引言

油氣壓縮機(jī)、泵和風(fēng)機(jī)等設(shè)備的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速平方成比例，功率與轉(zhuǎn)速立方成比例，采用變頻調(diào)速后節(jié)能效果顯著，還能通過(guò)調(diào)速快速、精準(zhǔn)地控制壓力和流量，改善生產(chǎn)過(guò)程，因此近年來(lái)該技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，特別是在大功率(>5MW)領(lǐng)域。

適合大功率油氣壓縮機(jī)、泵和風(fēng)機(jī)調(diào)速用的中壓(1-20kV)*變頻器種類很多[1-6]，常用的是兩電平H橋級(jí)聯(lián)變頻器(CHB)和中點(diǎn)鉗位三電平變頻器(3L-NPC)[1,5,6]。3L-NPC(圖1a)進(jìn)入中壓變頻市場(chǎng)最早，它有許多優(yōu)點(diǎn)：線路簡(jiǎn)單，開關(guān)器件數(shù)量少，只需一套整流電源，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)能量吸收或回饋容易等。3L-NPC在國(guó)外應(yīng)用廣泛，但在國(guó)內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)中卻屢屢敗于CHB，主要原因有二：輸出電壓低，達(dá)不到6kv，不滿足我國(guó)中壓電壓等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；電平數(shù)少，dv/dt高及諧波大，要求使用特殊電動(dòng)機(jī)。ABB和日本TMEIC公司為適應(yīng)中國(guó)市場(chǎng)對(duì)6kv的需求，利用己有的中點(diǎn)鉗位三電平技術(shù)和相支路(phase-leg)功率組件(PEBB)推出改進(jìn)產(chǎn)品—基于三電平H橋的五電平變頻器5L-HNPC(圖1b)[2,3,6]。它的額定輸出電壓為6(6.9)kV，雖然符合國(guó)標(biāo)的保留電壓等級(jí)，但低于國(guó)標(biāo)推薦的10kV，對(duì)功率接近和超過(guò)10MW的大功率裝置來(lái)說(shuō)6kV仍偏低；輸出電壓電平數(shù)從3增至5，諧波減小，但dv/dt值沒(méi)降，電機(jī)仍需加強(qiáng)絕緣。盡管只是改進(jìn)產(chǎn)品，還是受國(guó)內(nèi)不少用戶歡迎，在大功率節(jié)能調(diào)速領(lǐng)域占一席之地。兩電平H橋級(jí)聯(lián)變頻器CHB(圖1c)[1,5,6,10]在我國(guó)應(yīng)用最廣泛，因?yàn)椋和ㄟ^(guò)增加H橋功率單元(cell)的串聯(lián)級(jí)數(shù)可提高額定輸出電壓至6kV、10kV或更高；電網(wǎng)側(cè)和輸出側(cè)諧波小，號(hào)稱“完美無(wú)諧波”；采用價(jià)廉、可靠的1700V低壓IGBT，dv/dt小，使用普通電機(jī)。盡管它的性能優(yōu)良，但因cell數(shù)量多帶來(lái)3個(gè)弱點(diǎn)：電網(wǎng)側(cè)變壓器副方繞組多，加之移相要求，設(shè)計(jì)和制造困難，干式變壓器的體積、重量、價(jià)格和可靠性都比常規(guī)油浸變壓器差很多；貯能電容器能量大、數(shù)量多，常用電解電容器，可靠性不如薄膜電容；整流電源數(shù)多，實(shí)現(xiàn)電機(jī)制動(dòng)能量吸收或回饋麻煩。除上述3種外，還有幾種中壓變頻器，例如電容鉗位4電平變頻器、PWM電流型變頻器及有源中點(diǎn)和電容混合鉗位5電平變頻器等，因其應(yīng)用很少，本文不討論它們。

(a)3L-NPC

(b)5L-HNPC

(c)CHB

圖1三種目前常用的大功率中壓變頻器

模塊化多電平變換器M2C(ModularMultilevelConverter，又稱MMC)是另一種電壓型級(jí)聯(lián)多電平PWM變換器[3,4,7]，它既可用作電網(wǎng)側(cè)整流器也可用作負(fù)載側(cè)逆變器。與CHB相同，M2C也是基于模塊化功率單元(cell)串聯(lián)的變頻器，可以通過(guò)增加串聯(lián)級(jí)數(shù)提高輸出電壓，滿足我國(guó)中壓電壓等級(jí)較高(6和10kV)的要求，其性能也同樣優(yōu)秀。與CHB不同，三相M2C逆變器有公共直流母線，因此在電網(wǎng)側(cè)可以采用集中的整流器(例如不可控整流電源、PWM整流電源及IGBT整流/回饋電源等)向其供電，從而大量減少變壓器繞組及整流電源數(shù)量，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。如果電網(wǎng)側(cè)也用M2C整流，則可以無(wú)變壓器，還能四象限運(yùn)行。M2C已經(jīng)成功用于直流輸電，2006年前后西門子公司率先推出HVDCPLUS系統(tǒng)，用于美國(guó)和歐洲，我國(guó)也自行開發(fā)出這類產(chǎn)品，用于多條柔性直流輸電線路，容量達(dá)1000MW。人們希望把M2C技術(shù)用于變頻調(diào)速，簡(jiǎn)化變壓器和整流電源，甚至無(wú)變壓器，但存在一個(gè)技術(shù)障礙—低頻運(yùn)行問(wèn)題。針對(duì)這問(wèn)題己經(jīng)有一些對(duì)策，不久前西門子公司開發(fā)出適合調(diào)速用的系列產(chǎn)品GH150。

本文介紹M2C變頻器的原理及低頻問(wèn)題對(duì)策，並與前述三種常用的大功率中壓變頻器作比較。由于M2C與CHB相似，而CHB已在我國(guó)得到最廣泛應(yīng)用及為人們所熟悉，所以在介紹M2C前先簡(jiǎn)單提及CHB，從二者的相同和不同入手說(shuō)明M2C的原理，然后再與其它變頻器比較。為幫助理解各種變頻器的優(yōu)缺點(diǎn)，在評(píng)價(jià)之前先說(shuō)明大功率油氣壓縮機(jī)、泵和風(fēng)機(jī)用中壓變頻器需要關(guān)注的幾個(gè)問(wèn)題。

由于本文篇幅較長(zhǎng)，把它分為Part-1和Part-2兩部分，在Part-1中介紹中壓變頻器需要關(guān)注的幾個(gè)問(wèn)題，CHB和M2C變頻器的原理、特點(diǎn)及它們的比較，其它內(nèi)容在Part-2中介紹，參考文獻(xiàn)也在Part-2中。

*在電壓等級(jí)的規(guī)范中1-20kV是中壓，許多人習(xí)慣稱它為高壓，本文在除標(biāo)題外的正文中按規(guī)范稱中壓。

一.大功率油氣壓縮機(jī)、泵和風(fēng)機(jī)用中壓變頻器需要關(guān)注的幾個(gè)問(wèn)題

1.中壓電壓等級(jí)

中壓指1—20kV電壓。我國(guó)的中壓電壓等級(jí)與歐美國(guó)家差別大。歐美有2.3kV、3.3kV、4.16kV、6(6.6)kV和10(11)kV等多種等級(jí)，它們多用3.3和4.16kV變頻器，極少用≥6kV的變頻器。我國(guó)的中壓電壓等級(jí)只有6和10kV，無(wú)<6kV的等級(jí)，其中6kV還是不推薦使用的保留等級(jí)。我國(guó)的中壓電壓等級(jí)高，對(duì)變頻器選型影響很大，是歐美市場(chǎng)熱銷的變頻器在中國(guó)不被看好的主要原因。

電壓等級(jí)低導(dǎo)致電纜和電機(jī)導(dǎo)線截面大，給產(chǎn)品制造和安裝帶來(lái)許多困難，損耗也大。功率越大，宜選用越高等級(jí)電壓。如果功率接近和超過(guò)10MW，最好選用10kV。

2.負(fù)載特性

負(fù)載特性指負(fù)載機(jī)械的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速關(guān)系。油氣壓縮機(jī)、泵和風(fēng)機(jī)等設(shè)備的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速平方成比例，功率與轉(zhuǎn)速立方成比例，因此工作所需的調(diào)速范圍小，大多<30％，個(gè)別<50％，起動(dòng)時(shí)基本空載，不需要高于額定轉(zhuǎn)速的恒功率調(diào)速。這類機(jī)械一般不要求快速電氣制動(dòng)，但某些風(fēng)機(jī)有此要求，因其機(jī)械慣量大，自由停車時(shí)間長(zhǎng)，若遇緊急情況停不下來(lái)易出事故。

3.變頻器輸出電壓的電平數(shù)N和PWM調(diào)制頻率fmod

變頻器輸出電壓和電流波形示于圖2。電壓由多級(jí)階梯狀PWM方波構(gòu)成，稱電壓水平的總數(shù)為電平數(shù)N，它等于階梯數(shù)+1。有兩個(gè)電平數(shù)：相電壓電平數(shù)Nph和線電壓電平數(shù)NL，NL=2Nph-1。前面提到的三電平和五電平變頻器均指Nph。PWM調(diào)制頻率fmod指PWM方波頻率。電平數(shù)越多，PWM調(diào)制頻率越高，一個(gè)基波周期中PWM方波數(shù)越多，電壓波形越接近正弦，其諧波越小。

因電機(jī)繞組的漏感有濾波作用，電流被濾成連續(xù)的鋸齒狀正弦波，鋸齒幅值大小與電平數(shù)N及PWM方波頻率fmod有關(guān)，N越多，fmod越高，鋸齒幅值越小，電流諧波越小。由諧波引起的電機(jī)附加損耗與電流諧波直接相關(guān)。

圖2變頻器輸出電壓和電流波形

(1800KW/2400V)

4.變頻器輸出電壓的dv/dt危害[6]

變頻器輸出電壓波形是前后沿非常陡峭的PWM方波，電壓變化率dv/dt很高，這種方波電壓在電纜和電動(dòng)機(jī)中以波的形式傳輸，傳輸速度150m//ms(光速的一半)，電路中的分布參數(shù)(寄生電容、電感)都在起作用，參見圖3。這種傳輸導(dǎo)致：

l由于波的反射，在電機(jī)端部出現(xiàn)電壓振蕩，引起過(guò)電壓，最嚴(yán)重時(shí)過(guò)壓的尖峰值=電壓跳變幅值DVstep，損害電動(dòng)機(jī)絕緣；

l如果電纜過(guò)長(zhǎng)，入射波和反射波在電纜中某處相遇、疊加形成駐波，會(huì)造成此處過(guò)電壓，損壞電纜；

l寄生電容的充放電電流流過(guò)IGBT器件，帶來(lái)附加電流沖擊，限制電纜長(zhǎng)度。

圖3變頻器輸出電壓傳輸圖

另外，變頻器工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)繞組對(duì)地間存在共模電壓。這共模電壓通過(guò)寄生電容在電動(dòng)機(jī)軸上感應(yīng)出軸電壓。變頻器輸出電壓階梯跳變幅值DVstep越大，dv/dt越高，軸電壓越高。若油膜不能承受這電壓而被擊穿，則通過(guò)軸承和電機(jī)外殼流過(guò)軸電流，損害軸承。

有兩條消除dv/dt危害的途徑：一是在變頻器輸出端加裝龐大的濾波器，降低dv/dt值，代價(jià)較高；另一是增加變頻器輸出電壓的電平數(shù)N，減小電壓階梯跳變幅值DVstep在總輸出電壓中占的比例。

5.電網(wǎng)側(cè)交流進(jìn)線功率因數(shù)和電流諧波

由于油氣壓縮機(jī)等設(shè)備沒(méi)有把電動(dòng)機(jī)制動(dòng)能量回饋給電網(wǎng)的要求，變頻器的整流電源多采用不可控整流器。因不可控整流器不移相，其功率因數(shù)>0.9，滿足國(guó)標(biāo)對(duì)功率因數(shù)的要求。為滿足國(guó)標(biāo)對(duì)電網(wǎng)側(cè)電流諧波的要求，需采用整流脈波數(shù)m≥12的不可控整流器。脈波數(shù)m越大，最低的諧波頻率越高、幅值越小。通常采用24脈波整流就能滿足國(guó)標(biāo)要求。

從理論上說(shuō)選用更大的脈波數(shù)(例如30或36等)能使諧波更小，但由于網(wǎng)側(cè)整流變壓器多套副方繞組間的移相及幅值誤差，實(shí)際的諧波減小效果不大。為減小電流諧波，曾經(jīng)有些項(xiàng)目采用PWM整流(AFE)。從理論上說(shuō)AFE的網(wǎng)側(cè)電流為正弦波，諧波很小，但由于中壓AFE使用的高壓開關(guān)器件(IGBT或IGCT)的開關(guān)頻率低，實(shí)際的諧波和18脈波整流差不多。

二.H橋級(jí)聯(lián)變頻器(CHB)

CHB的每一相都由多個(gè)H橋功率單元(cell)串聯(lián)構(gòu)成(圖1c)，串聯(lián)級(jí)數(shù)k取決于變頻器額定輸出電壓。通常每個(gè)H橋由4個(gè)價(jià)廉、可靠的1700V低壓IGBT構(gòu)成，並用獨(dú)立的、此彼隔離的整流電源供電。

每個(gè)H橋由a(Sx1)和b(Sx2)兩個(gè)并聯(lián)的相支路構(gòu)成(x=1…k—單元序號(hào)，見圖1c)，每個(gè)支路輸出Vdc和0兩個(gè)電平，兩個(gè)支路合在一起橋輸出3種電平：+Vdc、-Vdc和0電平(Vdc—H橋直流母線電壓，約1000V)。一個(gè)開關(guān)周期的H橋相支路輸出(vax=DaVdc，vbx=DbVdc，Da和Db分別是a和b支路的占空比)和橋輸出vox=vax-vbx電壓波形繪于圖4。由圖知：若a支路和b支路的占空比Da=Db=0.5，則橋輸出電壓vox=0；若a支路的占空比Da=0.5+DD，b支路的占空比Db=0.5-DD，則在DD>0時(shí)，vox=2DDVdc>0(一個(gè)開關(guān)周期平均值)，是在0和+Vdc間跳變的方波，在DD<0時(shí)，vox=2DDVdc<0，是在0和-Vdc間跳變的方波；若DD按正弦規(guī)律變化，則橋輸出電壓vox為正弦電壓，最大有效值約700V。從圖中還看出，vox的方波頻率=2×開關(guān)頻率(2倍頻)。

(vax—a支路輸出，vbx—b支路輸出，vox—H橋輸出電壓)

圖4一個(gè)開關(guān)周期(Ts)的H橋相支路輸出和橋輸出電壓波形

k個(gè)H橋串聯(lián)后變頻器輸出相電壓為每個(gè)橋的k倍，從而實(shí)現(xiàn)中壓變頻。變頻器輸出相電壓的電平數(shù)N=2k+1(一個(gè)橋有3個(gè)電平，每多串聯(lián)一個(gè)橋增加2個(gè)電平，例如k=3時(shí)相電壓有7個(gè)電平)，輸出電壓諧波和dv/dt小。由于每個(gè)H橋都由獨(dú)立的整流電源供電，H橋中每個(gè)開關(guān)器件承受的都是獨(dú)立電源的電壓Vdc(低壓)，橋串聯(lián)后器件不存在均壓?jiǎn)栴}。在PWM調(diào)制時(shí)，讓每相中各串聯(lián)橋的開關(guān)周期Ts的起點(diǎn)順序、均勻的錯(cuò)開Ts/k時(shí)間，這樣相輸出電壓波形中方波脈沖的頻率(PWM調(diào)制頻率fmod)是單個(gè)橋的k倍。因單個(gè)橋輸出電壓波形中方波脈沖的頻率=2×開關(guān)頻率，故相電壓的fmod是器件開關(guān)頻率的2k倍，例如k=3時(shí)，若各橋開關(guān)頻率都是500Hz，則相輸出電壓的fmod為3000Hz，以較低器件開關(guān)頻率(開關(guān)損耗小)獲得較高fmod，輸出波形諧波小。

CHB的優(yōu)點(diǎn)：

1)使用廉價(jià)、可靠的1700V低壓IGBT器件，通過(guò)H橋級(jí)聯(lián)，不需要均壓措施，輸出中壓，可以≥10kV。

2)輸出電壓電平數(shù)N多，PWM調(diào)制頻率fmod高，電壓畸變率小，電流諧波及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小；由于使用低壓IGBT，電壓波形的每次跳變幅值DVstep小(DVstep=Vdc≤1000V)及dv/dt小，帶來(lái)許多好處：普通中壓電動(dòng)機(jī)能承受，不用加強(qiáng)絕緣，軸電壓小，無(wú)軸電流問(wèn)題；電纜寄生電容引起的附加電流沖擊小，允許電纜長(zhǎng)度>1000m。

3)電網(wǎng)側(cè)整流橋數(shù)多，通過(guò)電網(wǎng)側(cè)變壓器副方繞組移相，等效整流脈波數(shù)多(每個(gè)橋6脈波整流，k組移相后6k脈波整流)，交流進(jìn)線電流諧波小，功率因數(shù)>0.9。

基于上述優(yōu)點(diǎn)，有人稱它為“完美無(wú)諧波變頻器”。

CHB的問(wèn)題：

1)電網(wǎng)側(cè)變壓器副方繞組數(shù)量多(3k組)，加之移相要求，設(shè)計(jì)和制造困難。由于副方繞組和功率單元之間的電纜太多，該變壓器需緊靠功率單元柜布置，放在控制室內(nèi)。為滿足防火要求，它必需是干式變壓器，體積、重量、價(jià)格和可靠性都比常規(guī)油浸變壓器差很多。干式變壓器在室內(nèi)，不僅占據(jù)大量寶貴的控制室面積(變壓器面積約為變頻器總面積的一半)，還向控制室排放大量熱量，增加冷卻通風(fēng)負(fù)擔(dān)。這是CHB的主要問(wèn)題。

2)H橋是單相逆變橋，它的直流輸入電流中有2倍輸出頻率的大幅交流分量**，因其頻率低及幅值大，濾平直流電壓(滿足Vdc脈動(dòng)幅值<允許值要求)所需之貯能電容能量大(遠(yuǎn)大于三相逆變器)，加之H橋數(shù)多，電容器數(shù)量多，常釆用體積小、電容量大、壽命不如薄膜電容的電解電容器，它是裝置的主要薄弱點(diǎn)。

3)整流電源數(shù)量多(3k套)又彼此隔離，很難裝設(shè)那么多套吸收電動(dòng)機(jī)動(dòng)能的制動(dòng)單元和電阻，無(wú)法實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)需要的快速電氣制動(dòng)。

上述問(wèn)題都源自網(wǎng)側(cè)變壓器的復(fù)雜和整流電源數(shù)量多。

(**逆變橋直流輸入電流與其輸出功率成比例，單相交流功率含2倍輸出頻率的大幅交流分量)

三.模塊化多電平變換器M2C原理及特點(diǎn)

模塊化多電平變換器M2C(ModularMultilevelConverter，又稱MMC)是另一種電壓型級(jí)聯(lián)多電平PWM變換器，它既可用作電網(wǎng)側(cè)整流器也可用作負(fù)載側(cè)逆變器。與CHB相同，M2C也是基于模塊化功率單元串聯(lián)的變頻器，可以通過(guò)增加串聯(lián)級(jí)數(shù)提高輸出電壓，滿足我國(guó)中壓電壓等級(jí)較高(6和10kV)的要求及獲得優(yōu)良性能。與CHB不同，三相M2C有公共直流母線，因此在電網(wǎng)側(cè)可以采用集中的整流器(例如不可控整流電源、PWM整流電源及IGBT整流/回饋電源等)向其供電，從而大量減少變壓器繞組及整流電源數(shù)量，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。如果電網(wǎng)側(cè)也用M2C整流，則可以無(wú)變壓器，還能四象限運(yùn)行。

M2C的每個(gè)相支路由2k個(gè)功率單元cell(又稱子模塊SM)和一個(gè)限制環(huán)流的中點(diǎn)抽頭電抗器串聯(lián)構(gòu)成。串聯(lián)級(jí)數(shù)k取決于變頻器的額定輸出電壓。8個(gè)單元(k=4)級(jí)聯(lián)的M2C三相變換器(逆變或整流)及其功率單元cell示于圖5。有兩種功率單元：?jiǎn)文K和雙模塊。單模塊在許多文獻(xiàn)中都有介紹，用于直流輸電系統(tǒng)，雙模塊少見報(bào)導(dǎo)，用于西門子公司的調(diào)速變頻器GH150，本文后續(xù)介紹將基于雙模塊。

(a)M2C三相變換器

(b)功率單元cell(下標(biāo)j=1…2k—單元序號(hào))

圖58單元(k=4)級(jí)聯(lián)的M2C三相變換器及其功率單元cell

雙模塊cell由兩個(gè)斬波開關(guān)串聯(lián)構(gòu)成，稱上開關(guān)為Sj1及下開關(guān)為Sj2，每個(gè)斬波開關(guān)中有兩個(gè)IGBT，定義上IGBT導(dǎo)通為1態(tài)，下IGBT導(dǎo)通為0態(tài)。若兩個(gè)電容電壓vC1.j=vC2.j=vC=1，4個(gè)IGBT組合出4種工作狀態(tài)，3種端口電壓vj，見表1。

表1  4種工作狀態(tài)和3種端口電壓

這些開關(guān)都按脈寬調(diào)制(PWM)模式工作，占空比D=T1/Ts(T1—1態(tài)持續(xù)時(shí)間，Ts—開關(guān)周期)。

為幫助理解M2C的工作原理，在圖6中繪出2單元(k=1)的單相M2C電路及波形圖。在圖中用理想開關(guān)代替IGBT，并忽略負(fù)載電流引起的電容電壓波動(dòng)。開始工作前(初始狀態(tài))，所有cell中電容都充電至Vc=Vdc/2=(VP-VN)/2=1(所有電容電壓之和=2Vdc=4)，所有開關(guān)的占空比均為0.5，cell1的端口電壓v1=cell2的端口電壓v2=1，這時(shí)該k=1單相M2C的輸出vo=0。開始工作后，開關(guān)S11和S22的占空比D11=D22=0.5-DD，S12和S21的占空比D12=D21=0.5+DD。按表1所示關(guān)系繪v1和v2曲線：在DD>0時(shí)，v1減小及v2增大，vo=2DDVc>0(一個(gè)開關(guān)周期平均值)，是在0和+Vc間跳變的方波；在DD<0時(shí)，v1增大及v2減小，vo=2DDVc<0，是在0和-Vc間跳變的方波。若DD按正弦規(guī)律變化，則相輸出電壓vo為正弦電壓，最大峰值=Vc。從圖中還看出，vo的方波頻率=2×開關(guān)頻率(2倍頻)。

圖6  2單元(k=1)的單相M2C電路及波形圖

比較圖4和圖6知：如果電容和IGBT電壓相同，k=1單相M2C的輸出電壓大小和波形與GHB中單個(gè)H橋的輸出電壓大小和波形相同，因此k級(jí)串聯(lián)的H橋與k級(jí)串聯(lián)M2C的輸出相同。和CHB一樣，也令M2C各級(jí)cell中的PWM信號(hào)彼此相位錯(cuò)開Ts/k(上臂和下臂對(duì)應(yīng)cell的PWM信號(hào)同相位)，則輸出相電壓的電平數(shù)N=2k+1，PWM調(diào)制頻率fmod=2k/Ts，是器件開關(guān)頻率fs的2k倍。k=3(6單元)和fs=500Hz的M2C輸出相電壓仿真波形示于圖7，輸出相壓的電平數(shù)N=7，PWM調(diào)制頻率fmod=3000Hz。

圖7k=3和fs=500Hz的M2C輸出相電壓仿真波形

從圖6還看出，限制環(huán)流電抗器兩端電壓vab=0，且與DD和輸出電壓無(wú)關(guān)，因此限制環(huán)流電抗器的電感值不大。計(jì)及負(fù)載電流引起的電容電壓波動(dòng)后，vab≠0，其大小隨電容電壓波動(dòng)量增大而加大。

和CHB不同，CHB中每個(gè)H橋使用4個(gè)IGBT和1個(gè)電容，而k=1單相M2C需8個(gè)IGBT和4個(gè)電容，IGBT數(shù)量加倍，電容數(shù)量為4倍。在CHB變頻器中全部輸出電流都從H橋中的IGBT流過(guò)，而在M2C變頻器中輸出電流由上下兩臂的IGBT共同提供，因此M2C中IGBT的額定電流比H橋小(計(jì)及環(huán)流，不是減半)，相應(yīng)M2C中單個(gè)電容的電容量也比H橋小。根據(jù)西門子公司的計(jì)算[16]，相同輸出電壓和電流的變頻器，M2C使用的電力電子器件芯片總面積比H橋大約40％(它反映器件總價(jià)格)。由于M2C可以承受較高直流電壓脈動(dòng)，它的電容總能量(它反映電容總價(jià)格)反而比CHB小(約40％)[16]。

以u(píng)相為例，M2C的上臂和下臂電流分別為iPu和iNu(見圖5a)，相輸出電流iu=iPu-iNu，環(huán)流iZu=(iPu+iNu)/2。環(huán)流iZu中的直流分量影響該相支路所有cell中電容的充放電，直流分量增大，所有電容總電壓加大，反之則減小，因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)此直流分量維持所有電容總電壓=2Vdc。為使所有電容彼此之間的電壓均衡，需通過(guò)各電容實(shí)際電壓與其期望值(Vdc/2k)之偏差來(lái)進(jìn)行均衡控制。為此在產(chǎn)生占空比DD的控制信號(hào)中，除了控制正弦輸出電壓的信號(hào)外，還要加入電容總電壓控制及其均衡控制信號(hào)[12]。

由于M2C每個(gè)cell中都有貯能電容，相支路中又有環(huán)流電抗，所以公共直流母線上不需要再接直流貯能電容。

M2C變頻器與CHB變頻器的比較：

1)二者的逆變部分都是基于模塊化功率單元串聯(lián)的電壓型PWM逆變器，可以通過(guò)增加串聯(lián)級(jí)數(shù)提高輸出電壓，滿足我國(guó)中壓電壓等級(jí)較高(6和10kV)的要求。在器件和電容電壓相同及串聯(lián)級(jí)數(shù)k一樣時(shí)，二者輸出電壓的大小和波形相同，因此電平數(shù)、PWM調(diào)制頻率、波形總畸變率和dv/dt一樣，都可以使用普通電機(jī)、無(wú)軸電流問(wèn)題及允許電纜長(zhǎng)度>1000m。

2)和CHB不同，M2C有公共直流母線，在電網(wǎng)側(cè)可以采用集中的整流器(例如不可控整流電源、PWM整流電源及IGBT整流/回饋電源等)向其供電，從而大量減少變壓器繞組及整流電源數(shù)量，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。只要整流電源的脈波數(shù)≥24，就能滿足電網(wǎng)諧波的國(guó)標(biāo)要求。整流電源數(shù)量少，裝設(shè)制動(dòng)單元和電阻容易，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)快速制動(dòng)要求。如果電網(wǎng)側(cè)也用M2C整流，則可以無(wú)變壓器，還能四象限運(yùn)行，如西門子可定制的SM120CM高壓變頻器。

3)M2C的電網(wǎng)側(cè)變壓器副方繞組及從其到功率單元柜的電纜數(shù)量減少后，可以使用常規(guī)油浸變壓器并置于控制室外，從變壓器的體積、重量、價(jià)格及控制室的建筑面積和冷卻通風(fēng)諸方面均獲益，可靠性也得到改善。

4)上述收益是有代價(jià)的。與CHB相比，同樣電壓和電流的M2C變頻器需要的開關(guān)器件數(shù)量加倍，器件芯片總面積(它反映器件總價(jià)格)增加約40％[16]。

5)與CHB相比，同樣電壓和電流的M2C裝置需要的貯能電容數(shù)量增至4倍，但電容總能量(它反映電容總價(jià)格)反而比CHB小[16]。也就是說(shuō)每個(gè)功率單元中的電容器能量小，可以使用比電解電容體積大但壽命長(zhǎng)的薄膜電容。

小結(jié)

H橋級(jí)聯(lián)變頻器CHB性能好，在我國(guó)應(yīng)用最廣泛，但電網(wǎng)側(cè)的多繞組移相變壓器和整流電源過(guò)于龐大和復(fù)雜。西門子公司把成功用于直流輸電的模塊化多電平變換M2C技術(shù)移植過(guò)來(lái)，推出GH150系列調(diào)速變頻器，在獲得和CHB同樣優(yōu)良性能的基礎(chǔ)上，用增加約40％器件芯片總面積的代價(jià)，換取電網(wǎng)側(cè)變壓器和整流電源的簡(jiǎn)化及靈活性。在本Part中介紹了評(píng)價(jià)中壓變頻器需要關(guān)注的幾個(gè)問(wèn)題，并討論了M2C和CHB變頻器的原理、特點(diǎn)及它們的比較。

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