行业背景:
在我国火力发电厂中，随着电力市场“竞价”上网方针的贯彻实施，改善工艺、节能降耗势在必行。尤其是已经运行了十几年的老机组，如何进行设备改造、提高机组的自动化水平和运行效率、降低厂用电损耗和提高上网竞争力是电力企业持续发展的关键。因此，采用变频调速节能技术，尤其是高压变频节能技术，以其卓越的调速性能、完善的保护功能、显著的节能效果和容易与自动控制系统接口实现自动调节等特点，必将在电厂送、引风机、给水泵、疏水泵、灰渣泵、磨煤机等高压大容量旋转设备改造中得到广泛的应用。 据2001年政府统计数据，就全国八大传统产业来讲，电动机总装机容量3.5亿多千瓦，其耗能耗电量分别占全国每年总耗能和耗电量的77.51%和76.94%。而高压大容量风机、水泵设备装机总容量为0.8亿千瓦，约占全年电力消耗量的20%，是全国耗电最大的工业设备，而其运行效率比国外低15-30%②。它们采用高压变频调速装置后，总节电潜力每年可达300-400亿度。相当于减少发电装机容量6500MW，节省电力投资310亿元，节约发电用煤1300万吨；减少CO2排放量800万吨，减少SO2电子除垢器排泄量30万吨，减少灰渣排弃物300万吨。按近三年全国的经济发展状况，目前的实际装机容量远远大于此数据。
在已运行的火电厂中，125MW以上机组共500多台，需要进行变频调速改造的高压大容量电机达5000多台，仅该领域的市场潜力就达65亿元之多。②根据国民经济发展规划，21世纪开始十年电力建设发展速度约为图像搜索7%-8%，平均每年新增装机2400-2500万kw，平均每年新增高压大容量旋转设备500-600台。仅此一项，每年市场潜力可达6.5-7.8亿元。
根据中国节能协会最新发布的资料，21世纪前十年我国每年用于高压大功率调速设备的改造费为8-10亿元人民币。 我国高压变频调速节能领域如此巨大的市场潜力和高额的商业利润早已被国内外专家和厂商看好，多年来投入大量的人力、物力进行研究。因为该技术涉及学科较多，而且关键器件制造技术长期以来没有突破，因此实用化的商品不多，这就为高压变频器技术的推广和产品的推出提供了难得的市场机遇！ 国内外发展的现状和趋势
1. 高压变频器的发展背景及其重要意义
上世纪八十年代到九十年代初，高压电机要实现调速，主要采用三种方式：（1）液力耦合器方式。即在电机和负载之间串入一个液力耦合装置，通过液面的高低调节电机和负载之间耦合力的大小，实现负载的速度调节；（2）串级调速。串级调速必须采用绕线式异步电动机，将转子绕组的一部分能量通过整流、逆变再送回到电网，这样相当于调节了转子的内阻，从而改变了电动机的滑差；由于转子的电压和电网的电压一般不相等，所以向电网逆变需要一台变压器，为了节省这台变压器，现在国内市场应用中普遍采用内馈电机的形式，即在定子上再做一个三相的辅助绕组，专门接受转子的反馈能量，辅助绕组也参与做功，这样主绕组从电网吸收的能量就会减少，达到调速节能的目的。（3）高低方式。由于当时高压变频技术没有解决，就采用一台变压器，先把电网电压降低，然后采用一台低压的变频器实现变频；对于电机，则有两种办法，一种办法是采用低压电机；另一种办法，则是继续采用原来的高压电机，需要在变频器和电机之间增加一台升压变压器。
上述三种方式，发展到目前都是比较成熟的技术。液力耦合器和串级调速的调速精度都比较差，调速范围较小，维护工作量大，液力耦合器的效率相比变频调速还有一定的差距，所以这两项技术竞争力已经不强了。至于高低方式，能够达到比较好的调速效果，但是相比真正的高压变频器，还有如下缺点：效率低，谐波大，对电机的要求比较严格，功率较
大时（500KW以上），可靠性较低。高低方式的主要优势在于成本较低。
目前，主流的高压变频器产品主要有三种类型：(1) 电流源型。如图1。电流源型逆变部分采用SGCT直接串联解决耐压问题，直流部分用电抗器储存能量，目前的技术水平可以做到7.2KV输出电压，所以适应国内大部分电压为6KV这一现状。电流源型变频器输入侧的功率因数比较低，电抗器的发热量较大，效率比电压源型变频器低，由于采用电流控制，输出滤波器的设计比较麻烦，而两电平变频器的共模电压和谐波、dv/dt问题较突出，所以对电机的要求较高。虽然电流源型变频器有可回馈能量的优点，但是需要回馈能量的负载毕竟不是太多，尤其是通用型的变频器，所以电流源型变频器的市场竞争能力已经逐渐变弱。
图1 电流源型高压变频器
(2)功率单元串联多电平型。如图2。此变频器采用多个低压的功率单元串联实现高压，输入侧的降压变压器采用移相方式，可有效消除对电网的谐波污染，输出侧采用多电平正弦PWM技术，可适用于任何电压的普通电机，另外，在某个功率单元出现故障时，可自动退出系统，而其余的功率单元可继续保持电机的运行，减少停机时造成的损失。系统采用模块化设计，可迅速替换故障模块。由此可见，单元串联多电平型变频器的市场竞争力是很明显的。
电压互感器柜
图2 功率单元串联多电平型高压变频器
（3）三电平型。如图3。三电平型变频器采用钳位电路，解决了两只功率器件的串联的问题，并使相电压输出具有三个电平。三电平逆变器的主回路结构环节少，虽然为电压源型结构，但易于实现能量回馈。三电平变频器在国内市场遇到的最大难题是电压问题，其最大输出电压达不到6KV，所以往往需要采用变通的方法，要么改变电机的电压，要么在输出侧加升压变压器。这一弱点限制了它的应用。
图3 三电平型高压变频器
目前，虽然有人提出了其他不同的高压变频器解决方案，但大都不具有明显的可行性，或者说不具有将上述三种主流变频器结构取而代之的潜力。随着高压变频器成本的进一步
降低，在中等功率市场，高低型变频器将会退出竞争，而只关注于较小功率的场合。对于单元串联多电平型变频器，主要缺点是变流环节复杂，功率元器件数目多，体积略大一些，但是，在其他的方式不能解决国内应用的需要，高压器件应用的可靠性还不是太高的情况下，其竞争优势在最近的一段时期内，可能还是无法替代的。三电平型变频器由于输出电压不高的问题，主要的应用范围应该是在一些特种领域，如轧钢机、轮船驱动、机车牵引、提升机等等，这些领域的电机都是特殊定制的，电压可以不是标准电压。在一定的功率水平，三电平型变频器取代传统的交交变频器是技术发展的趋势。三电平变频器的更大发展有待于更高耐压的功率器件的出现和现有产品可靠性的进一步提高。在超大功率场合，即大约8000KW以上的功率，用可控硅构成的LCI（负载换流逆变器）电流源型变频器仍旧是主角。
表面电晕处理机
由于上述的技术特征，通用型高压变频器目前是单元串联多电平型变频器占多数，约7成以上。目前国内以利德华福为代表的高压变频器厂家有不下二十家，基本都采用这种电路结构。
2.国外高压变频器的发展现状
国外各大品牌的变频器生产商，均形成了系列化的产品，其控制系统也已实现全数字化。几乎所有的产品均具有矢量控制功能，完善的工艺水平也是国外品牌的一大特点。目前，在发达国家，只要有电机的场合，就会同时有变频器的存在。其现阶段发展情况主要表现如下：
①技术开发起步早，并具有相当大的产业化规模。
②能够提供特大功率的变频器，目前已超过浮选机叶轮盖板10000KW。
③变频调速产品的技术标准比较完备。
④与变频器相关的配套产业及行业初具规模。
⑤能够生产变频器中的功率器件，如IGBT、IGCT冬瓜去皮机、SGCT等。
⑥高压变频器在各个行业中被广泛应用，并取得了显著的经济效益。
⑦产品国际化，当地化加剧。
⑧新技术，新工艺层出不穷，并被大量的、快速的应用于产品。
⑨目前，没有10KV产品。
3.国产高压变频器的发展现状
目前，在国内有大量的低压变频器厂商，其大部分为AC380V的中小功率产品，而在高压大功率变频器方面，却为数不多。能够研制、生产、并提供服务的高压变频器厂商，仅有少数的具备科研能力或资金实力的个别企业。
国内仅有少部分的中、高压电机进行了变频调速改造，且普通采用V/f控制方式。高压变频器的品种和性能还处于发展阶段，每年市场仍需大量进口。这些状况主要表现在如下几个方面：
①国外各大品牌的产品正加紧占领国内市场，并加快了本地化的步伐。
②具有研发能力和产业化规模的企业少。
③国产高压变频器的功率等级较低，目前不超过3500KW。
④国内高压变频器的技术标准还有待规范。
⑤与高压变频器相配套的产业很不发达。
⑥生产工艺落后，勉强满足变频器产品的技术要求，但是价格低廉。
⑦变频器中使用的功率半导体，驱动电路，电解电容等关键器件完全依赖进口。
⑧与发达国家的技术差距在缩小，具有自主知识产权的产品正应用在国民经济中。
⑨已经研制出具有瞬时掉电再恢复、故障再恢复等功能的变频器。
⑩能够进行四象限运行的高压变频器尚在研究与开发中。
4.高压变频器的未来发展态势
随着现代电力电子技术及计算机控制技术的迅速发展，促进了电气传动的技术革命。交流调速取代直流调速，计算机数字控制取代模拟控制已成为发展趋势。交流电机变频调速是当今节约电能，改善生产工艺流程，提高产品质量，以及改善运行环境的一种主要手段。变频调速以其高效率，高功率因数，以及优异的调速和启制动性能等诸多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。
以前的高压变频器，由可控硅整流，可控硅逆变等器件构成，缺点很多，谐波大，对电网和电机都有影响。近年来，发展起来的一些新型器件将改变这一现状，如IGBT、IGCT、SGCT等等。由它们构成的高压变频器，性能优异，可以实现PWM逆变，甚至是PWM整流。不仅具有谐波小，功率因数也有很大程度的提高。
交流变频调速技术是强弱电混合，机电一体的综合技术，既要处理巨大电能的转换（整流、逆变），又要处理信息的收集、变换和传输，因此它必定会分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题，后者要解决的软硬件控制问题。因此，未来高压变频调速技术也将在这两方面得到发展，其主要表现为：
①高压变频器将朝着大功率，小型化，轻型化的方向发展。
②高压变频器将向着直接器件高压和多重叠加（器件串联和单元串联）两个方向发展。
③更高电压、更大电流的新型电力半导体器件将应用在高压变频器中。
④现阶段，IGBT、IGCT、SGCT仍将扮演着主要的角，SCR、GTO将会退出变频器市场。
⑤无速度传感器的矢量控制、磁通控制和直接转矩控制等技术的应用将趋于成熟。
⑥ 全面实现数字化和自动化：参数自设定技术；过程自优化技术；故障自诊断技术。
⑦ 应用32位MCU、DSP及ASIC等器件，实现变频器的高精度，多功能。
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