精神可嘉，不过说的有点不靠谱。业绩说明一切，最好能拿出足够的应用业绩作为可靠的依据

IGBT直接串联技术的应用与电子电力时代
The application of the IGBT in direct series technology & electronic power times
吴加林（成都佳灵电气制造有限公司 四川 成都 610043）
Wu jialin (Chengdu Jialing Electric manufacture corporation Chengdu city Sichuan 610043)

摘 要：本文阐述了IGBT直接串联技术的原理及应用，提出了构筑新的电力系统的设想。其不仅包括输电系统，而且包括发电、输电、配电、用电等全过程中最大限度采用电子技术，构造出高效、经济、方便的交直流混合电力系统，不断优化现有能源的转换效率，实现可持续发展。
关键词：IGBT直接串联；电子电力
Abstract：This paper elaborates application and the principle of the IGBT direct technology of series connection , makes to build the new tentative idea of power system. It not only includes losing electrical system and include generating electricity to lose electricity and distribution use the whole course such as electricity in the adopting electronic technology of high limit, structure is efficient, economic , convenience deliver direct current to mix power system, the conversion efficiency of unceasing optimization existing energy, realization can develop continuously.
Keywords：IGBT in direct series technology；electronic power times

1、概述
能源、资源、环境是我们人类生存和发展的三大问题，各国政府和企业都特别关心的大事。人类在不断开发新能源的同时，不断优化现有能源的转换效率，特别是电能的转换及高效传输与精细利用，是解决能源、资源环境问题，从而实现可持续发展的非常重要的方面。
从20世纪60年代发展起来的电力电子技术在一定的范围内得到了迅速推广，已显示出在电能的获取、分配与使用方面的巨大潜力。但在电力电子技术中扮演主角的是电子功率开关器件，目前仅几百伏到一万伏以下，这与电力系统所需的几万至几百万伏的耐压相比，差距甚大，这就决定了电力系统中的电子技术只能在低电压、相对小功率的范围内对电力系统进行局部的改善，只有当耐压为几万至几百万伏的高速自关断功率器件出现时，人类对大电力系统也能像微电子系统那样进行任意的控制，电子技术在电力系统中才能成为主角，才能迎来电子电力时代，才能实现电能的高效转换与合理应用。但在可预见的将来，这样的器件还不能出现，为攻下这一世界电工界的最大难题，早日迎来电子电力时代，成都佳灵电气制造有限公司打破了高速自关断功率器件不能串联的禁区，运用独特的方式，解决了高速自关断功率器件的直接串联及相关的一系列技术难题。特别是应用低压IGBT模块直接串联构造出了耐压几万伏的模块组件，因此原理上构成数百万伏的模块组件也不成问题。高速自关断功率器件的直接串联成功，迎来了电子电力时代的曙光。

2、IGBT直接串联与相关技术
自从60年代晶闸管（可控硅）诞生以来，功率器件获得了飞速的发展，出现了具有自关断能力的GTO、IGCT、IGBT、IEGT，而击穿电压达1000~6500V，电流可达数千安，但这样的电压等级对工业应用的中、高压电机变频调速，仍显不足，如3kV，6kV，10kV等级的变频器。采用的功率器件应取AC工作电压的3倍，即9kV、18KV、30kV。而要对交流电网的10kV、35kV直到750kV、1000kV的电压进行变换控制，则目前的器件是不可想象的。
于是人们从串联电路的原理知道，将器件串联就可解决耐压不足的问题，但实践中发现，由于功率器件的开关速度很高，而且会愈来愈高，目前已达微秒和纳秒级，开关时由于开关速度不可避免存在差异，会出现有的器件电压瞬时为零，另一些器件瞬时电压为其额定电压值的数倍，而功率开关器件的特点是一旦瞬时击穿就是不可恢复的，所以往往造成雪崩效应，所有串联器件全部击穿。在目前的电流型直流输电中，人们在线路中串入大电感来限制电流瞬变，关断时利用电网换相让其电压自然降到零，同时加大动、静态吸收电路的损耗，用低频率工作来解决晶闸管的串联难题。但这种直流输电方式是极不理想的。在国外也有将IGBT直接串联，但将其降低容量、降低开关频率，同时加大动静态均压吸收电路的损耗来做成轻型电压型直流输电系统（VSC），但因频率低、性能差、损耗惊人，只能做成中小功率系统，因此IGBT的串联成了世界级的一大难题。而成都佳灵电气制造有限公司决心攻克这一世界难题，用电子技术来驯服电老虎，通过几年的努力，应用相对和绝对的原理，自动均压的技术，发明了能达到任意电压（从数千伏到数百万伏）任意电流，并具有自动诊断、保护、工作频率达数千赫芝，价格低廉的高压智能功率模块组件，简称HIPMs，从此翻开电工史上新的一页。
运用HIPMs作成的高压大功率的DC/DC变换，解决了直流电不能变压的难题，同时具有自动稳压、限流、保护功能，提高了系统的发、输能力，简化了系统保护。运用HIPMs做成DC/AC，三相变换器解决了直流电不能产生旋转磁场的难题，同时还可向三相交流系统提供超前或滞后的无功功率，当然也具有稳压、调压保护限流的功能，提高电力系统的发输供能力，用于电机调速时更能发挥其优势。为使直交变换波形正弦化，开发了正弦波技术，为提高系统效率，去掉了交直变换中的隔离变压器，开发了不用变压器的隔离技术及高压大功率的功率因数校正技术（PFC）。为提高交流电机的调速性能，开发出了直接速度控制技术。这就形成了佳灵独有的HIPMs及相关系统技术。目前这些技术都已获得国家专利，并已申报世界专利，并被列为国家重大科技项目计划，运用上述技术做成的中、高压变频器，已有几十台应用在各行各业中，证明了上述技术的优越性和可靠性。

3 改善现有输电网络
今年以来，在全世界范围内停电限电像一股风吹遍了全世界。世界各主要国家大多不能幸免，人们在惊呼电能不够用，赶快投资建电站。其实目前发电厂的年平均发电量只达到了其装机容量的50%左右，这就是在高峰时也很难超过60%。是什么原因导致停电限电呢？除了管理上的原因就是因为交流输电系统本身就是一个极不稳定的系统。在现代为了电能远距离传输，实现了远距离大范围的联网，这是好事。但同时也带来了系统的稳定更加困难。这点我们可以从电力传输的特性来分析。
3.1 电力传输的特性分析

                                                                               图1 单纯的送电线
如图1中所示的送电系统（忽略线路电容），送端电压（有效值）设为Vs，受端电压为Vr,两者的差值是送电线的电压降△V，
                                                                  △V=Vs-Vr (1)
电压降对受端电压的百分比称为电压下降率ε。
           (2)
在图1中Vs和Vr的关系用线路阻抗来求取的话，由下式可以求得：
                                                                    Vs=Vr +(R+jx)I (3)
伴随着负载变动的负载功率因数 变化时，送端电压矢量的轨迹用圆弧FH来表示，则电压降的矢量图如图2所示。图中，│I│为常数， 为受端功率因数角（受端电压和电流的相位差），θ为Vs与Vr的相位差（θ是由线路阻抗和线路电流决定的值）。

图2 电压降的矢量图
在图2中，电压降V1和V2如下给出：
整理式（4），得式
当相位角θ小时，用cosθ≈1变化上式，可得关于电压降的如下结果：

 这里

另外，点F是线路电流I滞后 时的送端电压Vs。而点H是I超前 时的Vs。在点G处送端和受端的电压绝对值相等，即│Vs│=│Vr│，弧线FG间│Vs│>│Vr│，而弧线GH间│Vs│<│Vr│。这表示改变负载使线路电流I绝对值不变，而仅负载角在- ~+ 的变化时所得电压降的矢量轨迹。
式(7)给出的电压降由线路的阻抗来决定，因此称这为阻抗电压降或简称电压降。这个阻抗电压降根据电流I的大小而变化，而电流I是根据负载的大小而变的，因此最终是负载的函数。
在长距离送电线的情况下，线路具有的电容数值大，不能忽视。这时，受端即使开路，也存在着电流的充电电流Ic。这样，送端电压将高于受端电压，产生电压上升。这称之为费兰梯效应。
由于经济性的原因不可能按最大负荷来配备高性能的调相机，换相补偿装置加上还要考虑事故容量、检修容量、备用容量，这样一来输电线路平常就只能输送额定容量的50%~60%左右，就这样也不能保证短路事故时可重载起动大型设备时，受端电压低于F点，使线路降频，严重时使线路解列，而突甩大型负载之后或短路跳闸以后，则有可能使受端电压越过H点，造成升频，致使线路出现低频潮流共振，严重时也会使线路解列，长距离输电时，费兰梯效应不能忽略，这也将电压调整难度增加。正因为交流电网问题太多，大网互联时为解决稳定性，不惜采用背靠背换流器来解决。从发电机并网条件来看，必须是电压、频率、初相角完全相同才能并网，那怕它们彼此相隔数百至数千kM，但线路传输是会产生相生相位差、电压差，严重时使相位差超过±1/2π时，就会产生频差，只要一小部分发电机解列，就可能造成大面积停电故障，这也就是为什么现在世界上容易出现大面积停电。而要能少停电，另外的办法就是减少输送容量，但这又导致限电，并使设备利用不足，大量的资金建造新电厂新线路。
从上述输电发电特性与原理可看出，交流输电本质上就具有不稳定的特性。
为此要保持受端的电压稳定，就要根据线路的电压情况及负载的变动，靠调整电流I的功率因数来进行。要做到受端电压完全稳定，理论上无功功率应为传输功率 的两倍且快速连续平滑的调节，这对目前的电容、电感分段投切补偿是很难办到的。比如电容补偿，当电网电压下降时，其补偿自动与电压的平方成反比的下降。而IGBT直接串联而成的同步正弦波电压源，同时能补偿超前或滞后的无功，无需变压器、反应快，效率高，真正能实现连续平滑调节，不产生谐波。同时在其直流端加上储能装置和放电装置，或开关组件与超导线圈组成的电网，则对于故障恢复系统提高暂态稳定极限有强劲的作用，说通俗点就是提高了系统的稳定性，可减少停电的概率，增大传送的能量。
当然这种装置用于解决电力机车三相供电，两相用电，而造成的不平衡及大型电炉、轧机的无功补偿，克服闪变是过去任何一种装置都无法比拟的。
美国电力研究院提出并经1995年IEEE与国际高压大电网会议CIGRE确定的灵活交流输电技术FACTS，被广泛认为是解决当前电力系统问题的救世良方，但其主角——高压高速自关断功率器件缺位，所以FACTS进展缓慢。现在IGBT直接串联高压组件的出现，由于其经济性及技术上的可行性，必将推动FACTS的发展，从而对现有输发系统的增强稳定性，提高输发能力有一定程度的改善。

4 构筑新的交直流混合电力系统
4.1 直流输电的优缺点
直流电特别适合于输电，因为它有下述明显的优点：
1、 在相同的电压有效电压时，与交流相比振幅小（ ），有利于绝缘。
2、 不存在无功功率，损耗小。
3、 在送电端与受电端之间不存在交流输电时的相位差，输电的稳定性高，稳定输电的容量不受限制。
4、 没有电容电流，不产生介质损耗，有利于用电缆送电。
但直流电也有两个致命的缺点：
1、 不能升降压；
2、 不能产生旋转磁场。
所以尽管直流电最先发明，但未得到推广，很快就被交流电，特别是三相交流电所淹没了，到20世纪50年代出现的直流输电被认为性能超越了交流电，但因换流器经济性不好，只有在一定传输距离以上才有价值。但这种直流输电实质上是电流型的，而负载则可能是容性、感性、阻性的混合负载。它采用非自关断的功率开关器件，它需要电网提供60%~70%的无功功率，帮助其关断换相，由于开关频率为电网频率，所以还需要大尺寸的滤波器，它只能实现点对点的传输，不能像交流电一样任意变压，而实现分层、分级环网、枝状、放射状供电只能作为交流输电的辅助手段之一。近年来也有国外公司利用IGBT简单串联，做成了小容量的轻型电压型直流输电系统（SVC），但因其未掌握直接串联及相关技术，所以，开关频率低，损耗大，无法获得广泛推广。
在此我们提出的构筑新的电力系统，不是仅指输电系统，而是在发电、输电、配电、用电全过程中最大限度采用电子技术，从而构造出牢固、高效、经济、方便与21世纪技术水平相当的交直流混合电力系统。
4.2 发电系统
在现有的交流系统中，交流电的三要素是捆在成百上千台发电机组头上的紧箍咒，不管它们相隔多远，都必须同步运行，如果有某几台机组不同步，则会造成整个系统解列。同时不管输出功率大小，都必须按额定速度运转，这就造成发电系统效率的降低和调节性能的变差，甚至迫使建设抽水蓄能电站来改善峰谷调节性能。
但若把思路变一下，采用中频硅整流发电机作为发电的基本单元，与电网的联系只有电压输出，调节电压即可调节输出功率，而调节输出电压可调节励磁电流和发电机转速，由于有二极管隔离，随时都可挂在网上，即使发电机损坏，只要有基本的继电保护，绝不会导致系统解列，这才是真正牢固的基本单元。 
               

                                                                   图3：发电机电路
采用中频即60~120Hz，好处是减少整流后的纹波电压，减少谐波电流的影响，同时利用发电机的感抗，增大短路阻抗，采用IGBT斩波励磁。
而且由于无需输出无功功率，并采用后面所讲的单开关PFC，使发电机工作时功率因数可达0.995，现有发电机可提高输出功率10%~15%，如果将转子改用稀土永磁励磁，完全取消励磁系统，通过调节直流变压器的输出电压，就可调节发电机的输出功率。这样的发电机系统也就是直流永磁无刷发电机。当然它可用于水电、火电、风电，其可靠性及效率是不言而喻的。
再进一步可采用单极直流发电机，通过调节直流变压器的输出电压来调节输出功率，则整流和PFC都不用考虑了，而且在发电机内部没有了交变磁场。这样更有利超导发电机的运用，大功率（1000-8000MW）高电压，小体积，高效率的超导单极直流发电机将会应运而生。
电压电流闭环中性点引出整流可在高速时利用谐波电流，提高输出功率，这样的发电单元不仅是牢固的而且也是高效的。当然对现有的交流发电机无需改动，只要把交流整流成直流也可使用。
4.3 直流变压器
直流电的致命缺点就是不能升降压，但HPIMs的出现将改变这一点，原理与已广泛采用的开关电源相同，见图4。 
                        

                                               图4 各种直流变压器原理图
对高压大功率直流变压器效率可达99.2%以上，成本稍高于传统变压器，若超导输电线早日应用成功，对直流变压器的要求会大大降低，同时应用超导滤波电感会进一步提高直流变压器的效率。
4.4 电网稳定器
利用HPIMs和超导线圈，可做成电网稳定器，见图5。

                                                          图5：电网稳定器
它的作用是能快速吸收和放出强大的能量，满足系统故障及过渡过程的需要，提高系统的稳态输送能力。由于是直流输电，不再需要AC/DC/AC的变换，降低了稳定器的成本，它既可做成大型蓄能系统，以解决系统削峰填谷，代替抽水蓄能电站，又可做成中小型，满足各种用户及工况需要。
在交流输电系统中，不利的线路，电容，电感在直流电压型输电线路中，都变成了有利的储能元件，增强系统的暂态响应能力。
4.5 逆变器
利用HPIMs做成的逆变器，见图6。由于HPIMs的高性能，不象目前的电流源型换流器，需要电网提供大量的无功电源来换相，反之这种电压源型高频逆变器还能向负载提供超前或滞后的无功，由于其开关频率高，输出波形好，滤波器尺寸大小减小。

                                                 图6：逆变器框图
4.6新型电力系统——交直流混合系统
由上述元件即组成了新型的电力系统——交直流混合系统，见图7。

                                       图7：交直流混合系统
在这样的系统中发电机的转速不再是固定的（核电站除外），也不需要同步，峰谷调节不再是难事，在额定负荷时水电、火电的发电能力可充分发挥，还可短时超载，在轻负荷时效率可提高10%~30%，而辅机若也采用变频调节，则发电系统效率又可提高额定容量的5~6%。
在输电线路中，再也不因为无功问题而发愁，潮流控制成为历史，输电线路损耗降低三分之一还多，因为电晕、介质损耗也会减少，功补装置的损耗消失，超导最适合传输直流电，若超导早日应用，输电损失将进一步减少，高压输电将成为历史，线路占地及造价都可能大幅度降低。
电网稳定器充分发挥作用，专门解决电网的暂态稳定，输电线路则完成输送任务。在配电系统中，可采用直流或交流供电，视负载需求而定，在布局上可采用环网，放射状，枝状供电。
由于功率开关器件的成本不断下降，以及电子技术的不断普及，对交流电的要求反而越来越少，今后完全有可能末端用电交直流并存，这样反而可减少电子设备应用带来的EMC问题。
4.7 柔性供电
信息技术(information technology——IT)使社会生产、生活的各个环节相互作用、相互关联、相互依赖，形成以高度自动化、信息化为特征的现代社会图景。基于微机控制、变频调速驱动的生产线和基于网络化的金融系统等现代社会的典型用电系统，即便是短暂的供电中断或其他电能质量问题，都可能造成难以估量的经济损失。然而，由于设备、管理因素及难以抗拒的自然因素，供电中断或其他电能质量问题仍然严重威胁着高质量供电。美国及欧洲国家年平均供电中断时间在1h以上，堪称供电可靠性世界一流的日本，年平均供电中断时间也在12min以上。再加上其他因素如电压闪变、瞬低、谐波、三相不平衡等的不利影响，供电质量还远不能满足IT时代的供电需求。
我国经济发展极不平衡，资源分布、供电能力也很不平衡，用户对供电质量的要求也有很大差别。1999年对国内277家供电单位10kV系统供电可靠性分析表明，年平均供电中断时间在12 h以上。以前，国民生产水平较低，电力供应不足，电网的主要任务是满足发、供、用之间的数量平衡。随着我国发电能力的迅速发展，国民生产、生活水平不断提高，新型自动化生产线、网络化服务系统的引进和采用，发电容量的不足已逐步缓解，用户对电力供应的质量问题越来越关注，供电技术已从数量阶段向质量阶段发展。随着我国加盟WTO，国民生产、生活更趋于国际化，供电质量也将趋于国际化标准。因而，我国高质量供电技术的研究与实施更具有紧迫性和挑战性。
然而，从世界范围看，现代电力系统满足高质量供电仍面临许多困难。建设多条送电回路是提高供电可靠性及供电质量的有效方法，但环境、资源、建设用地的限制，很难通过这一方法有效解决问题。另一方面，电力市场的引入，投资风险的加大，给电网的建设、运行、维护带来不确定因素。近年来，电力电子类设备大量采用，这类设备一方面对电能质量问题非常敏感，另一方面如整流电路的采用，给电网注入一定的谐波，从而使供电质量下降。一些对供电质量有“双刃剑”作用的电力新技术也正在迅速发展，如分散发电技术(distributed generation——DG)及配电网蓄能技术(distributed energy storage system——DESS)。这些技术运用合理可提高供电质量，控制不当则会因电流冲击、逆潮流等对高质量供电带来负面影响。
一方面，现代社会对电力供应提出了新的要求；另一方面，社会环境、应用环境又对供电质量的提高加上了很多约束条件。因此高质量供电的解决方案只能是在多个约束条件下，寻求最合理的答案。我们认为，柔性化供电(flexible electrical energy delivery FEED)技术正是现代社会电力供应的解决方案。
FEED技术可定义为针对不同电力用户及负荷的需求，提供不同质量和形式的电力供应，具有高度灵活性、可靠性、信息化和智能化的供电技术。这一概念与美国学者提出的custom power及日本学者提出的FRIENDS概念类似，
事实上，由于供用电系统直接与用户相关，最终电能质量的好坏在很大程度上取决于供电系统运行状况。因而，供电系统更需要电能的灵活控制与可靠运行；而且供电系统电压较低、结构分散、控制需求多样化，这就为当前水平的电力电子器件的应用提供了适宜的场所。
柔性化供电系统应具有的功能包括：
a .多种电能质量及多种电能形式的电力供应：电能质量包括普通质量供电、高质量供电；电能形式包括普通工频交流供电、直流供电及变压变频供电。
b．完善的电能质量控制手段：包括电压无功调节、谐波抑制，多路电源、DG、DESS之间的高速相互切换，网络重构、事故恢复等。
c．完整的信息处理及设备控制能力：为用户提供信息及服务资讯，实现用户侧管理，实现供电网与输电网的自律分散控制，实现用电设备的监测与控制。
d．实现供电系统的优化运行：包括通过智能控制实现网络供电损耗的降低，通过蓄能系统实现负荷的平准化，通过变频变压供电实现负荷的节能运行。
FEED技术的核心是在不同的供电层次加入不同的电能质量控制环节，或称质量控制中心(QCC——quality control center)，如图8所示。

                                                                 图8 柔性化供电系统的QCC
可以看出，QCC按不同的层次，可以分为变电站型QCC、用户型QCC及负荷型QCC。通过这些不同层次QCC的作用，就能够实现FEED技术的各项功能。变电站型QCC间的相互连接构成配电网主系统，这种相互连接既包括能量的交换，也包括信息的交换，而能量的交换形式既可以是传统的交流形式，也可以是轻型直流输电。

                                                                 图9 变电站型QCC示意图
图9所示为典型的变电站型QCC的内部结构示意图。用户型QCC则可以包括用户电能质量调节器、小容量蓄能装置等。负荷型QCC主要是针对负荷的具体情况，对电能进行变换和控制，其形态可以千差万别。

4.8 智能化用电系统
交流电在过去是最佳的用电系统，但随着节能与自动化的要求及电力电子技术、计算机控制技术及相关控制理论的发展，往往需要将交流电变换成直流，再变换不同频率的交流，以满足不同负载的用电要求，目前的用电负荷可分为下列几类：1、电机拖动类；2、照明类；3、电热及电化学；4、直流类
4.8.1电机拖动类
出于节能与自动化的要求，特别是IGBT直接串联技术的出现，全面彻底的解决了高压电机调速的问题，加上目前应用广泛的低压变频调速，它们都需要把交流电整流成直流再逆变。随着调速设备价格的不断下降和合理用电的需求，全面普及变频调只是时间问题，因此何不直接采用直流用电系统。
4.8.2 照明类负载
近年来由于节能的需求，各种各样采用电子变换控制的节能灯具，更希望供应直流电，这样能降低成本，提高效率，特别不需要考虑功率因数校正、EMC要求也不能简化，而逐步淘汰的白炽灯，用直流供电寿命更长、性能更稳定。
4.8.3 电热及电化学类负荷
本身就需要直流电，只不过是不同电压、电流等级的直流，只需DC/DC变换就能获得。
4.8.4直流类负载
指计算机及各种仪器仪表电源，它们本身都需要直流电，然后通过开关电源变换成不同电压、电流的直流电供给负载。
要把直流电变换成交流电再来应用，带来的是交流电的问题。线损增加，无功损耗加大，效率下降，谐波污染严重，增大社会成本。

                                                               图10 能量的形态与相互关系
我们再来看能量的形态及相互关系图，从图10中我们可以看出大部分分散发电系统输出的都是直流，而超导储能输出的也是直流。过去我们因为DC不能变化，只能 。这样不仅效率下降，成本也增加。特别是燃料电池，其能量转换的热电效率可达80-85%,且美国制定的目标价格为USD60/kW，近年即可实现。目前火力发电的建设价格约3500元/KW，而负荷率仅50%，厂用电12%，输电及用户线损达10%，即：
（3500×2）/（0.88×0.9）≈8800元/kW
目前，火力发电转换效率约30%，即到用户时，热电转换效率为
0.3×0.88×0.9=0.2376
而燃料电池的化学能—电能转换效率为45~60% 所以采用直流用电系统，有利于分散发电系统的并网，降低分散发电的成本，进一步提高分散发电的效率，从而大大的减少社会的能源的需求。

5 交流电机变频调速
据称，电网提供电能的60%~70%是被电机消耗的，电机实现调速运行不仅能大量节约电能提高装备的性能，容易实现自动化，也就是说用现代电子技术来改造传统产业，将使我国装备现代化。
变频调速器，如果去掉整流部分，只向它提供直流电，它又叫逆变器，它不仅能克服直流电的另一缺点，产生旋转磁场，而且能产生任意频率的交流电，从而使电机也柔性化、智能化的运行。当然在低压变频调速技术方面，变频调速技术的应用已经比较成熟。但在高压电机（3kV、6kV、10kV ….）调速方面，由于变频器的核心器件——功率器件耐压能力所限，造成了现在的高压变频器不象低压变频器那样具有成熟的、一致性的拓扑结构。组成高压变频器的功率器件的耐压能力在长时间内还不可能满足高压变频调速的需要。因此，如何解决高压变频器中的功率器件耐压能力问题，成为世界性难题。为回避高压难题，出现过几种过渡电路形式
5.1 单元串联多重化电压源型高压变频器
单元串联多重化电压源型高压变频器利用低压单相变频器串联，弥补功率器件IGBT的耐压能力的不足。所谓多重化，就是每相由几个低压功率单元串联组成，各功率单元由一个多绕组的移相隔离变压器供电，用高速微处理器实现控制和以光导纤维隔离驱动。
其缺点是：
(1) 使用的功率单元及功率器件数量太多，6kV系统要使用150只功率器件（90只二极管，60只IGBT），装置的体积太大，重量大，安装位置和基建投资成问题；
(2)所需高压电缆太多，系统的内阻无形中增大，接线太多，故障点相应的增多；
(3)一个单元损坏时，单元可旁路，但此时输出电压不平衡中心点的电压是浮动的，造成电压、电流不平衡，从而谐波也相应的增大，勉强运行时终究会导致电动机的损坏；
(4)输出电压波形在额定负载时尚好，低于25Hz以下畸变突出；
(5)由于系统中存在着变压器，系统效率再提高不容易实现；移相变压器中，6kV三相6绕组×3（10kV时需12绕组×3）延边三角形接法，在三相电压不平衡（实际上三相电压是不可能绝对平衡的）时，产生的内部环流，必将引起内阻的增加和电流的损耗，也相应的就造成了变压器的铜损增大。此时，再加上变压器的铁芯的固有损耗，变压器的效率就会降低，也就影响了整个高压变频器的效率。这种情况在越低于额定负荷运行时，越是显著。10kV时，变压器有近400个接头、近百根电缆。在额定负荷时效率可达96%，但在轻负荷时，效率低于75%。
5.2 中性点钳位三电平PWM变频器
该系列变频器采用传统的电压型变频器结构。中性点钳位三电平PWM变频器的逆变部分采用传统的三电平方式，所以输出波形中会不可避免地产生比较大的谐波分量，这是三电平逆变方式所固有的。因此在变频器的输出侧必须配置输出LC滤波器才能用于普通的鼠笼型电机。同样由于谐波的原因，电动机的功率因数和效率、甚至寿命都会受到一定的影响，只有在额定工况点才能达到最佳的工作状态，但随着转速的下降，功率因数和效率都会相应降低。
5.3 多电平+多重化高压变频器
多电平+多重化高压变频器的本意是想解决高压IGBT的耐压有限的问题，但此种方式，不仅增加了系统的复杂性，而且降低了多重化冗余性能好和三电平结构简单的优点。因此此类变频器实际上并不可取。
此类型变频器的性能价格优势并不大，与其同时采用多电平和多重化两种技术，还不如采用前面提到的高压IGBT的多重化变频器或者三电平变频器。
5.4 电流源型高压变频器
功率器件直接串联的电流源型高压变频器是在线路中串联大电感，再将SCR（或GTO、SGCT等）开关速度较慢的功率器件直接串联而构成的。
这种方式虽然使用功率器件少、易于控制电流，但是没有真正解决高压功率器件的串联问题。因为即使功率器件出现故障，由于大电感的限流作用，di/dt受到限制，功率器件虽不易损坏，但带来的问题是对电网污染严重、功率因数低。并且电流源型高压变频器对电网电压及电机负载的变化敏感，无法做成真正的通用型产品。
电流源型高压变频器是最早的产品，但凡是电压型变频器到达的地方，它都被迫退出，因为在经济上、技术上，它都明显处于劣势。
5.5 功率器件IGBT直接串联的真正直接高压变频器
5.5.1 主电路简介
如图11所示，图中系统由电网高压直接经高压断路器进入变频器，经过高压二极管全桥整流、直流平波电抗器和电容滤波，再通过逆变器进行逆变，加上正弦波滤波器，简单易行地实现高压变频输出，直接供给高压电动机。

                                                                        图11： IGBT直接串联高压变频器
功率器件IGBT直接串联的二电平电压型高压变频器是采用变频器已有的成熟技术，应用独特而简单的控制技术成功设计出的一种无输入输出变压器、IGBT直接串联逆变、输出效率达98%的高压调速系统。
对于需要快速制动的场合，采用直流放电制动装置，如图12所示。

                                              图12： 具有直流放电制动装置的IGBT直接串联高压变频器主电路图
如果需要四象限运行，以及需要能量回馈的场合，或输入电源侧短路容量较小时，也可采用如图13所示的PWM整流电路，使输入电流也真正实现完美正弦波。

                                                图13：具备能量回馈和四象限运行的IGBT直接串联高压变频器主电路图
5.5.2 核心关键技术
（1） 高速功率器件的串联技术
根据查新，世界各国均未生产出IGBT直接串联的高压变频器。原因正如一些权威人士所言：“IGBT是不能串联的。因为开关时间短，微秒级，很难保证所有管子串联同时开关。否则有的早开，所有的电压都来加在晚开的管子上，那么这个1200V的管子加上6000V，只能烧掉，一烧一串，不可能串联。”
（2） 正弦波技术
高压电机对变频器的输出电压波形有严格的要求，是业内人士都知道的常识。佳灵公司解决变频器输出电压波形，从两方面着手：一是优化PWM波形；二是研制出特种滤波器。
过去一些人认为：“三电平的电压波形一定优于二电平，今后就是低压变频器也应采用三电平。”，这种说法可能不太全面。三电平的总谐波含量可能低于二电平，但由于三电平的11次、13次谐波含量特别高，处理起来特别困难，而二电平只要波形优化得好，60次以下的谐波皆可大大降低。而对60次以上的谐波滤波自然容易得多。人们使用三电平是为避免器件串联的困难，不得已而为之。正如东北大学刘宗富教授所讲：“能用两点式谁会去用三点式呢？”
（3） 抗共模电压技术
仅解决IGBT的串联，并不能甩掉输入变压器。原因在于共模电压的存在。在低压变频器领域，近年来发现的电机轴承损坏，共模电压就是影响之一，在高压变频器的领域中，共模电压更是必须解决的关键问题之一。共模电压（也叫零序电压），是指电动机定子绕组的中心点和地之间的电压。
共模电压也是对外产生干扰的原因，特别是长线传输设备。无论是电流源还是电压源变频器产生共模电压是必然的。佳灵公司根据共模电压产生的机理，采取了“堵和疏”的办法将共模电压消灭在变频器内部。
由于采用了上述三项核心关键技术，使“佳灵”IGBT直接高压变频器的效率达到98%以上。输出电压正弦化、共模电压最小化。适用于任何异步电机、同步电机，无需降容使用，几km的长线传输也无问题。对于传输距离太长时应考虑线路电压补偿。如提高电压或增大导线截面等。
5.5.3 系统特点
（1）电压等级为3kV-10kV；
（2）系统自带专门设计的高压开关柜，与本身高压变频器高效安全配套，并含变/工频切换装置和电子式真空断路器；
（3）全中文操作界面，基于Windows操作平台，彩色液晶触摸屏，便于就地监控、设定参数、选择功能和调试；
（4）内置PLC可编程控制器，易于改变和扩展控制逻辑关系；
（5）高压主电路与低压控制电路采用光纤传输，安全隔离，使得系统抗干扰能力强；
（6）控制电路通讯方式采用全数字化通讯。
（7）系统的整流单元、逆变单元设计，选用组合模块化积木结构，整机占地面积小、重量轻，便于安装、维护；
（8）装置可在本机上操作，也可实现远距离外控，具备完善、方便的操作功能选择；
（9）系统具有标准的计算机通讯接口RS232或RS422、RS485，可方便的与用户DCS系统或工控系统组态建立整个系统的工作站，进一步提高系统的自动化控制程度，实现整个工控系统的全闭环监控，从而获得更加完善的、可靠自动化运行；
（10）具备全面的故障监测、可靠的故障报警保护功能；
（11）输入功率因数高，输出电压谐波含量小，无需功率因数补偿和谐波抑制器；
（12）输出电压为标准正弦波形，对电缆和电动机的绝缘无损害，减轻电动机的轴承和叶片等机械部分震动和磨损，延长电动机的使用寿命，输出至电动机的线缆长度可达20km；
（13）采用独特的抗共模电压技术，使系统中共模电压≤1000V，无需再提高电动机的绝缘等级，无需专用电机；
（14）易于实现能量回馈和四象限运行；并可直接引出直流进行直流输电；
（15）对用户的高压异步电动机无任何特殊要求。不但适用于新旧异步电动机，也适用于同步电动机。
5.5.4 比较结果
与以往几种高压变频器相比较，比较结果如表所示。
                                   表1 IGBT直接串联高压变频器与以往几种高压变频器的主要性能比较

IGBT串联技术解决了变频器的耐压与功率问题，直接速度控制技术，解决了电机的无速度传感器的高性能控制，无变压器的隔离技术及正弦波技术则解决了系统的效率，成本及可靠性，从而使中国的变频技术不仅在高压，而且在低压领域都跃居世界领先行列，如果抓住这一机会，使中国成为变频器生产大国，则就像英特尔的芯片一样影响全世界。

6 关于HIPMs应用相应话题的讨论
6.1 电力机车与城轨车辆的交流传动技术
若运用HIPMs及相关技术，则不仅在性能上，超越目前国外的产品，在价格上仅为进口的一半。若将电力机车目前的单相交流供电模式，改为直流模式，不仅可降低谐波的污染，而且可提高能源效率30%以上，还可以降低系统成本。
6.2 海上革命
若将海舰、船艇采用HIPMs及相关技术，组成局部直流电网交流电传动，能源效率可提高30％以上，舰船的机动性、安全性都大大增强，巡航时将其能量用于推进、战斗时又可将其电能供应航载电子武器，如电磁炮、航母的飞机弹射装置或电子干扰对抗机，这也就是美国人正在搞的海上电子革命。
6.3电动汽车
无论是混合动力汽车或燃料电池汽车，都离不开电力变换与控制，而直接速度控制技术理论，能使能量转换效率提到目前的最高水平。
6.4关于超导技术的应用
科技界都在预言，21世纪超导技术将得到广泛应用，到2010年可形成250亿美元的市场，但超导技术的应用，特别中、大规模的超导技术应用大部份都离不开其伴侣——大功率、高速度、高电压、大电流的功率电子开关，而HIPMs应运而生，解决了中、大规模超导应用技术的前提条件，如此一来：用于电网稳定，可使发、输能力提高20%~30%。用于蓄能、抽水蓄能电站的转换效率为75%以下，超导蓄能电站理论效率可达95%，选址不受限制，响应速度比抽水蓄能电站可快数百倍，规模生产时，超导蓄能电站成本不会超过抽水蓄能电站，若考虑运行效率，则更有价值。
用于动能武器及地天运载工具。
人类的武器从拳头、棍棒、刀枪、火药到电子，每一次都会产生质的飞跃，超导与HIPMs的结合，会促进动能武器的发展，无需火药，无需提前量，对导弹的爬升阶段，对飞机、对坦克、20－30马赫的运动体，都将是致命的克星，超导弹射装置将使航母上飞机每个架次10万美元钢缆的消耗成为历史。
若将超导弹射装置更加大型化，做成地天运载装置，将使地天运输费用降到目前的百分之一，而且是绿色的，这将大大促进太空的开发。

7 结束语
人类最先发明的是直接电，她有很多优点，特别适合于输电，但直流电也有两个致命的缺点，不能升降压，不能产生旋转磁场，所以很快被后起之秀的交流电打败，这也是电工史上著名的爱迪生与特斯拉之战，由于交流电突出的优点，一百多年来她也占据了绝对的统治地位，发展到了顶峰阶段，相应的交流电极不稳定，效率低下的缺点也暴露无遗，拉闸限电、全世界停电就是警讯。电力电子技术的广泛应用已侵蚀了交流电的根基，而HIPMs及相关技术的发明则吹响了电子电力革命号角。当然我们希望这一场变革是渐进的，损失最小效益最大的、平衡地进行。首先可以全面推广交流电机调速技术，进而利用HIPMs改善交流电网的稳定性提高发输能力，再次逐步建设新的电子电力系统。这将有很多理论的问题需要研究，有很多困难需要克服，但同时也是极大的机遇。
中国是一个人口大国，但同时又是一个能源贫国，党中央提出在2020年国民经济高速持续发展的瓶颈，当然我们也可以大量进口能源，但同时也增加了对国际能源市场的依赖性，而国际间为争夺能源利益引发冲突时，也必将影响中国经济的稳定发展。
基于此，中国需走适合于国情的以内涵发展的道路，抓住电子电力革命的机会，完全有可能将目前的能源利用效率提高100～200%。这不仅将促进中国技术装备的现代化，减少环境污染，实现可持续发展，同时还有利于世界的长久和平。
宇宙的运动靠的是能量，人类的活动靠的是能源。人类发展的历史就是不断开发新能源并优化利用已开发能源的过程，优化已开发能源的利用比开发新能源更经济，更环保。
无论是大系统还是小系统，都是由能量驱使着物质运动，物质运动产生信息，而信息又改善能量的分配，使物质的运动更加合理，从而减慢熵的增加。美国运用电子技术于信息的获取、传播与处理，从而带来了一场信息革命，造就了今天美国在世界的超级大地位，而运用电子技术于电能量的获取，传输与分配，也必将引来电力领域的革命；HIPMs及其相关技术是这场革命的导火线，如果顺应历史潮流，抓住这次机会，充分发挥先进生产力的作用，不仅可创造数万亿的市场机会。同时将使世界看到，中国不仅是世界工厂，还将是世界新技术革命的火车头。继欧、美之后，世界科技中心在新世纪中理所应当转到中国，到那时才是中华民族的伟大复兴之时。
由于本人才疏学浅，本文仅是管孔之见，意在抛砖引玉，引起大家对新技术发展的注意，万望读者斧正。