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摘 要：文中分析高压变频器的应用前景、技术特征、关键技术和应用案例，说明了在传统产业中采用高压变频器进行技术改造，不仅降低了能耗，平均节电率超过24%，还带来了系统应用的便利性，实现了传统产业的绿色环保和高效节能。还介绍了新能源产业中的光伏逆变器产品的原理和应用情况。
关键词：高压变频器传统产业绿色环保高效节能；光伏发电；光伏逆变器
Application of high technology to transform traditional industry, realize the green environmental protection and high efficiency and energy saving
LAI Cheng-yi
（Eastern Hitachi electric control equipment limited company，Sichuan Chengdu 611731）
Abstract: This paper introduces the application of high voltage inverter prospects, technical characteristics, key technologies and application case, described in traditional industry using high voltage inverter for technological transformation, not only reduces the energy consumption, the average saving rate over 24%, also brought the convenience of application system, the traditional industry of the green environmental protection and high efficiency and energy saving. This paper also introduces the new energy industry in PV inverter products, principle and application.
Keywords: High voltage inverter traditional industry green energy efficient; photovoltaic; photovoltaic inverter
1 变频器应用的市场前景
据统计，我国各类电动机的能耗占工业用电总能耗的70%左右，而工业场合配置的电动机系统普遍容量偏大，所以节能降耗的潜力巨大。如全国的火电机组能耗降低20%，相当于新建了60座1 000 MW的火电机组，节约标煤1300万吨/年。
火电厂中大量使用了风机和水泵负载，如送风机、引风机、增压风机、凝结水泵、电动给水泵等。由于风机水泵类负载的容量在设计时一般按额定工况设计，且留有一定余量，而一般的火电机组不可能长期工作在额定工况，所以为了调节负荷，常使用调节风门挡板或者阀门开度的方式来调节流量。这种方式是通过改变风道或管道系统的内阻来改变流量，风机的出力基本无影响，多余的功率消耗在了内阻上，所以这种方式效率很低，基本不节能。一般的电厂采用异步电动机拖动负载，还存在功率因数较低的问题，影响系统效率，另外电动机的直接合闸运行会对电动机寿命造成一定的影响，且对电源的容量要求大。要解决这些问题，采用变频调速的方式是目前最科学、效果最好的一种。变频器可以通过控制电力电子器件的开关状态，实现输出电压的幅值和频率可调，配合电动机对象的控制策略，可以达到在保证电动机处于最佳运行状态时，改变电动机转速。由于风机水泵类负载属于平方转矩类负载，其功率与转速成三次方正比关系，所以略微降低电动机的转速，功率将按三次方下降。采用变频器调速后，风门或阀门挡板的开度保持最大，即系统的内阻最小，通过改变负载的转速，降低系统的压力来调节流量。这样，系统的损耗最小，流量又得到调节，输出功率也大大降低，达到了节能的目的。采用变频器后，电动机的无功需求由变频器提供，所以从电源侧看变频器和电动机，功率因数也大大提高，一般可达0.96。采用变频器调速后，启动时的电动机电流远小于额定电流，不会对电动机造成冲击，可以频繁的启停。变频器还具有自动调节的控制功能，可以根据系统的压力进行自动的PID调节，使用非常方便。由此可见，采用变频调速不仅通过改变电动机转速降低负载功率，同时提高功率因数，对系统无冲击，可以实现自动控制，所以是目前节能降耗的主要手段。
2 高压变频器及其关键技术
由于目前的功率器件性能限制，高压变频器无法使用普通低压变频器的拓扑结构。高压变频器一般采用器件串联承受高耐压的方式或者采用功率组件串联的方式。由于功率器件的特性，直接使用器件串联有一定的缺陷，需要解决的问题很多，所以器件串联方式一般采用三电平和五电平的拓扑结构。这种拓扑结构简单，使用器件少，但对器件的要求高，且中性点钳位技术控制复杂，性能容易受到影响，目前可关断器件(IGBT、IGCT)产品的水平只能支持6 kV电动机使用三电平和五电平拓扑结构，却很难支持10 kV电动机使用此类拓扑结构。另外一种就是目前最常见的级联式高压变频器拓扑，这种拓扑结构使用了多个独立低压的功率模块串联形成高压，每个模块承担N(串联级数)分之一的电压和全部的电流，功率模块串联级数随电动机电压的需求可多、可少。由于每个功率模块结构简单且完全一致，所以生产和维护都比较容易。
高压变频器是一种复杂的电力电子产品，主要核心技术为电力电子技术三角形，即大容量功率器件的应用技术、高性能的软硬件控制平台技术和先进的对象控制策略。高压变频器除了完成电动机的调速外，在恶劣的工作环境中要保持稳定运行，在保证自身硬件安全的同时还要保证系统的可靠性，还要能够适应电网、负载等因素的变化，所以高压变频器还需要各类适应性功能。如级联式变频器的功率单元旁路功能能够快速切除发生故障的功率单元，解决了功率模块较多，单个模块出现问题引起变频器停机的问题；瞬时停电再启动功能在变频器输入电压异常时停止输出，复电时自动将电动机拖动起来，解决了电网的短时波动或者电网开关切换引起变频器停机的问题；飞车启动功能可以在电动机还在转动时通过检测运行状态，用合适的策略将其拖动起来，解决了负载在任意状态下无法快速用变频器拖动的问题；自动工变互切功能可以在变频器出现故障时自动将电动机投入工频，在变频器维修完成后自动从工频切换为变频器运行，解决了变频器影响系统可靠性的问题。诸如此类的功能还很多，这些技术体现了变频器产品的先进性。 3 东方日立高压变频器应用案例
在高压变频器行业，东方日立是行业的佼佼者。东方日立(成都)电控设备有限公司前身东方凯奇，成立于1999年，由东方电气集团控股，是国内最早从事高压变频器研发制造，掌握高压变频器核心技术的企业之一。2004年通过增资扩股的方式与日本日立株式会社合资成立东方日立，除了引进日立的先进的产品技术外，还引入了日立积累多年的生产制造技术和质量控制技术，使东方日立的合资产品发生了质的提升。东方日立一直致力于高压变频器的技术创新，多项专利技术引领变频器行业的技术发展。目前产品已经广泛用于电力、冶金、石油、水泥、化工等节能领域，其高压变频器产品节电率非常明显，平均节电率超过24%，数年的产品产生的节电效果，远超过一座300MW火电机组的发电量，为国家节能减排事业做出了巨大贡献。以下是具有典型代表意义的案例。
案例1：
大唐双鸭山热电有限公司装机容量为2×200 MW汽轮发电机组，每台机组设置了两台全功率的电动给水泵，一用一备，功率为5 500 kW/6 kV。初期采用液力耦合器进行调速。由于给水泵是电厂最耗能的辅机，每台给水泵一年的耗电量占全厂发电量的2%，占厂用电率的30%，能耗消耗巨大。为了降低能耗，必须对给水泵的调速方式进行改造。由于采用技术较落后的液力耦合器调速方式，在转速较低时，系统效率也较低，所以整体的节能效果不明显。而该项目采用带增速齿轮箱的液力耦合器，无法直接使用变频器对液力耦合器进行替换。为了利用液力耦合器的增速作用和变频器的高效节能作用，该项目对液力耦合器进行了改造，使其一直工作在最高效的区域，用高压变频器来调节电动机的转速。经过变频改造后，设备稳定运行，改造后的给水泵运行电流明显下降，节能效果明显，根据与同工况的另一机组给水泵电能数据对比，平均节电率约21%，一年可以为该机组节约成本240万元，节约标煤3 500吨。
案例2：
福建太平洋电力有限公司湄洲湾电厂的汽轮发电机组容量为2×393 MW。给水系统设备主要包括：三台容量为50％的电动凝结水泵，二台各约70％容量的电动定速给水泵(无液力耦合，也无备用泵)，给水泵电机功率：5 740 kW/6 kV。由于给水泵设计余量大，导致用电量偏高，用户经过长达三年的调研和设计，选择了东方日立(成都)电控设备有限公司生产的高压变频器，产品型号为：DHVECTOL-HI06000/06 6 kV/577 A高压大功率变频器对给水泵进行变频改造。该项目为交钥匙工程，即由东方日立全面负责所有的改造工作。经过近一年的施工和现场调试，设备顺利投运，期间对系统进行了详尽的测试，最终确认变频器改造各项性能和功能满足预期。根据数据统计，变频改造后，机组一年可节约标煤9 700吨。
案例3：
山西太钢不锈钢股份有限公司(以下简称“太钢”)炼铁厂三烧作业区450 m2 烧结机配备#1、#2两台主抽风机，其配套两台7 800 kW/10 kV西门子公司生产的同步电机。由于生产线为国外设计，其主抽风机系统具有较大余量，经分析，如采用变频调速，至少能够达到20%以上的节电率。经过用户慎重选择，该项目由东方日立(成都)电控设备有限公司总承包，负责对太钢三烧两台主抽风机进行变频改造。该项目采用了东方日立生产的DHVECTOL-HI09750/10型号变频器，容量高达9750 kVA。主抽系统经过变频改造后，带来了以下优点：
① 采用变频运行方式，可根据烧结料层的透气性及料层厚度进行变频调速，使风机运行在最佳工况点，起到节能的作用。
② 在减产运行和临时停机、临时检修以及其它等不需要关停主抽风机的情况下，可调速至最小功率，其经济价值也是十分显著的。
③ 改善了电动机的起动性能，可实现软起动，延长电动机的寿命，且能减小对电网的冲击。
④ 单台变频器故障，通过在运行的变频器进行工变切换，能在尽可能短的时间内，恢复故障变频器对应的电机运行，从而恢复正常生产。
主抽系统经变频器改造后，其正常工况运行电流由400 A下降到170 A，经初步测算，节电率将到达28%，一年节约成本300万元。
通过以上几个案例可见，在传统产业中，采用高压变频器进行改造，不仅降低了能耗，还带来了系统应用便利性。高压变频器作为一种复杂的电力电子产品，集成了弱电和强电技术以及自动化的控制技术，是一种先进的能源变换的绿色产品，具有很强的推广意义。
4 光伏逆变器
高压变频器作为一种节能的电力电子产品在节能降耗领域具有巨大作用，而在清洁能源领域，风力发电和光伏发电是一种非常有效的开源手段，而光伏发电比风力发电具有输出更稳定，应用范围更广等优点，是近两年的市场热点。而光伏逆变器是光伏发电系统中的核心电力电子设备，光伏逆变器通过对太阳能电池板的最大功率控制，将太阳能电池板由光转换的电能通过电力电子器件逆变到电网或者蓄电池中实现发电。光伏发电系统分为并网型和离网型。离网型光伏发电系统一般用在建网比较困难的地方，可以作为独立的电源使用，单一般需要蓄电池储存多余的电能供夜间使用。并网型光伏发电系统可以直接并入公用电网发电，并通过公用电网传输和消耗，所以具有更广泛的使用范围。并网型光伏发电逆变器分为单相和三相，一般低于10 kW的逆变器采用单相，高于10 kW的系统采用三相。单相光伏发电系统主要为家用，而三相光伏发电系统一般由光伏发电站采用。光伏逆变器主要核心器件仍为电力电子器件，包括IGBT、电解电容器、二极管等，而核心的控制技术包括最大功率跟踪技术(MPPT)，电网相位跟踪技术，并网电流控制技术，故障(低电压)穿越技术等。可以说光伏逆变器也是构筑于电力电子三角形之上的一种新能源产品。光伏逆变器除了可靠性外，还要追求效率的最大化，以及对电网的适应能力，是一种有较高技术含量的工业产品。东方日立公司自2010年开始自主研发光伏逆变器，短短一年时间就完成了5 kW及以下容量光伏并网逆变器的样机研发和TUV认证工作，具备了进入国际化市场的条件，后续又开发了100 kW和500 kW三相并网光伏逆变器，并且通过了国内的金太阳认证，在国内光伏发电站市场有了新的业绩。目前，近500台光伏逆变器在宁夏某屋顶工程现场投运并稳定运行，平均年发电量120万度，降低二氧化碳排量1 000吨。
高压变频器和光伏逆变器都是一种新兴的电力电子产品，目标就是节能降耗。一方面在传统行业中应用可以有效的节流，另一方面采用新能源产品能实现开源，最终都能达到降低石化能源消耗，降低二氧化碳和有害气体排放的目的，所以大力推进电力能源领域的新技术产品具有重大意义。
关键词：高压变频器传统产业绿色环保高效节能；光伏发电；光伏逆变器
Application of high technology to transform traditional industry, realize the green environmental protection and high efficiency and energy saving
LAI Cheng-yi
（Eastern Hitachi electric control equipment limited company，Sichuan Chengdu 611731）
Abstract: This paper introduces the application of high voltage inverter prospects, technical characteristics, key technologies and application case, described in traditional industry using high voltage inverter for technological transformation, not only reduces the energy consumption, the average saving rate over 24%, also brought the convenience of application system, the traditional industry of the green environmental protection and high efficiency and energy saving. This paper also introduces the new energy industry in PV inverter products, principle and application.
Keywords: High voltage inverter traditional industry green energy efficient; photovoltaic; photovoltaic inverter
1 变频器应用的市场前景
据统计，我国各类电动机的能耗占工业用电总能耗的70%左右，而工业场合配置的电动机系统普遍容量偏大，所以节能降耗的潜力巨大。如全国的火电机组能耗降低20%，相当于新建了60座1 000 MW的火电机组，节约标煤1300万吨/年。
火电厂中大量使用了风机和水泵负载，如送风机、引风机、增压风机、凝结水泵、电动给水泵等。由于风机水泵类负载的容量在设计时一般按额定工况设计，且留有一定余量，而一般的火电机组不可能长期工作在额定工况，所以为了调节负荷，常使用调节风门挡板或者阀门开度的方式来调节流量。这种方式是通过改变风道或管道系统的内阻来改变流量，风机的出力基本无影响，多余的功率消耗在了内阻上，所以这种方式效率很低，基本不节能。一般的电厂采用异步电动机拖动负载，还存在功率因数较低的问题，影响系统效率，另外电动机的直接合闸运行会对电动机寿命造成一定的影响，且对电源的容量要求大。要解决这些问题，采用变频调速的方式是目前最科学、效果最好的一种。变频器可以通过控制电力电子器件的开关状态，实现输出电压的幅值和频率可调，配合电动机对象的控制策略，可以达到在保证电动机处于最佳运行状态时，改变电动机转速。由于风机水泵类负载属于平方转矩类负载，其功率与转速成三次方正比关系，所以略微降低电动机的转速，功率将按三次方下降。采用变频器调速后，风门或阀门挡板的开度保持最大，即系统的内阻最小，通过改变负载的转速，降低系统的压力来调节流量。这样，系统的损耗最小，流量又得到调节，输出功率也大大降低，达到了节能的目的。采用变频器后，电动机的无功需求由变频器提供，所以从电源侧看变频器和电动机，功率因数也大大提高，一般可达0.96。采用变频器调速后，启动时的电动机电流远小于额定电流，不会对电动机造成冲击，可以频繁的启停。变频器还具有自动调节的控制功能，可以根据系统的压力进行自动的PID调节，使用非常方便。由此可见，采用变频调速不仅通过改变电动机转速降低负载功率，同时提高功率因数，对系统无冲击，可以实现自动控制，所以是目前节能降耗的主要手段。
2 高压变频器及其关键技术
由于目前的功率器件性能限制，高压变频器无法使用普通低压变频器的拓扑结构。高压变频器一般采用器件串联承受高耐压的方式或者采用功率组件串联的方式。由于功率器件的特性，直接使用器件串联有一定的缺陷，需要解决的问题很多，所以器件串联方式一般采用三电平和五电平的拓扑结构。这种拓扑结构简单，使用器件少，但对器件的要求高，且中性点钳位技术控制复杂，性能容易受到影响，目前可关断器件(IGBT、IGCT)产品的水平只能支持6 kV电动机使用三电平和五电平拓扑结构，却很难支持10 kV电动机使用此类拓扑结构。另外一种就是目前最常见的级联式高压变频器拓扑，这种拓扑结构使用了多个独立低压的功率模块串联形成高压，每个模块承担N(串联级数)分之一的电压和全部的电流，功率模块串联级数随电动机电压的需求可多、可少。由于每个功率模块结构简单且完全一致，所以生产和维护都比较容易。
高压变频器是一种复杂的电力电子产品，主要核心技术为电力电子技术三角形，即大容量功率器件的应用技术、高性能的软硬件控制平台技术和先进的对象控制策略。高压变频器除了完成电动机的调速外，在恶劣的工作环境中要保持稳定运行，在保证自身硬件安全的同时还要保证系统的可靠性，还要能够适应电网、负载等因素的变化，所以高压变频器还需要各类适应性功能。如级联式变频器的功率单元旁路功能能够快速切除发生故障的功率单元，解决了功率模块较多，单个模块出现问题引起变频器停机的问题；瞬时停电再启动功能在变频器输入电压异常时停止输出，复电时自动将电动机拖动起来，解决了电网的短时波动或者电网开关切换引起变频器停机的问题；飞车启动功能可以在电动机还在转动时通过检测运行状态，用合适的策略将其拖动起来，解决了负载在任意状态下无法快速用变频器拖动的问题；自动工变互切功能可以在变频器出现故障时自动将电动机投入工频，在变频器维修完成后自动从工频切换为变频器运行，解决了变频器影响系统可靠性的问题。诸如此类的功能还很多，这些技术体现了变频器产品的先进性。 3 东方日立高压变频器应用案例
在高压变频器行业，东方日立是行业的佼佼者。东方日立(成都)电控设备有限公司前身东方凯奇，成立于1999年，由东方电气集团控股，是国内最早从事高压变频器研发制造，掌握高压变频器核心技术的企业之一。2004年通过增资扩股的方式与日本日立株式会社合资成立东方日立，除了引进日立的先进的产品技术外，还引入了日立积累多年的生产制造技术和质量控制技术，使东方日立的合资产品发生了质的提升。东方日立一直致力于高压变频器的技术创新，多项专利技术引领变频器行业的技术发展。目前产品已经广泛用于电力、冶金、石油、水泥、化工等节能领域，其高压变频器产品节电率非常明显，平均节电率超过24%，数年的产品产生的节电效果，远超过一座300MW火电机组的发电量，为国家节能减排事业做出了巨大贡献。以下是具有典型代表意义的案例。
案例1：
大唐双鸭山热电有限公司装机容量为2×200 MW汽轮发电机组，每台机组设置了两台全功率的电动给水泵，一用一备，功率为5 500 kW/6 kV。初期采用液力耦合器进行调速。由于给水泵是电厂最耗能的辅机，每台给水泵一年的耗电量占全厂发电量的2%，占厂用电率的30%，能耗消耗巨大。为了降低能耗，必须对给水泵的调速方式进行改造。由于采用技术较落后的液力耦合器调速方式，在转速较低时，系统效率也较低，所以整体的节能效果不明显。而该项目采用带增速齿轮箱的液力耦合器，无法直接使用变频器对液力耦合器进行替换。为了利用液力耦合器的增速作用和变频器的高效节能作用，该项目对液力耦合器进行了改造，使其一直工作在最高效的区域，用高压变频器来调节电动机的转速。经过变频改造后，设备稳定运行，改造后的给水泵运行电流明显下降，节能效果明显，根据与同工况的另一机组给水泵电能数据对比，平均节电率约21%，一年可以为该机组节约成本240万元，节约标煤3 500吨。
案例2：
福建太平洋电力有限公司湄洲湾电厂的汽轮发电机组容量为2×393 MW。给水系统设备主要包括：三台容量为50％的电动凝结水泵，二台各约70％容量的电动定速给水泵(无液力耦合，也无备用泵)，给水泵电机功率：5 740 kW/6 kV。由于给水泵设计余量大，导致用电量偏高，用户经过长达三年的调研和设计，选择了东方日立(成都)电控设备有限公司生产的高压变频器，产品型号为：DHVECTOL-HI06000/06 6 kV/577 A高压大功率变频器对给水泵进行变频改造。该项目为交钥匙工程，即由东方日立全面负责所有的改造工作。经过近一年的施工和现场调试，设备顺利投运，期间对系统进行了详尽的测试，最终确认变频器改造各项性能和功能满足预期。根据数据统计，变频改造后，机组一年可节约标煤9 700吨。
案例3：
山西太钢不锈钢股份有限公司(以下简称“太钢”)炼铁厂三烧作业区450 m2 烧结机配备#1、#2两台主抽风机，其配套两台7 800 kW/10 kV西门子公司生产的同步电机。由于生产线为国外设计，其主抽风机系统具有较大余量，经分析，如采用变频调速，至少能够达到20%以上的节电率。经过用户慎重选择，该项目由东方日立(成都)电控设备有限公司总承包，负责对太钢三烧两台主抽风机进行变频改造。该项目采用了东方日立生产的DHVECTOL-HI09750/10型号变频器，容量高达9750 kVA。主抽系统经过变频改造后，带来了以下优点：
① 采用变频运行方式，可根据烧结料层的透气性及料层厚度进行变频调速，使风机运行在最佳工况点，起到节能的作用。
② 在减产运行和临时停机、临时检修以及其它等不需要关停主抽风机的情况下，可调速至最小功率，其经济价值也是十分显著的。
③ 改善了电动机的起动性能，可实现软起动，延长电动机的寿命，且能减小对电网的冲击。
④ 单台变频器故障，通过在运行的变频器进行工变切换，能在尽可能短的时间内，恢复故障变频器对应的电机运行，从而恢复正常生产。
主抽系统经变频器改造后，其正常工况运行电流由400 A下降到170 A，经初步测算，节电率将到达28%，一年节约成本300万元。
通过以上几个案例可见，在传统产业中，采用高压变频器进行改造，不仅降低了能耗，还带来了系统应用便利性。高压变频器作为一种复杂的电力电子产品，集成了弱电和强电技术以及自动化的控制技术，是一种先进的能源变换的绿色产品，具有很强的推广意义。
4 光伏逆变器
高压变频器作为一种节能的电力电子产品在节能降耗领域具有巨大作用，而在清洁能源领域，风力发电和光伏发电是一种非常有效的开源手段，而光伏发电比风力发电具有输出更稳定，应用范围更广等优点，是近两年的市场热点。而光伏逆变器是光伏发电系统中的核心电力电子设备，光伏逆变器通过对太阳能电池板的最大功率控制，将太阳能电池板由光转换的电能通过电力电子器件逆变到电网或者蓄电池中实现发电。光伏发电系统分为并网型和离网型。离网型光伏发电系统一般用在建网比较困难的地方，可以作为独立的电源使用，单一般需要蓄电池储存多余的电能供夜间使用。并网型光伏发电系统可以直接并入公用电网发电，并通过公用电网传输和消耗，所以具有更广泛的使用范围。并网型光伏发电逆变器分为单相和三相，一般低于10 kW的逆变器采用单相，高于10 kW的系统采用三相。单相光伏发电系统主要为家用，而三相光伏发电系统一般由光伏发电站采用。光伏逆变器主要核心器件仍为电力电子器件，包括IGBT、电解电容器、二极管等，而核心的控制技术包括最大功率跟踪技术(MPPT)，电网相位跟踪技术，并网电流控制技术，故障(低电压)穿越技术等。可以说光伏逆变器也是构筑于电力电子三角形之上的一种新能源产品。光伏逆变器除了可靠性外，还要追求效率的最大化，以及对电网的适应能力，是一种有较高技术含量的工业产品。东方日立公司自2010年开始自主研发光伏逆变器，短短一年时间就完成了5 kW及以下容量光伏并网逆变器的样机研发和TUV认证工作，具备了进入国际化市场的条件，后续又开发了100 kW和500 kW三相并网光伏逆变器，并且通过了国内的金太阳认证，在国内光伏发电站市场有了新的业绩。目前，近500台光伏逆变器在宁夏某屋顶工程现场投运并稳定运行，平均年发电量120万度，降低二氧化碳排量1 000吨。
高压变频器和光伏逆变器都是一种新兴的电力电子产品，目标就是节能降耗。一方面在传统行业中应用可以有效的节流，另一方面采用新能源产品能实现开源，最终都能达到降低石化能源消耗，降低二氧化碳和有害气体排放的目的，所以大力推进电力能源领域的新技术产品具有重大意义。