孟慶波

（撫順石化公司洗滌劑化工廠，遼寧 撫順 113000）

高壓直流輸電是工頻電壓經(jīng)過升壓后被壓整流獲得的高壓電流，其屬于一類新型直流不間斷供電系統(tǒng)，相較交流UPS來說，高壓直流輸電具備并聯(lián)冗余的優(yōu)勢，且其比單個組間的可靠性要高，實現(xiàn)系統(tǒng)安全系數(shù)的提升，且過載能力優(yōu)秀，能夠大大提高工作效率，現(xiàn)在各個行業(yè)中都獲得了廣泛的運用。相關企業(yè)應當要對該技術的工作原理予以全面重視，并開展深入的分析與研究，構建起多元控制機制，確保高壓直流電源得以發(fā)揮其應有的效用。

1 高壓直流輸電與高壓直流電源

高壓直流輸電在很多行業(yè)及遠程電力輸送中有重要應用，隨著電力電子技術快速發(fā)展，高壓直流電源性能不斷提高，其技術也不斷得到更新發(fā)展。相對于傳統(tǒng)交流輸電方式而言，高壓直流輸電用于遠距離或超遠距離輸電中具有更大經(jīng)濟效益，其除了具有常規(guī)直流輸電調(diào)節(jié)速度快、運行可靠等優(yōu)點外，經(jīng)濟性也非常顯著。首先，高壓直流輸電只需兩根導線，線路造價低，有效節(jié)約電纜費用。其次，高壓直流輸電運行電能損耗小，傳輸節(jié)能效果佳。直流輸電導線根數(shù)少，電阻發(fā)熱損耗小，沒有感抗和容抗的無功損耗，且傳輸功率的增加使單位損耗降低，大大提高了電力傳輸中的節(jié)能效果。此外，高壓直流輸電線路占地面積小，節(jié)約土地。

高壓直流電源是一種將工頻電網(wǎng)電能轉變?yōu)樘胤N形式的電子儀器設備。按輸出電壓極性進行分類，高壓直流電源主要分為正極性、負極性兩種類型。隨著電力行業(yè)快速發(fā)展，高壓直流電源被廣泛應用于各行各業(yè)，在農(nóng)業(yè)領域也有重要應用。在具體應用環(huán)節(jié)，該項技術具有較為顯著的節(jié)能效果。相較于傳統(tǒng)電流計算而言，高壓直流電源通常能夠節(jié)能約20%～30%。其重點是在供電系統(tǒng)效率以及后端設備效率上具有較為顯著的優(yōu)勢。而且供電技術需要逆變，就必定會對電能造成損傷，但是運用高壓直流電源技術就能有效防止該問題出現(xiàn)，實現(xiàn)電能的節(jié)約以及使用效率的提升。隨著高壓直流相關技術不斷發(fā)展，高壓直流電源應用也不斷拓展，在應用中體現(xiàn)出顯著的社會效益和經(jīng)濟效益，是一種非常有市場前景的應用技術。

2 高壓直流電源變換原理分析

高壓直流電源變換，簡單而言就是三相電經(jīng)BUCK型PWM交流斬波后，再經(jīng)過小容量LC濾波器，這環(huán)節(jié)主要是為了去除高頻諧波，這之后輸出交流至整流變壓器原邊。變換過程中的整流變壓器是具有特殊連接形式的升壓變壓器，通過設置合適變比就可以使變壓器兩閥側繞組得到大小相等、相位相差30°的高壓變流，并分別作為兩個三相整流橋的網(wǎng)側輸入，兩個整流橋輸出串聯(lián)，最后濾波輸出高壓直流。這項技術目前已經(jīng)較為成熟，且可靠性高，擁有穩(wěn)定的運行環(huán)境，用戶只需要調(diào)節(jié)交流PWM變換器導通占空比就可以實現(xiàn)變壓器原、副邊電壓的穩(wěn)定輸出，達到控制直流出處目的。

3 高壓直流電源技術發(fā)展及存在的問題及難點

在高壓直流電源應用中，開關電源技術及其發(fā)展非常重要。隨著新電子元器件、電磁材料、電源變換技術及控制理論的涌現(xiàn)和發(fā)展，開關電源性能不斷得到提高和更新發(fā)展，更是逐漸具備了頻率高、效率高、功率密度高及可靠性高等新特性，進一步推動了高壓直流電源技術應用發(fā)展，當時其應用環(huán)節(jié)還存在一些問題有待改進，具體表現(xiàn)如下。

3.1 關鍵功率新部件應用

目前實際應用中常用的有晶體管、功率MOSFETS、IGBTS等快速轉換器件；適用于高頻的新型變壓器貼心材料應用方面，主要有鐵氧體、非晶材料等，低功耗、高性能是突出特點。電子電力技術發(fā)展下，低耗散因素的大容量電容也得到快速發(fā)展和應用。另外，低前向電壓降快速整流器也得到快速發(fā)展和廣泛應用。

3.2 先進變換技術

變換技術方面，主要體現(xiàn)在以下幾方面：（1）零電流串聯(lián)和并聯(lián)諧振開關技術（ZCS）。（2）零電壓LCC諧振逆變技術（ZVS）。（3）軟開關和相控諧振技術。（4）正反激勵和推挽逆變器技術。

3.3 高壓直流電源技術發(fā)展中存在的問題及難點

對著高新技術逐步應用，在實際應用中也不斷呈現(xiàn)出新的問題和技術難點。主要體現(xiàn)在高頻化技術發(fā)展方面，高頻化技術能夠提高電源性能，并壓縮變壓器體積及文波系數(shù)，但由于高頻高壓并存，導致在實際應用中存在較大技術難點，具體體現(xiàn)有以下幾方面：（1）高頻高壓變壓器體積減小，頻率升高，分布容抗也相應變小，從而使得絕緣問題較為突出。（2）電壓變化比增大使得變壓器非線性嚴重化，從而增加漏感和分布電容，這樣其就必須與逆變開關隔離才能確保逆變電路正常工作，否則就可能出現(xiàn)擊穿功率器件的問題。（3）高頻化會增加變壓器的趨附效應，從而使變壓器效率降低。

4 高壓直流電源整流與逆變技術分析

4.1 高頻高壓變壓器優(yōu)化設計

目前針對高壓直流電源中高頻高壓變壓器的優(yōu)化設計主要有以下兩方面：（1）優(yōu)化選擇逆變器拓撲結構。由于高壓電源頻率非常高，使得功率開關器件開端頻繁，能耗增大，因此在電源使用技術改進中，應對逆變器的拓撲結構進行合理選擇。軟開關和同步蒸餾技術在降低高頻化造成的損耗方面就具有突出優(yōu)勢，是目前高壓直流電源技術應用中的一項重要技術應用。在此基礎上再同時采用逆變器和準諧振電路相結合技術，通過電壓或電流諧振，能夠使開關打開或斷開時的電壓或電流為零，從而大大減小能耗。另外，為減少變壓器漏感等不利影響，可將變壓器漏感作為逆變器一部分，也就是逆變—諧振—變壓器漏感，采用一體化思想進行整體設計，從而達到有效避免不利影響的目的。（2）控制檢測部優(yōu)化。采用數(shù)字集成電路（IC）高頻高壓開關電源，其以模擬方式對輸出電壓進行控制，并以數(shù)字方式操作開關，能夠實現(xiàn)連續(xù)和不連續(xù)模式轉換。同時，采用PWM（脈寬調(diào)制技術）、PFM（頻率調(diào)制技術）和DC-DC（直流—直流）變換器、逆變器等技術，強電弱電間相互影響得到加強，但檢測部位高壓電壓對后續(xù)電子元器件（精密電阻等）在性能方面也提出了更高要求。

4.2 諧振變換器ZVS軟開關同步整流技術

同步整流（SR）技術用具有低導通電阻特性的功率MOSFET來替換二極管而實現(xiàn)整流，能夠大大降低低壓大電流整流電路功率損。目前應用于變換器中的大多整流器件都普遍工作于硬開關工作狀態(tài)，當開關頻率較高的情況下，開關損耗比較大，從而降低了系統(tǒng)效率。另外，運用自驅動方式的同步整流變換器，容易給變換器主電路工作造成影響，降低系統(tǒng)性能。在眾多變換器中，諧振變換器具有體積小、傳輸效率高等優(yōu)點而備受重視。諧振變換器諧振環(huán)節(jié)電容電壓及電感電流波形都是正弦波，因此較容易在大范圍內(nèi)實現(xiàn)開關網(wǎng)絡的ZVS或ZCS。

4.3 PWM交流斬波電路

一種直接AC/AC變換電路，從所采取控制方式不同方面看，主要分為相控式和斬控式兩種類型。其中，相控式晶閘管變換電路控制電路具有操作簡單、功率容量大的優(yōu)點，其不足及缺點主要體現(xiàn)在動態(tài)響應速度慢、出處電壓的低次諧波含有率大、功率因數(shù)低等方面。而斬控式交流變換電路相對于相控電路而言，其優(yōu)良性能就更為突出。首先，斬控式交流變換器功率因數(shù)僅僅由負載決定，因此其功率因數(shù)相對較高。其次，輸出輸入方面只含與開關頻率相關高次諧波，比較容易濾除，因此輸出波形比較接近于正弦波。此外，其輸出電壓隨占空比現(xiàn)行調(diào)節(jié)，變化范圍更大。另外，斬控式交流變換器還具有動態(tài)響應速度快及工作效率高等優(yōu)點，因此一直都是高壓直流電源相關技術研究的重點，而且在各領域也有廣泛應用。

5 結語

綜上所述，高壓直流電源技術具有非常多的優(yōu)良性能，在很多工業(yè)生產(chǎn)領域都有重要應用。隨著電子電力科學技術快速發(fā)展，高壓直流電源技術不斷得到更新與發(fā)展，但在高壓直流電源技術實際應用中也會不斷出現(xiàn)新的問題及技術難點，因此仍需進一步加強對高壓直流電源整流與逆變相關技術研究，以充分發(fā)揮高壓直流電源技術應用水平，推動社會經(jīng)濟更好的發(fā)展。