大功率电力电子装备现状及趋势

　　在电力电子装备中，中压大功率变换装备通常指的是电压等级为1kV-35kV，功率等级在数百千瓦以上的电能变换装备。图 1.1 给出了部分大功率电力电子装备常见的重要应用场合及其对应的电压和功率等级。其典型的应用场合为大容量数据中心、柔性直流输配电、超级充电站、大功率变频调速及国防装备等。作为系列国家重大基础设施中的电能转换关键部件，中压大功率装备直接决定整个系统的运行性能。

　　以大容量数据中心用电量为例，据统计，在2021 年，世界上有8%的电能被信息通信产业所消耗，在2021 年将达到20.7%，其中数据中心消耗了33%的电能，约为3500Twh/年。随着5G 时代的来临，数据中心的耗电量还会急剧增长。作为数据中心供电架构里的核心设备，不间断电源（UPS）在外部电源中断的工况下负责维持系统的持续运行。随着数据中心容量增加，已经出现了功率达20MW 的UPS 需求，现行的低压UPS 方案已经难以满足市场要求。由于中压UPS 在效率、成本、占地面积上的较大优势，已成为重要的研究和发展方向。在此驱动下，业界领先的跨国公司，包括美国伊顿电气公司（EATON）、德国西门子电气等，都已规划中压UPS 技术的研发，并陆续推出相关产品。

　　另一类关键装备为大功率电机驱动器，其功能为驱动大功率电机完成电能至机械能的转换。典型的应用场合为电气化交通、石油化工、矿山开采及电磁推射等军事装备等。例如，在南水北调工程中，为克服水位落差，需要用水泵提升水位。瑞士ABB公司的ACS6000系列中压变频器是其水泵电机驱动器方案之一。又如美国特斯拉公司筹划建设的超级高铁，计划速度达音速的一半，其核心动力电机也由中压大功率变频器驱动，预计总功率达140MVA。

　　综上，大功率变流器在国内外系列重大工程中发挥着至关重要的作用。因此，开展大功率电力电子装备的核心技术研究具有极为重要的理论意义和现实需求。长期以来，我国大功率高端电力电子装备技术发展落后于发达国家。美国通用电气、美国伊顿电气、德国西门子、瑞士ABB 及日本三菱电气等跨国大公司占据了行业的高端市场。在国家支持下，目前国内相关行业处于快速发展阶段。国内的公司如中国中车（601766）、汇川、合肥阳光、远景能源等均有相应大功率变流器产品，且装备电压等级越来越高、功率等级越来越大。

　　大功率变流装备的总体需求是功率不断加大、性能越来越高。由图 1.1 的功率器件和变流装备的容量范围对比可知，随着变流器功率增加，电压提升是必然趋势。然而，现有功率器件的单管容量和电压等级不能满足装备需求。为了弥补功率器件的耐压能力不足，三电平、五电平、级联多电平和模块化多电平等多电平变换技术应运而生。

　　多电平变换方案的成功应用，扩展了电力电子装备的工作边界。然而，在更加苛刻的需求下，需要对中压大功率解决方案进行再思考。大功率电力电子装备除了满足基本的性能指标之外，还会根据应用场合的不同也有所具体变化。比如在电气化交通中，大功率、轻量化是发展趋势。

　　又如在数据中心应用中，高效率、低占地面积是核心关注点。为实现上述目标，需要尽可能减少现有系统中无源元件的体积和重量。现有中压产品中，工频变压器和电容占据了很大比例的体积和重量。以美国通用电气公司先进的MV6大功率变频器为例，其中的工频移相变压器的体积占整个变频器体积的40%左右。因此，替换现有解决方案中笨重的工频变压器是大趋势。同时，对级联型拓扑和模块化多电平拓扑，电容体积也占据了很大部分。例如模块化多电平变换器的电容体积占整个子模块体积的75%，极大地限制了变流装备功率密度的提高。

　　功率器件性能是决定拓扑方案选择的主要依据之一。在代表性的拓扑方案中，三电平和五电平电路比级联型拓扑和模块化多电平拓扑具有更高的功率密度，然而受到功率器件耐压、损耗等性能限制，其电压等级、功率等级相对偏低。现阶段的商用绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）器件最高电压为6.5kV，随着电压等级提升，IGBT 器件的开关损耗和物料成本会急剧增加。因此，在现有的中压大功率产品中，主流器件不是直接采用高压器件，而是通过级联或模块化多电平技术拓扑来实现电压拓展。通常来讲，在电压等级和功率等级相对较低时，如交流电压3.3kV 以下，主流方案多采用两电平、三电平或五电平变换器拓扑。在电压等级到10kV 以上时，主流方案主要为级联型H 桥或模块化多电平变换器结构。然而，其代价是需要较大的子模块电容。例如，3MVA/4.16kV 的变频器，变流器中所需要的储能容量（J/kVA），级联型拓扑是五电平拓扑的3.3 倍，MMC 拓扑是五电平拓扑的8.4 倍。