劉斌，張登山，Stephan Busse，李季，Andreas Muenzebrock

（1.西門子（中國）有限公司，上海，200082；2.西門子（中國）有限公司，北京 100102；3.西門子，紐倫堡 90459；4.西門子，匹茲堡 15239）

西門子新一代多功能型模塊化多電平高壓變頻器

劉斌1，張登山2，Stephan Busse3，李季4，Andreas Muenzebrock1

（1.西門子（中國）有限公司，上海，200082；2.西門子（中國）有限公司，北京 100102；3.西門子，紐倫堡 90459；4.西門子，匹茲堡 15239）

模塊化多電平變換器（M2C）不僅具有模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，而且具有公共的直流母線和交流側(cè)，可以直接應(yīng)用于中高壓大功率有功變換場(chǎng)合。西門子已于2010年首次成功將該拓?fù)鋺?yīng)用于高壓直流輸電，并基于該拓?fù)溟_發(fā)了高壓大功率電機(jī)傳動(dòng)應(yīng)用的變頻器，該變頻器具有更加快速可靠的單元旁路、更加靈活的變壓器設(shè)計(jì)和布局（如變壓器柜與功率單元柜分離放置）等特點(diǎn)。詳細(xì)介紹了M2C拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)與原理；并對(duì)M2C高壓變頻器和目前工業(yè)應(yīng)用的主要高壓變頻器的系統(tǒng)可靠性進(jìn)行了比較分析；最后介紹了西門子新一代多功能型模塊化多電平高壓變頻器SINAMICS GH150的技術(shù)特點(diǎn)。

半橋子模塊；模塊化多電平變流器；高壓變頻器；高壓直流輸電；可靠性；平均無故障時(shí)間（MTBF）

模塊化多電平變換器（M2C）得益于其模塊化特征，具有良好的電壓和功率擴(kuò)展能力、交流側(cè)電壓畸變率小、良好的冗余特性及靈活的前端配置等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是未來最典型的應(yīng)用于高壓場(chǎng)合的電力電子變換拓?fù)渲唬?-12］。M2C在參數(shù)設(shè)計(jì)、環(huán)流抑制、子模塊電容均壓、系統(tǒng)啟動(dòng)控制、電壓調(diào)制策略、容錯(cuò)運(yùn)行、低頻運(yùn)行特性等方面已有廣泛而深入的研究［1-2，4，8，11，13］。西門子已于2010年首次成功將該拓?fù)鋺?yīng)用于高壓直流輸電［10］，現(xiàn)基于該拓?fù)溟_發(fā)了高壓變頻器、致力于高壓大功率電機(jī)傳動(dòng)應(yīng)用——在船舶發(fā)電、測(cè)試臺(tái)、壓縮機(jī)、高爐鼓風(fēng)機(jī)等負(fù)載已有成功應(yīng)用案例。

為此，本文首先詳細(xì)介紹了M2C拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)與原理；并比較分析了M2C高壓變頻器和目前工業(yè)應(yīng)用的主要高壓變頻器的系統(tǒng)可靠性；最后介紹了西門子新一代多功能型模塊化多電平高壓變頻器SINAMICS GH150的技術(shù)特點(diǎn)。

1　M2C拓?fù)浠驹砑疤攸c(diǎn)

模塊化多電平變換器（M2C）自提出以來，經(jīng)過不斷發(fā)展，衍生出了許多子拓?fù)?，如采用不同的子模塊——全橋模塊、鉗位型三電平模塊等［8］；典型的M2C結(jié)構(gòu)如圖1所示，每相由上下2個(gè)橋臂組成，每個(gè)橋臂由n個(gè)完全一致的子模塊串聯(lián)而成，以及1個(gè)橋臂電抗器L，每相輸出由2個(gè)橋臂電抗器之間引出。子模塊（SM），包括1個(gè)電容CSM，2個(gè)全控型功率器件IGBT；在正常情況下，任意時(shí)刻，2個(gè)IGBT僅有1個(gè)開通，另一只處于關(guān)斷狀態(tài)：當(dāng)上管開通、下管關(guān)斷時(shí)，該子模塊輸出電壓為Vo=Vc；當(dāng)上管關(guān)斷、下管開通時(shí)，該子模塊輸出電壓為Vo=0。但M2C在暫態(tài)運(yùn)行過程中，子模塊存在3種工作狀態(tài)［10］：即續(xù)流導(dǎo)通狀態(tài)（或稱為閉鎖狀態(tài)）、電容投入狀態(tài)和電容切出狀態(tài)，如圖2所示。將n個(gè)子模塊串聯(lián)后，通過控制每個(gè)子模塊電容的投入與切出，即可實(shí)現(xiàn)輸出0～+n之間的任意電平、合成所需要的電壓，如圖3所示。

圖1　M2C拓?fù)浠窘Y(jié)構(gòu)Fig.1　M2C topology illustrate

圖2　半橋子模塊工作狀態(tài)Fig.2　Sub module working state

由上述分析可知，模塊化多電平變換器M2C具有如下主要特點(diǎn)：1）模塊化結(jié)構(gòu)——不受半導(dǎo)體器件的限制，而具有很好的電壓、功率及電平擴(kuò)展能力；2）交流側(cè)輸出多電平且易于電平擴(kuò)展——完美無諧波、對(duì)負(fù)載和電網(wǎng)友好；3）采用已經(jīng)工業(yè)驗(yàn)證的半導(dǎo)體器件、并具有良好的冗余特性；4）配置方式靈活、易實(shí)現(xiàn)不同的聯(lián)接方式；5）具有公共的直流母線和交流側(cè)，很容易實(shí)現(xiàn)高壓應(yīng)用和有功雙向傳送。

圖3　M2C交流側(cè)電壓合成示意圖Fig.3　Voltage synthesize method of M2C

2　高壓變頻器可靠性分析

高壓變頻器驅(qū)動(dòng)的高壓電動(dòng)機(jī)往往系統(tǒng)容量大、應(yīng)用工藝對(duì)可靠性要求高；系統(tǒng)停機(jī)或工藝流程的短時(shí)中斷都會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失、材料報(bào)廢，甚至人身傷亡。因此，在選擇高壓變頻器時(shí)，可靠性和可用性指標(biāo)倍受關(guān)注；但不同廠家的可靠性指標(biāo)大都基于不同的假設(shè)、計(jì)算方法也各有不同，很難將它們直接對(duì)比［14］。

本文針對(duì)表1中所列拓?fù)浜徒M件，對(duì)6.6 kV水冷型高壓變頻器系統(tǒng)可靠性進(jìn)行了比較分析。分析中假設(shè)所有變頻器的水冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)具有相同的可靠性，而側(cè)重于對(duì)不同拓?fù)浼捌湎鄳?yīng)特定組件的可靠性分析，主要包括：

1）電機(jī)側(cè)變換器。①功率單元相關(guān)的PCB電路，即帶內(nèi)部電源或冗余供電的單元控制板和帶隔離電源的高壓IGBT或IGCT的門極驅(qū)動(dòng)電路；②功率IGBT，IGCT，續(xù)流或尖峰抑制二極管和相關(guān)無源緩沖電路元器件；③直流母線儲(chǔ)能電容器；④各拓?fù)湎嚓P(guān)的特定元器件，如M2C的橋臂電抗器、H橋級(jí)聯(lián)型拓?fù)涞倪M(jìn)線熔絲等。

2）系統(tǒng)元器件。①網(wǎng)側(cè)進(jìn)線變壓器；②網(wǎng)側(cè)整流器，包括功率二極管和緩沖電路。

3）不包括輸出dv/dt或正弦濾波器。

對(duì)上述元器件分析中使用的故障率主要源于長期現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)、供應(yīng)商數(shù)據(jù)及相關(guān)應(yīng)用筆記和平均無故障時(shí)間的系統(tǒng)計(jì)算方法。對(duì)影響可靠性和可用性的關(guān)鍵器件進(jìn)行了單獨(dú)分析與考量［14］。在不考慮冗余配置的情況下，分析結(jié)果如圖4所示。

表1　6.6 kV高壓變頻器系統(tǒng)和主要組件表Tab.1　6.6 kV medium voltage topolgies and main components

圖4　不同拓?fù)渥冾l器系統(tǒng)的MTBF比較（非冗余）Fig.4　Relative MTBF for the different drive topologies （no redundancy）

結(jié)果表明：對(duì)比平均無故障時(shí)間（MTBF）可知，模塊化多電平變換器（M2C）和傳統(tǒng)H橋級(jí)聯(lián)型在可靠性方面略優(yōu)于其它拓?fù)?，但各拓?fù)涞目煽啃圆]有顯著的差異。

采用冗余配置時(shí)的分析結(jié)果如圖5所示。

圖5　不同拓?fù)渥冾l器系統(tǒng)的MTBF比較（含冗余）Fig.5　Relative MTBF for the different drive topologies（including cell/IGBT redundancy）

結(jié)果表明：1）模塊化多電平變換器（M2C）和傳統(tǒng)H橋級(jí)聯(lián)型在采用冗余配置時(shí)能極大地增加系統(tǒng)可靠性；2）中點(diǎn)可控式三電平（3L-NPP）雖然具有冗余配置的能力，但因其要求故障時(shí)相應(yīng)功率器件處于短路導(dǎo)通狀態(tài)，因此即使采用冗余配置——功率器件的驅(qū)動(dòng)電路故障時(shí)（非IGBT本身故障），仍不能保證冗余配置的可靠性——依然不能有效提高系統(tǒng)的可靠性；3）采用n+2冗余配置時(shí)，相比n+1冗余并不能有效地提高系統(tǒng)的可靠性、甚至低于n+1冗余的可靠性，如3L-NPP系統(tǒng)。這是因?yàn)椴捎萌哂嗯渲玫耐瑫r(shí)也增加了系統(tǒng)元器件的數(shù)量而對(duì)系統(tǒng)可靠性帶來一定的負(fù)面效應(yīng)。

3　西門子GH150高壓變頻器簡介

西門子推出的基于M2C拓?fù)涞乃湫蚐INAMICS GH150高壓變頻器示意圖如圖6所示，它采用了雙單元模塊化設(shè)計(jì)，輸出波形如圖7所示，適用于新建或改造項(xiàng)目。圖7中，線電壓Uline=6.6 kV，每相橋臂12個(gè)雙單元模塊，線電流Iph=1 100 A，cosφ=0.9，S=12.57 MV·A。它除具有M2C拓?fù)浔旧淼膬?yōu)勢(shì)外，還具有以下主要特性：1）變壓器、功率單元柜和控制柜三者之間可根據(jù)需求分開布置——適用于空間受限的現(xiàn)場(chǎng)，有利于優(yōu)化工廠設(shè)備布局、方便運(yùn)行控制、減少電氣室投資。2）靈活的變壓器設(shè)計(jì)，如兼容標(biāo)準(zhǔn)和移相變壓器，干式或油浸變壓器等。3）更加快速的單元旁路：整個(gè)旁路動(dòng)作時(shí)間小于1 ms（約為625 μs）；在配置冗余單元的情況下，旁路過程對(duì)負(fù)載幾乎無任何影響。4）前端維護(hù)設(shè)計(jì)，可靠墻放置。5）采用自愈式薄膜電容。6）可集成內(nèi)置制動(dòng)模塊，適用于快速可控的制動(dòng)應(yīng)用需求。

圖6　SINAMICS GH150原理示意圖Fig.6　SINAMICS GH150 single drive

圖7　GH150變頻器輸出波形Fig.7　GH150 drive output waveforms

4　結(jié)論

本文詳細(xì)分析了M2C的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、主要特點(diǎn)及其波形合成原理，并比較分析了M2C高壓變頻器和目前工業(yè)應(yīng)用的主要高壓變頻器的系統(tǒng)可靠性，最后介紹了基于這一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工業(yè)產(chǎn)品——西門子SINAMICS GH150高壓變頻器的技術(shù)特點(diǎn)，由上述分析可知：1）模塊化多電平變換器（M2C）具有模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有公共的直流母線和交流側(cè)，很容易實(shí)現(xiàn)高壓應(yīng)用和有功雙向傳送——配置方式靈活、易實(shí)現(xiàn)不同的聯(lián)接方式。2）比較分析了目前工業(yè)應(yīng)用的主要高壓變頻器的系統(tǒng)可靠性，分析表明：在不考慮冗余配置的情況下，模塊化多電平變換器（M2C）和傳統(tǒng)H橋級(jí)聯(lián)型在可靠性方面略優(yōu)于其它拓?fù)?，但各拓?fù)涞目煽啃圆]有顯著的差異；采用冗余配置時(shí)，模塊化多電平變換器（M2C）和傳統(tǒng)H橋級(jí)聯(lián)型能極大地增加系統(tǒng)可靠性，而其它拓?fù)洳痪哂羞@一特性。3）西門子SINAMICS GH150高壓變頻器致力于高壓大功率電機(jī)傳動(dòng)應(yīng)用，適用于新建或改造項(xiàng)目，并且具有更強(qiáng)大的功能、更加靈活的系統(tǒng)配置，如：更加快速的單元旁路功能（≤1 ms）、靈活的變壓器設(shè)計(jì)和工廠布局等。

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Siemens Next Versatile Medium Voltage Drive Based on M2C Topology

LIU Bin1，ZHANG Dengshan2，Stephan Busse3，LI Ji4，Andreas Muenzebrock1
（1.Siemens Ltd.，China，Shanghai 200082，China；2.Siemens Ltd.，China，Beijing 100102，China；3.Siemens AG，Nuernberg 90459，Germany；4.Siemens Industry，Inc.，Pittsburgh 15239，USA）

Modular multilevel Converter（M2C）not only benefits from its modular design but also distinguishes itself by common DC bus and input AC side，which enable it directly applied to high voltage active power convert. Siemens has made use of these attractive features and has already first high voltage direct current systems（HVDC）applications in operation since 2010.Now Siemens has developed a water cooled，medium voltage drive based on the M2C topology（SINAMICS GH150）serving the high power applications.It provides advanced features，such as a high speed cell bypass（activation in less than one millisecond）and more transformer flexibility.The aim of this article is to introduce the M2C principle and compare the reliability of current mainly used voltage source drive topologies.Then it briefly introduces the SINAMICS GH150 medium voltage drive.

half-bridge sub module；modular multilevel converter；medium voltage drive；high voltage direct current systems；reliability；mean time between failures（MTBF）

TM461

A

2015-09-25

劉斌（1985-），男，碩士研究生，工程師，Email：liubin_0733@126.com