本文是“新型油氣壓縮機用高壓M2C變頻器(Part-1)”一文的后續(xù)部分。中壓變頻器需要關注的幾個問題，H橋級聯變頻器(CHB)和模塊化多電平變頻器(M2C)的原理、特點及它們的比較己經在那里介紹，本Part介紹M2C變頻器的低頻運行問題及對策、另外兩種常用的中點鉗位三電平變頻器(3L-NPC)及基于三電平H橋的五電平變頻器(5L-HNPC)與CHB和M2C變頻器的比較，討論它們的冗余和可靠性，最后簡介西門子的GH150產品。

Ⅳ.M2C變頻器的低頻運行問題及對策

    M2C技術始于2001年，2006年前后西門子公司率先推出基于此技術的HVDCPLUS系統(tǒng)，成功用于柔性直流輸電。人們希望把M2C技術用于變頻調速，簡化變壓器和整流電源，但存在一個技術障礙—低頻運行問題。

    依照器件電壓不同，3L-NPC變頻器有2.3kV、3(3.3)kV和4.16kV三個電壓等級，國內基本上只用3(3.3)kV。它使用4.5kV器件，直流母線電壓Vdc≈5kV，輸出電壓臺階幅值DVstep=Vdc/2≈2.5kV。

    3L-NPC變頻器的優(yōu)點：

    1)線路最簡單，元器件數量最少。

    2)有公共直流母線，整流電源和油浸變壓器簡單，實現電動機制動能量吸收或回饋容易。與CHB變頻器相比它是優(yōu)點，但與M2C變頻器相比它算不上優(yōu)點，因為二者都有公共直流母線。

    3)三相逆變共用直流貯能電容，數量少(2個)，直流母線電流中無低頻交流分量，電容總能量也小(約是CHB的25％和M2C的40％)[16]，使用壽命長的高壓薄膜電容，集中安裝。與使用電解電容的CHB變頻器相比它是重要優(yōu)點，M2C變頻器也用薄膜電容，只是數量多及總能量大，分散安裝。

    3L-NPC變頻器是進入市場最早的中壓PWM變頻器，在國外應用廣泛，我國早期曾進口不少這種變頻器。CHB變頻器問世后，這類變頻器在我國不需要電動機制動能量吸收的油氣壓縮機和泵等調速傳動中用得越來越少。其原因是：

    1)輸出電壓達不到6kv，不滿足我國中壓電壓等級標準。在無特殊理由的情況下采用非標準電壓，很難被用戶接受。

    2)輸出電壓電平數少，加之PWM調制頻率低(高壓器件開關頻率<1kHz)，一個基波周期中的PWM方波數少，諧波大。

    3)輸出電壓臺階幅值DVstep高，dv/dt大，導致：普通中壓電動機不能承受，需加強絕緣(ABB要求[14]3.3kV電機的最小絕緣等級為7.2kV，變頻器和電機間聯接電纜按6kV有效值/10kV峰值選取)及采取防軸電流措施(絕緣軸承和軸接地電刷)；電纜寄生電容引起的附加電流沖擊大，允許電纜長度<300m。若使用普通電機，需在變頻器輸出端裝設龐大的輸出濾波器。

    4)使用高壓開關器件，雖數量少，但由于高壓器件芯片厚、導通壓降和芯片面積大，芯片總面積反而比CHB大(50％左右)，和M2C差不多[16]。

    面對3L-NPC變頻器在中國市場的不利局面，ABB和日本TMEIC公司為適應中國對6kv的需求，利用己有的中點鉗位三電平技術和相支路功率組件(PEBB)開發(fā)出改進產品—基于三電平H橋的五電平變頻器5L-HNPC。

    5L-HNPC變頻器的特點及與其它變頻器的比較：

    1)5L-HNPC可以輸出6(6.9)kV，雖然符合國標中的保留電壓等級，但低于國標推薦的10kV，對功率接近和超過10MW的大功率裝置來說6kV仍偏低。

    2)與3L-NPC相比，5L-HNPC輸出相電壓電平數從3增至5，諧波有所減小。6kV的M2C和CHB變頻器(k=5)的相電壓電平數=11，遠大于5L-HNPC。國家電控配電設備質量監(jiān)督檢驗中心應用戶委托對5L-HNPC進行了檢驗，結論是電流輸出諧波含量明顯偏大，電機噪音明顯比工頻運行時大很多，對電機的穩(wěn)定運行有一定的影響。

    3)與3L-NPC相比，5L-HNPC的電平數增加，但因仍使用4.5kV高壓器件，輸出電壓跳變臺階幅值DVstep≈2.5kV沒變，相應dv/dt也沒變，只是相對變頻器額定輸出電壓來說減小了，電機和電纜仍需加強絕緣。根據TMEIC公司的計算：變頻器最大輸出電壓峰值=4×DVstep(見圖11)，dv/dt引起的過壓尖峰最大1×DVstep，因此電機端部最大尖峰電壓=5×DVstep≈12.5kV，折算到有效值≈8.8kV，建議采用11kV絕緣。

    4)和CHB一樣，5L-HNPC的貯能電容也接在單相逆變橋直流輸入端，都需吸收直流母線電流中的大幅值2倍輸出頻率之交流分量，它們每MVA的電容總能量差不多，比3L-NPC大許多。和CHB不同，因電壓高5L-HNPC使用薄膜電容。

    5)因5L-HNPC也使用高壓開關器件，它每MVA的芯片總面積與和3L-NPC差不多，比CHB大，和M2C差不多[16]。

    6)5L-HNPC有6套整流電源，36脈波整流，電網側電流諧波非常小。由于整流變壓器多套副方繞組間的移相及幅值誤差，實際的諧波減小效果和30或24脈波整流相差不大。整流電源套數多使其喪失3L-NPC實現制動能量吸收或回饋容易的優(yōu)點。5L-HNPC使用油浸變壓器。

    7)美國IEEE的綜述報告指出[2]，與使用4.5kv器件的兩級串聯(k=2)的CHB變頻器相比，5L-HNPC的輸出電壓大小和波形、電平數，全控器件數，整流電源數，變壓器復雜性及dv/dt等都和CHB一樣，但多用12支鉗位二極管，沒什么優(yōu)點。ABB和TMEIC公司由于己有成熟的3L-NPC技術和相支路功率組件(PEBB)才選用此方案。

    盡管5L-HNPC只是3L-NPC的改進，未能完全解決它的問題，還是受國內不少用戶歡迎，在大功率節(jié)能調速領域占一席之地。

Ⅵ.冗余和可靠性

    M2C和CHB是級聯型變頻器，由多個功率單元串聯構成。為提高可靠性，可以在設計時多串聯一個單元(k+1冗余)或兩個單元(k+2冗余)，出現單元故障時通過旁路開關去掉該單元，維持變頻器繼續(xù)工作。稱這種技術為“單元冗余及旁路”，增加設備和投資不多，效果顯著，對某些生產連續(xù)性要求高、故障停機會造成重大損失的應用場合(例如油氣壓縮機、冶金和礦山風機等)意義大。

    2000年美國MaratbonAsbland石油公司在一套油氣壓縮機的電機驅動系統(tǒng)中使用了這技術[15]。該項目釆用CHB變頻器，功率5500Hp/電壓4.16kV，原本只需4級串聯，為實現變頻調速系統(tǒng)5年連續(xù)運行目標，它多串2級，共6級。在相故障單元數≤2時，變頻器仍能輸出額定電壓；在相故障單元數>3時，變頻器降低最大輸出電壓運行。為在去掉故障單元后維持三相輸出線電壓平衡，有兩種旁路控制方法：

    1)對稱旁路在無故障的另兩相旁路同樣數量的無故障單元，並維持三相相電壓彼此互差120°不變，此法簡單，適合用于相故障單元數≤2時。如果相故障單元數>3，仍用此方法，三相電壓雖平衡，但變頻器最大輸出電壓下降多。

    2)中點偏移只旁路有故障單元，通過適當調整三個相電壓間的相位關系，仍維持三

相輸出線電壓平衡，并減小電壓降低程度[15]。

    CHB變頻器的旁路過程波形示于圖12，無電流時間約250ms，這期間電動機靠機械慣量維持自由運行，轉速約降10％，旁路過程結束后恢復。

圖12CHB的旁路過程波形

    為實現“單元冗余及旁路”，西門子公司也在其M2C變頻器的每個功率單元兩端都并聯一個旁路開關(圖13a)，并為此開發(fā)專用快速旁路接觸器(圖13b)。這接觸器在變頻器運行過程中一直處于待激活狀態(tài)，它的動作時間約625ms，整個旁路操作時間<1ms。由于操作時間非常短，旁路操作期間電流穩(wěn)定，沒變化，因此也無轉矩和轉速下降(“無縫”旁路操作)，見圖14。

a)變頻器                         b)旁路接觸器

圖13有旁路開關的M2C變頻器及其旁路接觸器

圖14旁路操作期間的變頻器輸出電壓和電流波形

    應指出，單元旁路技術不僅用于有功率單元冗余時，也可用于無功率單元有冗余時。若無冗余，即使只有一個單元故障及被旁路，變頻器最大輸出電壓也要下降，采用中點偏移控制能減小電壓降低程度。

    3L-NPC和5L-HNPC不是由多個較小功率的單元通過串聯或并聯構成的變頻器，很難實現冗余。若想實現3L-NPC變頻器的k+1冗余需增加12個4.5kV高壓IGBT和二極管，若想實現k+2冗余需增加24個4.5kV高壓IGBT和二極管，代價巨大且操作麻煩。雖然己經有一些代價較小的容錯運行方案，但都因控制復雜及輸出電壓下降多而未實用。5L-HNPC變頻器的冗余更難實現，未在市場出現。

    3L-NPC和5L-HNPC變頻器使用4.5kV高壓器件，數量少，級聯型M2C和CHB變頻器使用1.7kV低壓器件，數量多。通常器件數量越少的變頻器越可靠，但從器件本身來說，低壓器件比高壓器件技術更成熟，使用量大、經驗多、可靠，究竟那種變頻器更可靠？

    為比較油氣領域常用變頻器的可靠性和了解冗余效果，參考文獻[16]給出M2C、CHB、3L-NPC和5L-HNPC四種6.6kV中壓變頻器的平均故障間隔時間MTBF(meantimebetweenfailures)定量分析結果。

    平均故障間隔時間MTBF=1/l

    式中l(wèi)是總故障率，它等于109小時中所有部件的總故障次數。在計算故障率時計及電網側變壓器、電網側整流器、電機側逆變器、冷卻單元及變頻器控制系統(tǒng)等，電機沒考慮。為使計算結果更直觀，該文獻在介紹比較果時采用相對MTBF，以無冗余3L-NPC變頻器的MTBF值為100％，其它變頻器與之相比較。比較結果如下：

    1)無冗余之四種變頻器的相對平均故障間隔時間MTBF示于圖15，彼此相差不大，都較可靠。

圖15無冗余變頻器的相對MTBF

    2)有k+1和k+2冗余的級聯型M2C及CHB變頻器的MTBF大幅提高，效果顯著，可靠性遠超3L-NPC和5L-HNPC變頻器。3L-NPC變頻器的冗余代價高，且效果不明顯，k+2反而不如k+1，這是由于實現冗余的復雜性所致。5L-HNPC變頻器不適合冗余。

圖16無冗余及有冗余(k+1和k+2)變頻器的相對MTBF

    3)如果控制系統(tǒng)也有冗余，MTBF可增加16—20％。

Ⅶ.西門子公司的GH150系列M2C變頻器

    西門子公司的GH150系列變頻器是進入調速市場的首款M2C變頻器，目前只看到其它公司類似變頻器的研究報告，未見產品。由于M2C調速系統(tǒng)的低速轉矩<額定轉矩，所以西門子公司把GH150的應用領域限制在大功率油氣壓縮機、泵和風機等設備的電機驅動，它們調速范圍不大，且起動轉矩小。

    M2C和CHB變頻器都基于功率單元級聯，具有相同的優(yōu)良輸出性能：輸出電壓高、諧波和dv/dt小、使用普通電機、適合長電纜運行和支持功率單元冗余等。西門子公司己經有CHB變頻器系列產品GH180，被人們熟悉和廣泛應用，這次又推出M2C的原因是：用增加約40％器件芯片總面積的代價，換取電網側變壓器和整流電源的簡化及靈活性。M2C有公共直流母線，可以通過加裝制動單元和電阻吸收電動機制動能量，從而實現快速制動，這性能對機械慣量大的風機很重要。

    目前GH150中逆變器的指標：功率4—13.3MVA，可擴展至30MVA；電壓4.16—7.2kV；采用價廉、可靠的1.7kV低壓IGBT；6—7.2kV變頻器的cell(雙模塊)數=36，級聯數k=6；輸出電壓電平數=13(相)25(線)；水冷散熱，未凈化水的入口溫度35℃，最大47℃。規(guī)劃指標(單套)：功率52MVA；電壓12kV。GH150的網側變壓器和整流電源根據用戶需要靈活配置：變壓器可干式或油浸，戶內或戶外；整流電源脈波數12—36。GH150變頻柜及功率單元(cell)外形示于圖17。

a)變頻柜

b)cell

圖17GH150變頻柜及cell外形

    GH150的部分應用案例：

Part-2結論

    西門子公司推出一款基于M2C技術的GH150系列調速變頻器，在獲得和CHB同樣優(yōu)良性能的基礎上，用增加約40％器件芯片總面積的代價，換取電網側變壓器和整流電源的簡化及靈活性。CHB和M2C的原理、特點及它們的比較己經在本文PART-1中介紹。在本PART中討論了下列幾個問題：

    A.M2C存在低頻運行問題，可通過注入諧波解決，但它的低速持續(xù)運行轉矩<額定轉矩，適用于壓縮機、泵、風機等調速應用。

    B.文中介紹了另外兩種常用中壓變頻器，3L-NPC和5L-HNPC，并與M2C和CHB作比較。3L-NPC因其輸出電壓不滿足電壓等級國標要求、諧波及dv/dt大、使用特殊電機等缺點，不宜用于壓縮機、泵和風機等設備。5L-HNPC只是3L-NPC的改進，未能完全解決它的問題。

    C.M2C和CHB是級聯型變頻器，可以通過“單元冗余及旁路”技術大幅提高它們的可靠性。為此西門子開發(fā)了專用快速旁路接觸器，實現M2C無轉速和轉矩下降的“無縫”旁路操作。文中示出四種中壓變頻器的平均故障間隔時間MTBF的定量分析結果。