潘政剛 潘家忠

（1.哈爾濱電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150090，2.哈爾濱帕特爾科技有限公司，哈爾濱 150090）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)電網(wǎng)發(fā)展十分迅速，新能源及清潔能源發(fā)電規(guī)模逐步擴(kuò)大，自動(dòng)化、信息化新技術(shù)不斷應(yīng)用，電網(wǎng)運(yùn)行管理水平大幅提升。在大力發(fā)展清潔高效能源和多元化能源結(jié)構(gòu)的同時(shí)，對(duì)供電的可靠性要求也不斷提高，因此人們紛紛開展了智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)和示范項(xiàng)目等方面的研究與實(shí)踐，使現(xiàn)代電網(wǎng)更加智能化。要實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)必須研發(fā)和應(yīng)用一系列關(guān)鍵技術(shù)，其中基于電力電子技術(shù)的高級(jí)電力設(shè)施在智能電網(wǎng)中發(fā)揮著重要的作用，它既可以單獨(dú)應(yīng)用也可以用于組成復(fù)雜的系統(tǒng)，但是這些高級(jí)電力電子設(shè)備往往成本很高、可靠性偏低，這是當(dāng)前還未能大面積應(yīng)用的主要原因。

眾所周知，高級(jí)電力電子設(shè)備需要大容量的電力電子器件，而當(dāng)前單只電力電子器件的耐壓和容量還遠(yuǎn)不能滿足電網(wǎng)的實(shí)際要求，因此就要采用串并聯(lián)技術(shù)，這是造成成本高、可靠性低的主要原因。開關(guān)變壓器技術(shù)解決了這一長(zhǎng)期困擾人們的重大難題，為智能電網(wǎng)的發(fā)展提供了一個(gè)有效的手段。

電力電子技術(shù)亦可稱為大功率電子技術(shù)，包括器件、電路和系統(tǒng)3個(gè)層次，其中器件的發(fā)展和應(yīng)用是電力電子技術(shù)的基石。幾十年來，人們不斷地研究探索各種新型大功率器件，取得了許多積扱的成果。目前，使用最多的電力電子器件是可控硅（晶閘管），它單只耐壓較高（國(guó)內(nèi)達(dá)到6500V、國(guó)外達(dá)到8500V）、電流較大（國(guó)內(nèi)已達(dá)5000A、常用3000A）。但是它的耐壓限制與額定電流限制還是跟不上現(xiàn)代電氣設(shè)施設(shè)備發(fā)展的需要。比如由可控硅構(gòu)成的10kV交流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓軟起動(dòng)裝置就需要5－8只可控硅串聯(lián)，有時(shí)還需要可控硅的并聯(lián)。由于可控硅特性參數(shù)的差異化使其在串并聯(lián)應(yīng)用時(shí)必須外加串聯(lián)均壓電路和并聯(lián)均流電路。這使電路復(fù)雜化，降低了可靠性，而且隨著時(shí)間的推移差異會(huì)進(jìn)一步加大，可靠性還會(huì)更加惡化。其他方面應(yīng)用的大型電力電子裝置存在著相同的情況，而且當(dāng)電壓更高時(shí)（比如35－220kV），這種情況會(huì)更加嚴(yán)重。

我們知道，可控硅串并聯(lián)技術(shù)的可靠性是制約其功率升級(jí)和廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問題。假如這個(gè)障礙不存在、電力電子裝置的容量可以做到任意大，可有以下應(yīng)用前景：①交流電網(wǎng)不可控的問題可以解決而成為交流可控電網(wǎng)；②1000kV高壓交流輸電將很快從示范工程走向大面積應(yīng)用；③可控串補(bǔ)裝置的研制就不會(huì)遇到這么大的困難從而大大提高線路輸送容量；④電網(wǎng)故障情況下大型水輪發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)問題可以解決從而盡快使電網(wǎng)穩(wěn)定；⑤抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)電動(dòng)工況下的起動(dòng)可以得到解決，不再完全依賴進(jìn)口；⑥礦熱爐等高耗能電爐的電耗會(huì)有較大的降低；⑦電弧爐的工作特性能得到更好的控制，提高產(chǎn)品質(zhì)量；⑧大型電力變壓器的上電涌流和斷電過電壓?jiǎn)栴}可以得到解決，提高其使用壽命；……。

但是，研制新型大功率電力電子器件關(guān)系材料、電子等多學(xué)科的技術(shù)發(fā)展，其道路極其艱難。從20世紀(jì)40年代出現(xiàn)可控硅到今天己經(jīng)七、八十年了，才達(dá)到前述的水平，工作電壓越高、電流越大其研制就越困難。近年出現(xiàn)的絕緣柵極晶體管IGBT、集成門極換流可控硅IGCT等新型電力電子器件雖然解決了某些技術(shù)問題，但是在耐壓和容量方面仍然進(jìn)展不大。因此，國(guó)家相關(guān)部委出臺(tái)多項(xiàng)政策支持新型大功率電力電子器件的研發(fā)與攻關(guān)。

開關(guān)變壓器模塊的發(fā)明就是在這種情況下，換位思考、獨(dú)新辟蹊徑，尋找新的辦法來解決這個(gè)在某種意義上具有世界級(jí)水平的現(xiàn)實(shí)課題。

2 開關(guān)變壓器模塊的結(jié)構(gòu)與基本原理

開關(guān)變壓器模塊基本電路如圖1所示，其中TK為變壓器，它具有一個(gè)初級(jí)繞組和一個(gè)次級(jí)繞組。初級(jí)繞組的電壓u1按被調(diào)節(jié)的交流電壓U i的要求繞制，其一端接待調(diào)節(jié)的交流電源（U i），另一端接輸出（U o）；次級(jí)繞組的電壓u2按單只電力電子器件的耐壓要求繞制，次級(jí)繞組的兩端接電力電子器件（例如SCR）；由于變壓器原邊繞組的電壓可以任意高，因此被調(diào)節(jié)電壓可以做到任意高；這樣一只器件就可以替代許多只器件的串聯(lián)，解決排除了元器件串聯(lián)的低可靠性問題。圖中的SCR只是電力電子整流器件的一種，根據(jù)設(shè)計(jì)要求它可以更換為其他電力電子器件。

圖1 開關(guān)變壓器模塊基本電路

我們知道，變壓器具有變壓的功能又具有它的開路特性（付邊開路時(shí)原邊承受全電壓且電流很?。┖投搪诽匦裕ǜ哆叾搪窌r(shí)原邊電壓很小且電流大小取決于串聯(lián)負(fù)載）；可控硅也具有開路特性和短路特性，如果把變壓器和可控硅結(jié)合起來，利用二者性能上的結(jié)合（使變壓器只工作在開路和短路狀態(tài)）就可以達(dá)到一個(gè)耐高壓的電力電子開關(guān)器件的作用。

由圖1可見，變壓器的原邊與負(fù)載串聯(lián)接電源，正反并聯(lián)的兩個(gè)單向可控硅與變壓器的付邊低壓繞組接成閉合電路，當(dāng)可控硅不導(dǎo)通時(shí)，變壓器次級(jí)呈開路狀態(tài)，初級(jí)電流很小（小于空載電流），電源電壓的大部分加在變壓器初級(jí)繞組上，負(fù)載電壓很??；當(dāng)可控硅導(dǎo)通時(shí)，變壓器次級(jí)呈短路狀態(tài)，初級(jí)電壓很小（短路電壓），電源電壓的大部分加在負(fù)載上。在這里由于可控硅的控制，變壓器實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載端電壓的開關(guān)作用，且只工作在這兩種狀態(tài)，因此我們稱之為開關(guān)變壓器。

當(dāng)可控硅的導(dǎo)通角由小到大連續(xù)變化時(shí)，負(fù)載端電壓亦由小到大連續(xù)變化，即實(shí)現(xiàn)了負(fù)載的調(diào)壓。

由于串并聯(lián)問題都得到了解決，可以說我們找到了一種“完美”的大功率電力電子“器件”，即該發(fā)明提供的高電壓大電流的開關(guān)變壓器式電力電子模塊。

3 開關(guān)變壓器模塊應(yīng)用于高壓電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)的實(shí)例

開關(guān)變壓器模塊用于高壓電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)電路如圖2（a）圖所示，當(dāng)加上電壓時(shí)（SCR未通），開關(guān)變壓器TK原邊和電機(jī)D上得到電壓，由于TK的空載電流遠(yuǎn)小于D的空載電流，故電壓絕大部分（95%以上）加在TK原邊，這時(shí)TK副邊也得到電壓，波形為正弦波。

當(dāng)SCR控制極加上觸發(fā)電壓時(shí)，SCR導(dǎo)通，比如從α角處導(dǎo)通，則u2立即降低，u2電壓如圖2右上圖中實(shí)線所示，u1的波形也相同。

電機(jī)D上的電壓為外加電壓減去u1，則D上的電壓波形如圖2（b）下圖所示，當(dāng)改變控制角α?xí)r（比如前移），則u2變小，u1變小；uD加大。這樣，連續(xù)調(diào)節(jié)α由大到小，則uD連續(xù)由小到大，完成調(diào)壓軟起動(dòng)。

開關(guān)變壓器模塊的輸出電壓電流可以按任意波形輸出，它有如下特點(diǎn)：①由于執(zhí)行器件是眾所周知的高可靠器件－變壓器，顧可靠性顯而易見?？煽毓柙ぷ髟诘蛪簜?cè)，不必串聯(lián)且方便維修更換。②由于開關(guān)變壓器漏抗的濾波作用，高次諧波對(duì)電網(wǎng)的影響大大減少，高次諧波總畸變率在國(guó)標(biāo)以內(nèi)。③開關(guān)變壓器開通時(shí)只有銅損，關(guān)斷時(shí)只有鐵損，因此工作時(shí)損耗較小，從原理上保證了損耗小的特性。

當(dāng)電力電子器件采用半控器件（例如SCR）時(shí)，可以得到高電壓大電流半控模塊，其控制方法可以是相位控制。當(dāng)電力電子器件采用全控器件（例如VMOS、IGBT等）時(shí)，可以得到高電壓大電流全控模塊，其控制方法可以是脈寬調(diào)制控制（PWM）。

圖2 高壓電機(jī)軟起動(dòng)電路簡(jiǎn)圖及電壓波形圖

4 可控硅并用技術(shù)與開關(guān)變壓器模塊并用技術(shù)

開關(guān)變壓器模塊在應(yīng)用于高壓電機(jī)軟起動(dòng)方面的優(yōu)異性能已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)同，由于它面世時(shí)間較短，目前只做到20MW，對(duì)于容量再大的電氣設(shè)施設(shè)備，只要采用可控硅并用與模塊并用相配合，更會(huì)顯示出獨(dú)到的靈活性與實(shí)用性。

（1）可控硅并用技術(shù)

前述的辦法解決了高電壓?jiǎn)栴}，但隨著所控對(duì)象容量的上升，需要調(diào)節(jié)的電流也在上升。我們采取可控硅并用技術(shù)解決了這個(gè)問題，即采取增加變壓器付邊繞組和電力電子器件的數(shù)量的方法來解決，圖3所示為兩個(gè)幅繞組開關(guān)變壓器模塊電路簡(jiǎn)圖。這里的可控硅并用與常規(guī)的可控硅并聯(lián)有本質(zhì)的區(qū)別，常規(guī)的并聯(lián)技術(shù)是指被并聯(lián)器件首與首相接且尾與尾相接后再接到電路中，而我們提出的并用器件（SCR）是分別接在各自的繞組中，與可控硅并聯(lián)有本質(zhì)的區(qū)別。

圖3 多幅繞組開關(guān)變壓器模塊

（2）開關(guān)變壓器模塊并用技術(shù)

對(duì)于超大功率電氣設(shè)施與設(shè)備的電壓控制，由于工藝等方面的限制使得開關(guān)變壓器模塊不可能作到無(wú)限大時(shí)，我們采用開關(guān)變壓器模塊并用技術(shù)解決超大功率控制問題。圖4所示為兩個(gè)開關(guān)變壓器模塊并用的電路簡(jiǎn)圖。

由圖可見，主電路是純電氣可控電路，電路中無(wú)不可控元件，無(wú)受環(huán)境因素影響的元件，功率增大時(shí)只要增大開關(guān)變壓器和可控硅的容量即可，其他部分無(wú)需變化，變化部分也就是可控硅增大后的觸發(fā)問題，而當(dāng)前容量最大的可控硅其觸發(fā)電流也在200mA以下，我們采用的觸發(fā)板一直超過這個(gè)能力，故可靠觸發(fā)無(wú)問題。

5 關(guān)于開關(guān)變壓器模塊并用的討論

（1）開關(guān)變壓器模塊并用不同于電力變壓器并聯(lián)

開關(guān)變壓器模塊并用聯(lián)完全不同于教科書上所說的電力變壓器并聯(lián)運(yùn)行。電力變壓器并聯(lián)運(yùn)行是指幾臺(tái)變壓器不僅初級(jí)接在相同相位的電源上，而且次級(jí)并聯(lián)向負(fù)荷供電。如果變壓器的特性參數(shù)不一致，則會(huì)產(chǎn)生環(huán)流，損耗加大甚至損壞變壓器。

開關(guān)變壓器模塊并用只是把高壓側(cè)（初級(jí)）并聯(lián)起來，低壓側(cè)（次級(jí)）仍然各自獨(dú)立，它就好象許多電力變壓器都接在同一電網(wǎng)上一樣，不存在變壓器并聯(lián)時(shí)由于不平衡產(chǎn)生的環(huán)流。

（2）開關(guān)變壓器并用技術(shù)優(yōu)于可控硅并聯(lián)技術(shù)

與常規(guī)可控硅并聯(lián)相比，這里的可控硅不會(huì)發(fā)生不開通情況?？煽毓柚苯硬⒙?lián)時(shí)，如果開通時(shí)間有微小差異，當(dāng)首先有一只可控硅開通時(shí)，可控硅端電壓立即下降為可控硅的管壓降（僅2V左右）。此時(shí)，未開通的可控硅雖然有觸發(fā)電壓，但由于端電壓太小很容易不開通，造成先開通的可控硅過流。開關(guān)變壓器并聯(lián)時(shí)，如果有一臺(tái)開關(guān)變壓器先開通，則在其初級(jí)繞組兩端仍至少有5%的短路壓降。對(duì)于10kV的情況至少有500V的電壓（變壓器次級(jí)電壓100V左右），這對(duì)于其他支路的開通是完全有保障的。

圖4 開關(guān)變壓器模塊并用電路圖

6 開關(guān)變壓器模塊目前的應(yīng)用情況

開關(guān)變壓器模塊的第一個(gè)產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品是面向鋼鐵、石化、冶煉等大中型企業(yè)的高壓（3～10kV）電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)設(shè)備，由于市場(chǎng)對(duì)新技術(shù)新產(chǎn)品要有一個(gè)認(rèn)識(shí)過程，所以市場(chǎng)推廣的過程比較艱難。尤其是這種較為關(guān)鍵的大型起動(dòng)設(shè)備，其成敗關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行與生產(chǎn)過程，決策者們（尤其是國(guó)有企業(yè)）怕?lián)?zé)任而不敢“第一個(gè)吃螃蟹”。就電動(dòng)機(jī)起動(dòng)市場(chǎng)而言，只要起動(dòng)的電機(jī)容量上一個(gè)臺(tái)階，幾乎都要我們生產(chǎn)者投入全部費(fèi)用，完成試用后才可能走向正常的定購(gòu)流程。就是在這種環(huán)境下，經(jīng)過這七八年的艱辛，開關(guān)變壓器技術(shù)逐步被業(yè)內(nèi)人士所認(rèn)同，目前己成功推廣應(yīng)用到二百多臺(tái)高壓電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)領(lǐng)域。其中，兩臺(tái)12000kW及14000kW的電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)設(shè)備分別在燕山石化及鑫金鋼鐵成功應(yīng)用一年有余。電機(jī)容量達(dá)20000kW的軟起動(dòng)設(shè)備去年底已經(jīng)在山東張店鋼鐵運(yùn)行成功。

7 結(jié)論

經(jīng)過在高壓電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)市場(chǎng)的多年應(yīng)用，開關(guān)變壓器技術(shù)逐步愈加成熟與完善。實(shí)踐已經(jīng)證明，這種性價(jià)比優(yōu)越的大功率電力電子裝置的高可靠性和易用性是不容質(zhì)疑的。實(shí)踐還有力的說明，這種功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的大功率電力電子裝置完全可以推廣應(yīng)用到其他需要大功率及超大功率控制的技術(shù)領(lǐng)域。如前所述，交流電網(wǎng)控制、電網(wǎng)故障情況下大型水輪發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)、抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)電動(dòng)工況下的起動(dòng)、礦熱爐等高耗能電爐的節(jié)電、電弧爐的工作特性能得到更好的控制、大型電力變壓器的上電涌流和斷電過電壓?jiǎn)栴}可以得到解決，提高其使用壽命；……。

衷心希望業(yè)內(nèi)人士予以關(guān)注并探討采取合作共贏之舉，為使這一實(shí)用技術(shù)盡早地為大型電力設(shè)施設(shè)備的智能控制提供有效的技術(shù)保證。

[1] 溫家良等. 高壓晶閘管閥運(yùn)行試驗(yàn)方法與試驗(yàn)裝置的研究與開發(fā)[J].電網(wǎng)技術(shù),2006(21).

[2] 賀之淵等. 基于器件物理特性的晶閘管串聯(lián)機(jī)理的系統(tǒng)化研究及應(yīng)用[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2006(12).

[3] 潘政剛等.中壓(3-10kV)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方法的分析與比較[J].電氣世界,2002(11).