高压直流电源整流及逆变技术分析

王英鹏

（辽宁省电力有限公司检修分公司，辽宁 沈阳 110000）

0 引 言

高压直流电源（High Voltage DC，HVDC）被广泛应用在矿业和机械制造等行业中，凭借其技术应用优势，能为电源小型化发展提供良好的支持，搭建更加科学合理的电源技术应用控制平台，促进经济效益和社会效益的和谐统一。

1 HVDC概述

1.1 优 势

HVDC 完成的输电过程是借助对工频电压的升压处理，能获取有效的高压电流。因此，HVDC室新型直流不间断供电系统不仅安全系数较高且过载能力较好，能及时建立更加完整地作业模式，提升操作工作效率，也为行业系统的安全运行提供保障。

一方面，HVDC在运行过程中需要的是两根基础导线，这就大大降低了导线造价成本，也为电缆费用的合理性管理提供了保障，减少输电运行电能损耗，支持传输过程节能管理工作的开展[1]。另一方面，高压直流电源电阻发热损耗数值有限，且不会存在感抗和容抗等无功损耗问题，这就为整体技术处理效果的优化创设了良好空间。

1.2 原 理

HVDC的应用过程中，三相电在交流斩波处理后利用小容量LC滤波器就能实现有效的电源信息操作处理，可有效去除高频谐波，并且之后产生的输出交流能一直传输到整流变压器位置。整个变换过程中，整流变压器均具备特殊连接形式的升压处理，配合变比参数就能保证变压器两阀绕组侧获取相同的高压变流。从三相整流桥的网侧完成实时性输入，配合整流桥输出串联模式，就能最后完成滤波输出高压直流的操作。HVDC变换处理的技术已经较为成熟，不仅可靠性和稳定性较好，且用户操作便捷，只需要调节交流脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）变换器的导通占空比就能有效完成电压的稳定输出，为综合性直流控制效果的优化提供保障。

2 HVDC发展面临的挑战

对于HVDC发展进程而言，开关电源技术具有重要的应用价值，然而在新电子元器件、电磁材料等技术不断发展的时代背景下，开关电源性能也在优化更新，推动了HVDC技术的发展，但是应用环节方面还面临诸多挑战。

2.1 高频高压变压器

在HVDC不断发展的过程中，体积逐渐变小，这就使得频率逐渐上升，但是对应的分布容抗却出现缩减的态势，长此以往，必然会引发绝缘不到位的问题，造成安全隐患现象。

2.2 电压变化比

若是HVDC变换过程中频频出现电压变化比，就会对变压器非线性操作产生影响，留存安全隐患，制约HVDC变换操作的安全性和稳定性。值得一提的是，漏感概率的增加也会引发逆变电路稳定失衡的问题，要想维持其运行稳定性，就要使用隔离逆变开关，规避功率器件被击穿等问题，从而全面提升HVDC的运行质量和效果[2]。

2.3 高频化问题

变压器的趋附效应会对HVDC的变换过程产生影响，严重程度的加重还会阻碍变压器的正常运行，从而使得后续操作受限。

3 HVDC整流及逆变技术内容

基于HVDC应用效应的综合考量，要整合技术内容和要点，共建更加科学稳定的运行环境，确保高压直流电源整流处理和逆变技术处理工作更加规范，从而维持应用效果，实现设备应用效能的全面优化。

3.1 高频高压变压器

为了全面提升HVDC整流及逆变技术运行的稳定性，要整合具体单元设计工序的规范性，确保高频高压变压器优化设计工作的有序落实。

（1）整合逆变器的拓扑结构。在HVDC使用操作环境中，为了满足设备高运行效率的应用要求，要整合开关处理环节，减少开关反复操作增加的运行能耗，确保能配合对应的技术调整方案，维持逆变器拓扑结构的应用效率，减少功耗增大而造成的经济损失。传统降压型逆变器拓扑结构主要分为全桥拓扑和半桥拓扑，而若是采取微型逆变器，则要实现升压降压变换功能的变换器拓扑模式，在建立交换功能模块外，还能打造电气隔离处理模式。可选的拓扑方案如表1所示。

表1 拓扑方案

操作人员要将逆变器和准谐振电路结合在一起，有效借助电压谐振效果维持开关处理的规范性，最大程度上优化能耗管理效果。针对变压器漏感问题，则要结合变压器漏感情况，配合逆变器设备，维持规划处理的效果。

（2）控制检测的具体应用情况，主要是借助集成化电路的高频高压开关电源，建立完整的模拟处理控制模式，有效实现输出电压的控制处理，维持数字方式操作开关的平衡性和规范性，并且建立模拟方式，以维持输出电压的控制效果。值得一提的是，数字方式进行开关操作就能为连续性转换和不连续性转换模式的切换予以支持。另外，要应用脉宽调制技术、频率调制技术、直流-直流变换器以及逆变器等打造更加完整的互补模式，确保能对后续电子元器件的性能予以实时性分析，提高整体应用效率。

3.2 谐振变换器软开关同步整流

传统异步整流式处理模式主要是在下侧开关位置配置二极管，利用上侧晶体管将电流定向或者是不定向地传输到二极管位置，维持实时性应用要求。这种处理模式最大的弊端就在于应用效率较低。同步整流技术的应用要发挥技术低导通电阻的优势，替代传统的二极管，有效形成整流控制模式，具体如图1所示。

图1 同步整流

同步整流模式中，处于轻负载状态（图2），二极管会变成办公自动化（Office Automation，OA）模式，非同步二极管电流会向着同一个方向实现电流流动，建立不连续工作模式并产生振动。由图2可知，实线箭头和虚线箭头表示轻载状态下异步整流式和同步整流式电感电流的对比，表明同步整流式因为采取的是晶体管，所以能实现逆流，在负领域依旧实现电流的持续处理，确保连续模式的稳定性和可控性。最关键的是，同步晶体管可逆变处理模式能提升工作的稳定性[3-5]。

图2 轻负载工作状态

借助同步整流处理模式能在全面控制低压大电流整流效果的基础上维持电路结构的安全性。基于此，一些企业会在变换器处理工作中利用整流设备，且均属于硬开关状态，所以要合理性控制开关的运行频率，维持在完整的数值处理范围内，保证应用效果的最优化。

另外，一些企业会选择同步整流变化器自驱动模式，这往往会对主电路产生影响，所以要综合分析变换器的类型，将运行效率和质量作为评估的核心，应用谐振变换器实现开关网络零电压开关（Zero Voltage Switch，ZVS）的应用目标，减少运行安全隐患。

3.3 PWM交流斩波电路

PWM交流斩波电路是基于交流/交流（Alternating Current/Alternating Current，AC/AC）变换建立的电路应用模式，若是依据控制方式进行选择，主要分为相控式和斩控式。

3.3.1 相控式晶闸管变换电路

在HVDC整流和逆变模式中，晶闸管的运行方式是研究重点，要结合运行标准和要求全面分析整流电路的运行方式。整流电路是将交流电转变为直流电的重要手段，在常规化晶闸管运行模式中，三项桥式全控整流较为常见。阴极组设有3个基础晶闸管，阳极组也是3个晶闸管，阴极组电压参数最高的晶闸管要连接阳极组电压最低的晶闸管，接入市电三项交流电后，实现两个晶闸管的同时导通，一个在阳极组、一个在阴极组，充分发挥整流电路运行特征，按照脉冲顺序逐一完成脉冲处理，实现两项电压差差值接入电阻型负载两端的处理。因此，相控式晶闸管变换电路最大的优势就在于电路控制较为简单，功率容量较大，但是因为受限于实际设备结构，其响应速率较慢，电压低次谐波含有率较高。

3.3.2 斩控式晶闸管变换电路

第一，斩控式晶闸管变换电路的运行效能和功率因数与负载参数相关联，所以功率因数一般较高，能在功率参数范围内建立完整的应用模式。第二，斩控式晶闸管变换电路在实际应用过程中输出方和输入方都会含有与高次谐波相关联的开关频率，为了保证实际应用运行的稳定性和科学性，一般要结合运行规律和关键标准对其予以滤除，从而获取接近于正弦波的输出波形，维持良好的控制模式。第三，斩控式晶闸管变换电路在应用中，操作人员要对输出电压占空比予以合理性调控，维持较好的变化模式，配合动态响应处理，大大提升运行工作效率，为高压直流电源相关联的技术处理提供支持，保证相应作业的稳定性和安全性。

3.3.3 其 他

高压直流电源整流与逆变模式中，电压型PWM整流器侧向控制方法还分为间接电流控制和直流控制两种。（1）间接电流控制是在电流应用约束范围内建立完整的控制模式，主要是对PWM整流器AC侧电压基波幅和相位予以控制，从而维持应用的合理性，并且间接控制栅极侧电流，维持应用规范性。因为网格侧电流动态响应存在滞缓性，且网格栅电流对系统参数变化较为敏感，因此这种方式逐渐被直流控制模式取代。（2）直流控制模式要结合高压直流电源整流和逆变应用标准对PWM进行控制，引入电流回路的基础上改善系统的基础动态性能，维持外部电压环路输出电流指令的安全性和规范性，并控制内部电流环路的输入效果，维持较好的响应效率，不仅控制精度较高，而且应用安全性符合标准。

4 结 论

总而言之，HVDC整流及逆变技术的研究还有待进一步优化，要深度挖掘技术设计内容，将其融合在不同领域中，建立更加可靠、安全且稳定的电源处理模式，最大程度上提高应用效能，实现行业的可持续发展。