【摘要】文章通過分析變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)勢和在各個方面的應(yīng)用，以及對其未來發(fā)展趨勢的展望，對電力系統(tǒng)今后的發(fā)展提供一定的參考。電力行業(yè)的發(fā)展，越來越多的發(fā)電站建立起來，我國每年的電能消耗在總能源消耗中占據(jù)著相當大的比例，為了節(jié)約電能，避免資源浪費，必須采取新方法。而經(jīng)過長期的發(fā)展，計算機技術(shù)逐漸成熟，已深入每一個行業(yè)，同時自動控制技術(shù)也有了相應(yīng)的進步，在此背景下，交流調(diào)速技術(shù)也應(yīng)運而生，解決了許多以往直流調(diào)速無法解決的問題，而變頻調(diào)速技術(shù)是其基本組成部分，在電力系統(tǒng)總發(fā)揮著不可代替的作用。

1、變頻調(diào)速技術(shù)概述

交流變頻調(diào)速技術(shù)在20世紀得到了迅速發(fā)展。這與一些關(guān)鍵性技術(shù)的突破性進展有關(guān)，它們是交流電動機的矢量控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)以及以微型計算機和大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)的全數(shù)字化控制技術(shù)等。

（1）矢量控制技術(shù)

矢量變換控制技術(shù)是西門子公司于1971年提出的一種新的控制思想和控制理論。它是以轉(zhuǎn)子磁場定向，采用矢量變換的方法實現(xiàn)定子電流勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量之間的解耦，達到對交流電動機的磁鏈和電流分別控制的目的，從而獲得了優(yōu)良的靜、動態(tài)性能。迄今為止，矢量控制技術(shù)已經(jīng)獲得了長足的發(fā)展，并得到了廣泛的應(yīng)用。

（2）直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)

繼矢量控制技術(shù)出現(xiàn)之后，1985年，德國的M.Depenblock提出了一種新型的高性能變頻調(diào)速技術(shù)――直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)（DTC）。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)與矢量控制技術(shù)相比，其性能較高，采用電子磁場定向，不需要解耦電流，直接控制電動機磁鏈和轉(zhuǎn)矩，以使轉(zhuǎn)矩得到快速響應(yīng)。而且電機參數(shù)和轉(zhuǎn)子參數(shù)對直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的影響不大，其工作原理比較簡單，很容易掌握，進一步發(fā)展和應(yīng)用的前景相當廣闊。

（3）數(shù)字化控制技術(shù)

隨著科技的進一步進步和發(fā)展，數(shù)字化控制技術(shù)逐漸成為技術(shù)主流，符合現(xiàn)在時代發(fā)展的潮流。早期的矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在一定程度上無法滿足市場的需要，那么數(shù)字化控制技術(shù)應(yīng)運而生，數(shù)字化控制技術(shù)可以快速運算和良好的控制精度問題，使得運轉(zhuǎn)噪音大大降低，大大縮短工作時間。而且使用數(shù)字化控制技術(shù)的變頻器的體積將大大減小，提高了信息處理的效率，實現(xiàn)了之前人工技術(shù)和模擬技術(shù)都無法實現(xiàn)的效果。

（4）PWM控制技術(shù)1964年，德國的A.Schnung等率先提出了脈寬調(diào)制(PWM-pulsewidthmodulation)變頻的思想，為近代交流調(diào)速系統(tǒng)開辟了新的發(fā)展領(lǐng)域。PWM控制技術(shù)通過改變矩形脈沖的寬度來控制逆變器輸出交流基波電壓的幅值，通過改變調(diào)制周期來控制其輸出頻率，從而在逆變器上同時進行輸出電壓幅值和頻率的控制。PWM技術(shù)簡化了逆變器的結(jié)構(gòu)，能夠明顯的改善變頻器的輸出波形，降低電動機的諧波損耗，并減小轉(zhuǎn)矩脈動，同時提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能。PWM技術(shù)還可用于整流器的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)輸入電流非常接近正弦，并可使電網(wǎng)功率因數(shù)為1，PWM整流器因而被稱為“綠色”變流器。目前，PWM技術(shù)已成為變頻器中應(yīng)用最為廣泛的控制技術(shù)，交流電機調(diào)速性能的不斷提高在很大程度上是由于PWM技術(shù)的不斷進步。目前廣泛應(yīng)用的是在規(guī)則采樣PWM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的準優(yōu)化PWM法，即三次諧波疊加法和電壓空間矢量PWM法。在變頻電路拓撲結(jié)構(gòu)方面，基于雙PWM技術(shù)的交—直—交變頻器和矩陣式變頻器，是變頻調(diào)速技術(shù)的最新發(fā)展趨勢。

2、未來變頻技術(shù)發(fā)展趨勢

（1）間接高壓變頻器間接高壓變頻器也稱高—低—高型變頻器，它由輸入、輸出變壓器和低壓變頻器組成。輸入變壓器為降壓變壓器，它將高壓電源降至變頻器所允許的電壓，經(jīng)低壓變頻器后，再經(jīng)輸出變壓器即升壓變壓器升壓后，供給高壓電動機。高—低—高型高壓變頻器由于經(jīng)歷兩次電壓變換，增加了電能損耗，影響了節(jié)能效果，并且占地面積大，還產(chǎn)生了大量的高次諧波，具有較明顯的缺陷。由于這種技術(shù)難度相對較低，投資相對較少，一般適用于功率小于200kW的高壓電動機。

（2）直接高壓變頻器

單元串聯(lián)多電平高壓變頻器單元串連多電平變頻器一般采用多重化技術(shù)，所謂多重化技術(shù)就是采用若干個低壓PWM功率單元串連的方式實現(xiàn)直接高壓輸出，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。各功率單元由一個多繞組的隔離變壓器供電，以高速微處理機和光導(dǎo)纖維實現(xiàn)控制和通信。這項技術(shù)由美國羅賓康公司發(fā)明并申請專利，取名為“完美無諧波變頻器”。該技術(shù)從根本上解決了一般6脈沖和12脈沖變頻器產(chǎn)生的諧波問題，可實現(xiàn)完美無諧波變頻，具有對電網(wǎng)諧波污染小、輸入功率因數(shù)高、不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補償裝置，不存在由諧波引起的電動機附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪聲、共模電壓等問題。其輸出電壓為2kV、3kV和6kV，功率為800~5600kW。適合于功率在1MW以上的電廠輔機應(yīng)用。其缺點是造價昂貴，占用空間大，安裝較困難。

（3）在開關(guān)器件方面，IGBT變頻器已成為20世紀90年代變頻調(diào)速技術(shù)的主流，在21世紀初相當長的一段時間內(nèi)仍將是電氣傳動領(lǐng)域的主導(dǎo)變頻器。功率變換、驅(qū)動、檢測、控制、保護等功能的集成化促成了功率器件及變頻器的智能化，同時采用新電力電子器件IGBT、IEGT(集成發(fā)射式門極晶閘管)、GaAs(砷化鎵)、SiC(碳化硅復(fù)合器件)、光控IGBT及超導(dǎo)功率器件的新功能變頻器將會進一步研究開發(fā)。

采用高壓IGBT、IGCT的三電平大容量變頻器變頻器中常用的開關(guān)器件多為IGBT、GTR、GTO等。由于制造水平及原材料的原因，這些器件很難直接應(yīng)用于6kV的電壓。最近幾年來，許多國家開始研制開發(fā)新材料及新的高耐壓器件。ABB和西門子公司已開發(fā)出高耐壓開關(guān)器件，如ABB公司的IGCT(場控晶體管)，耐壓值為39kV。西門子的HV-IGBT，耐壓值為56KV。

（4）西門子、ABB公司、GE公司和Cegelec公司分別采用專門研制的高耐壓開關(guān)器件并以傳統(tǒng)的交流變頻器的結(jié)構(gòu)研制開發(fā)了自己的高壓變頻器，其中典型的產(chǎn)品如西門子公司的SIMOVERTMV系列變頻器。SIMOVERTMV系列變頻器采用傳統(tǒng)的電壓型變頻器結(jié)構(gòu)，通過采用耐壓較高的HV-IGBT模塊，使得串連器件數(shù)減少為12個，可靠性更高，并且降低了成本，減小了柜體尺寸。由于SIMOVERT-MV系列變頻器的逆變部分采用傳統(tǒng)的三電平方式，如圖2所示，所以不可避免的會產(chǎn)生較大的諧波分量，這是三電平逆變方式所固有的。因此SIMOVERTMV系列變頻器的輸出側(cè)需要配置輸出濾波器才能用于通用的電動機。同樣由于諧波的影響，電動機的功率因數(shù)和工作效率都會受到一定的影響。這是該類變頻器的缺點所在，因而限制了其應(yīng)用。目前，高壓變頻器正向著高可靠性、低成本、高輸入功率因數(shù)、高效率、低輸入輸出諧波、低共模電壓和低dv/dt等方向發(fā)展。此外，基于DSP技術(shù)的無速度傳感器矢量控制技術(shù)以及串聯(lián)功率單元的熱插拔、熱備份等技術(shù)為高壓大功率變頻器的發(fā)展提供了更為廣闊的空間。

（5）實現(xiàn)高水平的控制

基于電動機和機械模型的控制策略，有矢量控制、磁場控制、直接傳矩控制和機械扭振補償?shù)�；基于現(xiàn)代理論的控制策略，有滑模變結(jié)構(gòu)技術(shù)、模型參考自適應(yīng)技術(shù)、采用微分幾何理論的非線性解耦、魯棒觀察器，在某種指標意義下的最優(yōu)控制技術(shù)和逆奈奎斯特陣列設(shè)計方法等；基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)和各種各樣的自優(yōu)化、自診斷技術(shù)等。

圖1變頻控制實驗裝置

（6）開發(fā)清潔電能的變流器

清潔電能變流器，其實指的就是將變流器的功率因數(shù)調(diào)至為1，諧波分量應(yīng)該盡可能低的出現(xiàn)，盡量不要出現(xiàn)在網(wǎng)側(cè)或者負載側(cè)，只有這樣，才能最大程度地將對電網(wǎng)造成的損害值降到最低，同時也可減少電動機的轉(zhuǎn)矩脈動，從而提高電動機的安全性，延長其使用壽命。對于那些中小容量的變流器，可通過提高開關(guān)頻率的方式來實現(xiàn)。而對于大容量變流器，如果開關(guān)頻率是固定值的情況下，可通過對電路結(jié)構(gòu)的改變或者借助新的控制方式，來完成清潔電能的轉(zhuǎn)換工作。

3、變頻調(diào)速技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

一是無功補償原理的作用：無功補償裝置裝設(shè)的目的是對供電效率進行提高，對供電環(huán)境進行改善，它將兩種負荷之間能量交換的原理給充分利用了起來，來對供電變壓器和輸送線之間的耗損進行補償，在供電系統(tǒng)中，無功補償裝置是不可獲取的一個組成部分；只有合理選擇了補償裝置，將其應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，才可以對電網(wǎng)功率因數(shù)進行有效的提高，對網(wǎng)絡(luò)耗損進行最大限度的減少，促使電網(wǎng)質(zhì)量得到有效提高。

在對無功補償裝置進行選擇時，通常是將分組投切的電容器以及電抗器應(yīng)用過來，在一些特殊情況下，調(diào)相機以及靜止無功補償裝置也是不錯的選擇；滿足了無功平衡的要求，為了促使電壓質(zhì)量標準的要求得以實現(xiàn)，還需要將調(diào)壓裝置應(yīng)用過來。要將分層分區(qū)以及就地平衡的原則應(yīng)用到電網(wǎng)的無功補償中，同時，還需要將變電站的無功調(diào)節(jié)能力給充分納入考慮范圍，并且將電壓優(yōu)化以及功率因數(shù)給大力推廣開來，積極的應(yīng)用先進的技術(shù)，如電網(wǎng)無功管理系統(tǒng)軟件等等，促使電網(wǎng)質(zhì)量得到更加好的提高，促使電網(wǎng)更加安全可靠的運行。

二是變頻器負載標準：相較于變壓器和電動機的發(fā)熱時間，半導(dǎo)體器件的發(fā)熱時間往往較小，通常在計算時候都采用的是分鐘，如果出現(xiàn)了過載超溫問題，將會帶來很大的問題。因此，就需要嚴格規(guī)定負載條件。需要對變流器的運行種類進行劃分，第一級額定輸出為電流完全輸出，過載情況不會出現(xiàn)；第二級為可以連續(xù)輸出基本負載電流，短時過載運行可以達到百分之五十；第三級到第六級過載則需要更長的時間。目前在市場上，一般只對第二級以及第一級進行銷售。此外，還需要結(jié)合生產(chǎn)機械負載性能和調(diào)速范圍等要求，來對變頻器進行合理選擇。

變頻調(diào)速技術(shù)以其卓越的調(diào)速性能、完善的保護功能、顯著的節(jié)能效果和及易與自動控制系統(tǒng)接口實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)等特點成為企業(yè)技術(shù)改造和設(shè)備節(jié)能降耗的一種行之有效的途徑。近幾年來，變頻調(diào)速技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛，在節(jié)能降耗、改善工藝等方面逐漸表現(xiàn)出其優(yōu)越的性能。

（1）變頻調(diào)速技術(shù)在電力系統(tǒng)節(jié)能方面的應(yīng)用節(jié)能是變頻器在電力系統(tǒng)中的主要應(yīng)用領(lǐng)域。

美國、日本及西歐各國對火電廠用水泵和風(fēng)機正大力推廣應(yīng)用變頻調(diào)速方式。在美國和原蘇聯(lián)進行的一項獨立研究表明，用變頻調(diào)速傳動裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的無轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電氣傳動裝置時，泵可節(jié)能25%，風(fēng)機可節(jié)能30%。因此將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)機、水泵等設(shè)備將會取得顯著的經(jīng)濟效益。

圖2水泵變頻控制圖

變頻調(diào)速技術(shù)在鍋爐給水泵傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用。

目前國內(nèi)火電廠在給水傳動系統(tǒng)中應(yīng)用變頻器還只是個別機組。例如大慶新華電廠在100MW調(diào)峰機組的2300kW給水泵上就采用了美國Robicon公司“完美無諧波”系列變頻器。據(jù)作者考察，國外發(fā)達國家是把鍋爐給水泵傳動系統(tǒng)作為推廣應(yīng)用變頻器的主要對象之一。例如美國EPRI在1984~1989年關(guān)于變頻器應(yīng)用于電廠輔機可調(diào)速傳動現(xiàn)場試驗計劃，就把SierraPacific電力公司第一邱吉爾電廠的一臺149kW的鍋爐給水泵傳動系統(tǒng)作為首選對象。俄羅斯莫斯科電力研究院研制的3TBA系列功率元件串聯(lián)型高壓變頻器也首先應(yīng)用于莫示瓦區(qū)域電廠200MW燃煤機組的5000kW鍋爐給水泵上。由此可見，鍋爐給水泵傳動系統(tǒng)也是火電廠利用變頻器進行節(jié)能改造的主要對象之一。

在鍋爐送引風(fēng)機傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用。

目前國內(nèi)火電廠在其輔機傳動系統(tǒng)中使用或正在安裝的6kV變頻器總臺數(shù)為87臺，總功率約為96400kW。其中鍋爐送引風(fēng)機系統(tǒng)的變頻器約66臺，功率約為77000kW，占總臺數(shù)的76%，占總功率的80%�？梢�，鍋爐送引風(fēng)機是目前電廠應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)進行節(jié)能改造的首選和主要對象。變頻調(diào)速系統(tǒng)可控制引風(fēng)機在最大流量時，運行在比額定功率運行點低很多的運行點上，從而達到節(jié)能的目的。

（4）交流變頻調(diào)速技術(shù)在電力系統(tǒng)改善工藝，提高控制精度等方面也有實際應(yīng)用。

交流電力拖動具備寬的調(diào)速范圍、高的調(diào)速精度、快的動態(tài)響應(yīng)以及在四象限作可逆運行等良好的技術(shù)性能。因此在電力系統(tǒng)中，不僅在節(jié)能方面需要變頻器，許多需要精確控制流量、壓力及液位的場所都可以采用變頻器。

圖3控制型變頻器

國內(nèi)很多火電廠采用變頻調(diào)速技術(shù)對燃料控制系統(tǒng)進行改造，利用變頻器和鼠籠式異步電動機組成給粉機變頻調(diào)速系統(tǒng)。

由于變頻調(diào)速線性、穩(wěn)定性好，能夠迅速改變進入爐膛的煤粉量，使機前壓力很快的穩(wěn)定下來，并且調(diào)速穩(wěn)定、線性度好、可靠性高、調(diào)速范圍寬，與上層燃料控制系統(tǒng)接口簡單易實現(xiàn)，改善了燃料控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。在穩(wěn)態(tài)工況下，主汽壓力在±0.1%MPa范圍內(nèi)波動;在動態(tài)工況如以5%負荷升、降速率下改變10%負荷，主汽壓力在±0.2MPa范圍內(nèi)波動。其動態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)運行性能均優(yōu)于滑差調(diào)速控制。

4、結(jié)語

綜合以上分析可知，變頻調(diào)速技術(shù)自誕生以來就在諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。而且隨著技術(shù)的不斷完善和成熟，在節(jié)約電能方面取得了良好效果。這是一門具備節(jié)能特點的高新技術(shù)，為適應(yīng)不斷變化的電力系統(tǒng)，有必要進行推廣，并不斷提高整體水平，從而加快生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量。隨著電力電子器件制造技術(shù)、基于電力電子電路的電力變換技術(shù)以及各種控制技術(shù)的發(fā)展和完善，交流變頻調(diào)速技術(shù)將日趨成熟，并將成為未來交流調(diào)速的主流。交流變頻調(diào)速技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用表明其在節(jié)能降耗、改善工藝和提高控制精度等方面有著很好的應(yīng)用前景。