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)濟的發(fā)展，我國電網(wǎng)發(fā)展十分迅速，新能源及清潔能源發(fā)電規(guī)模逐步擴大，自動化、信息化新技術(shù)不斷應(yīng)用，電網(wǎng)運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，對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)和示范項目等方面的研究與實踐，使現(xiàn)代電網(wǎng)更加智能化。要實現(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，它既可以單獨應(yīng)用也可以用于組成復(fù)雜的系統(tǒng)，但是這些高級電力電子設(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（國內(nèi)達(dá)到6500V、國外達(dá)到8500V）、電流較大（國內(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交流電動機調(diào)壓軟起動裝置就需要5－8只可控硅串聯(lián)，有時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，而且隨著時間的推移差異會進(jìn)一步加大，可靠性還會更加惡化。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（比如35－220kV），這種情況會更加嚴(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和廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問題。假如這個障礙不存在、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可控串補裝置的研制就不會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)電電動機電動工況下的起動可以得到解決，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問題可以得到解決，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，國家相關(guān)部委出臺多項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、獨新辟蹊徑，尋找新的辦法來解決這個在某種意義上具有世界級水平的現(xiàn)實課題。

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，它具有一個初級繞組和一個次級繞組。初級繞組的電壓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）；次級繞組的電壓u2按單只電力電子器件的耐壓要求繞制，次級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（付邊開路時原邊承受全電壓且電流很小）和短路特性（付邊短路時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，變壓器次級呈開路狀態(tài)，初級電流很?。ㄐ∮诳蛰d電流），電源電壓的大部分加在變壓器初級繞組上，負(fù)載電壓很??；當(dāng)可控硅導(dǎo)通時，變壓器次級呈短路狀態(tài)，初級電壓很小（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，變壓器實現(xiàn)對負(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，負(fù)載端電壓亦由小到大連續(xù)變化，即實現(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)用于高壓電動機軟起動的實例

開關(guān)變壓器模塊用于高壓電動機軟起動電路如圖2（a）圖所示，當(dāng)加上電壓時（SCR未通），開關(guān)變壓器TK原邊和電機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，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右上圖中實線所示，u1的波形也相同。

電機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?。籾D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。

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：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，高次諧波對電網(wǎng)的影響大大減少，高次諧波總畸變率在國標(biāo)以內(nèi)。③開關(guān)變壓器開通時只有銅損，關(guān)斷時只有鐵損，因此工作時損耗較小，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，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，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 高壓電機軟起動電路簡圖及電壓波形圖

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)用于高壓電機軟起動方面的優(yōu)異性能已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)同，由于它面世時間較短，目前只做到20MW，對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，更會顯示出獨到的靈活性與實用性。

（1）可控硅并用技術(shù)

前述的辦法解決了高電壓問題，但隨著所控對象容量的上升，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所示為兩個幅繞組開關(guān)變壓器模塊電路簡圖。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限大時，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所示為兩個開關(guān)變壓器模塊并用的電路簡圖。

由圖可見，主電路是純電氣可控電路，電路中無不可控元件，無受環(huán)境因素影響的元件，功率增大時只要增大開關(guān)變壓器和可控硅的容量即可，其他部分無需變化，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)板一直超過這個能力，故可靠觸發(fā)無問題。

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)運行。電力變壓器并聯(lián)運行是指幾臺變壓器不僅初級接在相同相位的電源上，而且次級并聯(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）并聯(lián)起來，低壓側(cè)（次級）仍然各自獨立，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，這里的可控硅不會發(fā)生不開通情況?？煽毓柚苯硬⒙?lián)時，如果開通時間有微小差異，當(dāng)首先有一只可控硅開通時，可控硅端電壓立即下降為可控硅的管壓降（僅2V左右）。此時，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，如果有一臺開關(guān)變壓器先開通，則在其初級繞組兩端仍至少有5%的短路壓降。對于10kV的情況至少有500V的電壓（變壓器次級電壓100V左右），這對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）電動機軟起動設(shè)備，由于市場對新技術(shù)新產(chǎn)品要有一個認(rèn)識過程，所以市場推廣的過程比較艱難。尤其是這種較為關(guān)鍵的大型起動設(shè)備，其成敗關(guān)系到整個系統(tǒng)的正常運行與生產(chǎn)過程，決策者們（尤其是國有企業(yè)）怕?lián)?zé)任而不敢“第一個吃螃蟹”。就電動機起動市場而言，只要起動的電機容量上一個臺階，幾乎都要我們生產(chǎn)者投入全部費用，完成試用后才可能走向正常的定購流程。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)用到二百多臺高壓電動機的軟起動領(lǐng)域。其中，兩臺12000kW及14000kW的電動機軟起動設(shè)備分別在燕山石化及鑫金鋼鐵成功應(yīng)用一年有余。電機容量達(dá)20000kW的軟起動設(shè)備去年底已經(jīng)在山東張店鋼鐵運行成功。

7 結(jié)論

經(jīng)過在高壓電動機軟起動市場的多年應(yīng)用，開關(guān)變壓器技術(shù)逐步愈加成熟與完善。實踐已經(jīng)證明，這種性價比優(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。實踐還有力的說明，這種功能強大、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)電機的并網(wǎng)、抽水蓄能發(fā)電電動機電動工況下的起動、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問題可以得到解決，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. 高壓晶閘管閥運行試驗方法與試驗裝置的研究與開發(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)機理的系統(tǒng)化研究及應(yīng)用[J].中國電機工程學(xué)報,2006(12).

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