，从电网吸取正弦电流；功率因数的校正也可由并网的同步电机完成。其中励磁还要配小容量电机完成。用这样庞大的机组群完成功率变换功能，不论在一次投资、运行费用、占地还是工作效率方面看，均受制于当时的技术发展水平。60年代晶闸管工频相控技术推动了功率变换技术完成从旋转式到静止式的变革，虽解决了上述不足，却付出了污染电网、降低用电器效率的代价。PWM控制与可关断电力电子器件组成新的变换器及其不断更新换代正在逐步缓解电力公害的影响，但离根治尚有很大距离。不过在跨世纪阶段，人们对清洁电源的渴求，再也不会回到电磁旋转式绿色变换时代；而将依赖电力电子器件的不断发展以及静止功率变换技术与相关学科的融合来创造现代绿色电源。

2创造绿色电源的关键

　　在现有功率变换技术基础上派生绿色电源的关键是要解决网侧和负载的谐波污染问题。

2．1网侧处理

　　对网侧业已存在的污染可进行动态谐波补偿，使谐波成份被限制在允许的范围内。国标GB／T14549－93《电能质量公用电网谐波》已于1994.3.1起正式执行，应予坚决贯彻。

　　在研制新电源装置时，采取网侧补偿措施，使之一体化。可按装置容量与电网容量之比制定达到绿色标准的功率因数和吸取电网电流正弦度指标。该项工作可由制定电源标准的权威部门完成，供技术质量监督部门参考。

　　80年代中期以来，对网侧功率因数校正与动态谐波补偿技术已步入由可关断电力电子器件实现装置的发展过程。已有国外大型补偿装置进入现场，在电网经济运行中发挥作用。国际国内在这一领域的研究也十分活跃。90年代初，清华大学蔡宣三教授等对有源校正、混合校正技术进行了系统归纳和总结。为了重新认识和解决这一领域的问题，西安交通大学刘进军博士在导师王兆安教授的支持下，对动态功率因数重新进行了理论上的定义，并应用该理论指导新一代补偿装置的研制。近年来日本Masada教授在潜心于利用超导技术解决电力系统峰谷电力贮存问题的同时处理网侧谐波污染。以美国李泽元（Fred.C.Lee）教授为代表的学者群则致力于结合电源拓扑和软开关技术的发展，将网侧校正技术置入一体化：目前主要在AC/DC、DC/DC变换的网侧校正一体化措施方面有前沿的积累，各种其它功率变换的网侧校正一体化问题尚有待后续研究。1996年以来，各国学者发表在IEEETrans.onPE上的这方面论文已形成热点。电源产品已有专用的网侧补偿控制芯片。

　　除补偿校正处理19次以下谐波问题外，软开关技术的有机结合还同时抑制了高频化导致的高频噪声对本机、同网设备和通讯系统的干扰。

　　以上成果直接推动各类现有电力电子电源向“绿色”化方向再上台阶，形成带网补偿功能的新型产品系列。

　　在风机、泵类节电应用领域中活跃着VVVF变频器产品系列。从几个kW至几百kW量大面广的领域，还没能进行一体化网侧补偿产品的开发研制。事实上变频器作为功率较大的电源，若不进行网侧补偿的一体化处理，对电网的冲击较一般电源更严重，将对节电的效果产生负面效应。那么，是什么原因制约了变频器产品网侧补偿一体化的升级换代呢？其主要障碍并非技术本身，而是前一阶段市场运作形成变频器产品附加值远低于同容量类似拓扑电源产品（逆变器等）的现实，使制造商进行产品升级换代时，难于合理提价，有利可图。因此，国家是否应出台某些宏观调政策，促进国产或合资企业变频器产品网侧补偿一体化的升级换代，并以此提前占领国内市场足够的份额？

2.2负载侧处理

　　对负载的问题应具体分析。照明、电热等用电器对供电波形无特殊要求，允许各种波形包括直流供电；马达类感性负载需要正弦波电源供电，不适配的方波强制供电会引起强谐波噪音、电机发热、降低电机寿命等弊端；医用仪器中常含晶闸管电路和高脉冲电流，当与其它用电器共用一套电源时，应对电源的适配容量和供电波形有更严格的要求。

　　由于供电点负载性质、范围的多重性，需要提供正弦波供电的占绝大多数。因此AC/DC/AC，DC/AC，AC/AC变换的结果要求正弦失真度达到用户的需求。常规的办法是对输出级采用LC滤波（单级或多级的）。许多电源产品说明书上标注失真度THD（TotalHarmonicDistortion）为2％（线性负载），仅指对阻性负载，而回避对其它性质负载THD指标的描述，实际上回避了对负载适应性的描述。这反映出常规滤波获取高正弦度供电的方法本身还比较脆弱，一旦负载从阻性变为阻感性或阻容性、甚至晶闸管负载，或者在此基础上还要求大的负载范围，装置的输出电压波形就会明显偏离标注的THD值。由此可以引入THD值软硬的概念。鉴于学者们、产品开发部门的研究工作者对不同性质负载工况的THD值偏离情况还缺乏研究积累，产品制造商的标注也就仅限于阻性负载。

　　THD指标标注的含糊性使某些用户在选择逆变电源时遇到了不便。看来反映交流电源性能的指标应增设一项—THD硬度，用以描述功率变换电源在不同性质负载下，供电波形偏离正弦的程度。

　　与常规滤波不同，CTA（Comparing—Tracking—Amplifying）功率变换技术在较宽负载范围和非纯阻性负载情况下具有THD硬特性，于是在复合性负载有高正弦度要求的场合，CTA电源是最佳选择之一。

3高THD硬度的CTA优波电源

　　鉴于过去十年来陆续发表的有关CTA功率变换技术的论文，已多次阐明以功率开关与线性放大器电路复合成的该电源的原理、特征及典型应用，本文不再详述。仅就该技术在发展过程中遇到的难点和解决的途径谈一点体会。

　　CTA基本电路拓扑如图1所示。

图1CTA基本电路拓扑

3.1末级对管的组合

　　从CTA拓扑出发，末级对管VT1、VT2工作于特殊B类放大状态：即饱和与线性区的临界状态。负载上电压对末前级的大电压信号作功率级跟随，因此两对管均作为电压跟随器运行。为了取得高输入阻抗、低输出阻抗的优点，VT1、VT2应具备N沟、P沟配对的IGBT功能。由于市场上没有这种组合的模块或单管，现行的CTA变换器末级常采用N沟、P沟配对的高压小电流MOSFET与BJT达林顿管复合，获取N沟、P沟配对的IGBT功能。但P沟MOSFET没有足够的市场份额，致使制造商一直不愿制造高压P沟MOSFET。这样，CTA技术的发展受到元器件市场的制约。IR公司在本世纪最后几年从电力电子线路的实践中感悟到，推挽工作的“对管”可使驱动电路简化，已生产出电压等级为400伏，电流达十几安的N、P沟MOSFET对管。这一技术进步为CTA的发展带来了福音。

3.2末前级电压放大单元的实现

　　在无工频变压器的高压输出型CTA技术中，欲使负载波形获得THD硬特性，必须跟踪一个高电压信号。这个高电压信号是由控制前级开关的同一参考信号放大而成的。在220伏系统中，要求放大几十倍至一百多倍。固定工频信号的处理，可用信号变压器来实现。升压型大变比信号变压器的设计亦较困难。对于大范围变频信号的处理，CTA系统不宜采用升压型信号变压器实现高电压。因为高保真度无法在大变频范围内得以保持。只能采用电子线路实现，确保足够大的频带。按照变频调速超低频的要求，希望在1Hz左右实现低速运行。因此必须采用非电容隔直的直接耦合形式，避免相移。这样，温漂、其它因素引起的直流分量负面影响，必须限制在很小的范围内（例如峰值电压的1％）。否则，变频传动在低频状态运行时，有用信号和干扰信号的幅值频率将难以区分；CTA技术抑制低速转矩脉动的优势就难于得到充分发挥。为了在三相系统中克服元器件特性的离散性，提高可靠性，三相大电压信号单元最好采用专用集成块。目前PA44等系列的大电流、升压型高压运放模块，技术上基本能满足要求，但价格贵到300多元/相，使CTA优波变频技术可望不可及。目前，采用离散电子线路实现的CTA变频调速在空载条件下负载上电压失真度已达到下表所列的水平：

继续解决上述难点，可以在更宽的信号频率范围内发挥CTA技术所长。

3.3同型管配对CTA技术的延伸发展

　　如前所述，N沟、P沟对管的实现在IR公司推出新对管之前的相当一段时期里，基本CTA电路的发展欲达市电标准，曾经比较困难，“人造”IGBT功能又使电路复杂化。于是CTA研究群体中，有人提出绕开对管N、P沟匹配结构，寻求N沟同型管组合CTA电路的建议。理论与实验分析表明：有些传统功率电路用同型管可实现正、负半波的波形合成，也可以得到将各次谐波“一刀切”的波形净化效果，但由于两同型管不能同为射极或源极输出结构，势必造成频率和负载大范围变化时的非对称性跟踪问题。原则上认为，此类复合不是本质上的CTA拓扑。但可以在恒频定载系统中应用。

　　本项目组的理论实验结果表明，下列两类同型对管可以实现CTA高THD硬度的优波变换。

　　（1）单端双半波供电式CTA在图1的基本CTA拓扑中，“开关?线性”复合的功率及开关电路是由双Buck单元组成的，由两个输出端为末级线性功率放大电路提供双半波的微纹波供电。因此可称之为双端双半波供电式CTA。此类供电方式，末级必须以异型N、P沟配对的压控器件实现CTA。

　　如果将前级的双端双半波微纹波供电，改为单端双半波微纹波供电，末级将可用同型管实现高THD硬度的CTA。该研究已有实验室阶段的前期工作，由本项目组王举贵先生提出构思，并进行了模拟实验。

　　（2）工频SCTA工频升压虽比高频升压体积大，重量重，但可靠性较高，单Buck与同型管组合实现高THD硬度的CTA特别适合蓄电池供电的情况（图2）。本项目组骆雅琴副教授在这方面已有前期积累。

　　由于供电电压等级、应用场合的不同，CTA还可以多种组合，在此不一一赘述。

3.4CTA技术的应用领域

　　鉴于CTA优波变换技术的高THD值硬度，它可以在以下领域获得广泛应用。

　　（1）DC/AC变换逆变领域用于再生能源（风力、太阳能、潮汐发电等）的逆变器配套。

　　在缺少大电网供电的人烟稀少地区实施光明工程，目前配备的逆变器为1kVA以下方波供电，1kVA以上正弦波供电。其中正弦波供电的往往满足家用电器复合负载的需要。由于THD硬度和其它保护措施的综合原因，可靠性一直是一个制约再生能源供配电系统发展的障碍。特别是在接有医疗设备的场合——晶闸管负载，高脉冲电流负载将对逆变电源的安全运行构成主要威胁。一般毁灭性故障往往发生在合闸瞬间。因此，在负载状态比较复杂的场合，宜发展CTA逆变电源、取高THD硬度的优点。

　　除此之外，类似的应用还有与铁路车厢配套的DC48V/AC110V逆变器供给空调系统；DC48V/AC220V逆变器用于通信系统应急电源；还有其它变比的CTA逆变器用于电力监测系统应急电源；高性能医用UPS和其它UPS；船用400Hz逆变器等。

　　与21世纪现代楼宇群直流母线供电的系统配套的千瓦级逆变器群，也是CTA系列应用的优选场合。

图2

　　（2）AC/DC/AC变频领域CTA变频器由于是纯正弦供电，低速时还可根据电机本身非线性实时监测，人为构筑补偿有害谐波的软硬措施，因此在拉丝、薄材加工、机床主轴调速等方面应能创造同等控制方式（VVVF、矢量控制、直接转矩控制等）下最小的转矩脉动，从而可在工作母机原设计能力的范围内，大大提高产品加工质量。

　　在超高速调速系统中CTA模式允许在远低于PWM系统开关切换频率下实现高效、高正度、高THD硬度的调速；换言之，它可使系统工作于开关频率远高于PWM模式的场合。

　　（3）其它应用领域CTA优波变换获取高THD硬度的正弦输出电压，仅仅是为了适应大多数负载的需要，事实上CTA变换可以实现任意波形功率变换，因此，军事领域的电子对抗，也可采用CTA功率变换技术。在前述的再生能源系统具有复杂负载工况时，也可用CTA技术实现小容量的有源谐波校正。现有的有源校正技术还是用PWM功率变换器实现补偿换流的；从理论上说一般比不上CTA对动态偏离的完全不变性跟踪。

4结论

　　绿色功率变换技术的发展是与电力电子器件的发展相辅相成、互为支撑的。其关键是在治理大电网或独立小电网污染的同时，重视解决对负载的优波供电问题。在此基础上，采用软开关技术解决小容量高频电源的电磁噪声污染。CTA功率变换技术是绿色电源发展史上具有本国特色的代表作。其发展过程及分支化、系列化将为各行各业广阔的潜在市场提供开发产品的技术贮备、思路和经验。

　　静止功率变换技术的发展和不断走向清洁的过程是重返“绿色”的“回归工程”。其最终结果将是“绿色”程度对40年代前后旋转式变换的最大限度逼近和在体积、效率、功率传输密度等综合优化指标上的全面超越。