引言

油氣壓縮機、泵和風機等設備的轉矩與轉速平方成比例，功率與轉速立方成比例，采用變頻調速后節(jié)能效果顯著，還能通過調速快速、精準地控制壓力和流量，改善生產過程，因此近年來該技術得到廣泛應用，特別是在大功率(>5MW)領域。

適合大功率油氣壓縮機、泵和風機調速用的中壓(1-20kV)*變頻器種類很多[1-6]，常用的是兩電平H橋級聯(lián)變頻器(CHB)和中點鉗位三電平變頻器(3L-NPC)[1,5,6]。3L-NPC(圖1a)進入中壓變頻市場最早，它有許多優(yōu)點：線路簡單，開關器件數量少，只需一套整流電源，實現電動機制動能量吸收或回饋容易等。3L-NPC在國外應用廣泛，但在國內的競爭中卻屢屢敗于CHB，主要原因有二：輸出電壓低，達不到6kv，不滿足我國中壓電壓等級標準；電平數少，dv/dt高及諧波大，要求使用特殊電動機。ABB和日本TMEIC公司為適應中國市場對6kv的需求，利用己有的中點鉗位三電平技術和相支路(phase-leg)功率組件(PEBB)推出改進產品—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，雖然符合國標的保留電壓等級，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；輸出電壓電平數從3增至5，諧波減小，但dv/dt值沒降，電機仍需加強絕緣。盡管只是改進產品，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。兩電平H橋級聯(lián)變頻器CHB(圖1c)[1,5,6,10]在我國應用最廣泛，因為：通過增加H橋功率單元(cell)的串聯(lián)級數可提高額定輸出電壓至6kV、10kV或更高；電網側和輸出側諧波小，號稱“完美無諧波”；采用價廉、可靠的1700V低壓IGBT，dv/dt小，使用普通電機。盡管它的性能優(yōu)良，但因cell數量多帶來3個弱點：電網側變壓器副方繞組多，加之移相要求，設計和制造困難，干式變壓器的體積、重量、價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、數量多，常用電解電容器，可靠性不如薄膜電容；整流電源數多，實現電機制動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和電容混合鉗位5電平變頻器等，因其應用很少，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)是另一種電壓型級聯(lián)多電平PWM變換器[3,4,7]，它既可用作電網側整流器也可用作負載側逆變器。與CHB相同，M2C也是基于模塊化功率單元(cell)串聯(lián)的變頻器，可以通過增加串聯(lián)級數提高輸出電壓，滿足我國中壓電壓等級較高(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，因此在電網側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量，簡化結構。如果電網側也用M2C整流，則可以無變壓器，還能四象限運行。M2C已經成功用于直流輸電，2006年前后西門子公司率先推出HVDCPLUS系統(tǒng)，用于美國和歐洲，我國也自行開發(fā)出這類產品，用于多條柔性直流輸電線路，容量達1000MW。人們希望把M2C技術用于變頻調速，簡化變壓器和整流電源，甚至無變壓器，但存在一個技術障礙—低頻運行問題。針對這問題己經有一些對策，不久前西門子公司開發(fā)出適合調速用的系列產品GH150。

本文介紹M2C變頻器的原理及低頻問題對策，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已在我國得到最廣泛應用及為人們所熟悉，所以在介紹M2C前先簡單提及CHB，從二者的相同和不同入手說明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，在評價之前先說明大功率油氣壓縮機、泵和風機用中壓變頻器需要關注的幾個問題。

由于本文篇幅較長，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注的幾個問題，CHB和M2C變頻器的原理、特點及它們的比較，其它內容在Part-2中介紹，參考文獻也在Part-2中。

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

一.大功率油氣壓縮機、泵和風機用中壓變頻器需要關注的幾個問題

1.中壓電壓等級

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

電壓等級低導致電纜和電機導線截面大，給產品制造和安裝帶來許多困難，損耗也大。功率越大，宜選用越高等級電壓。如果功率接近和超過10MW，最好選用10kV。

2.負載特性

負載特性指負載機械的轉矩和轉速關系。油氣壓縮機、泵和風機等設備的轉矩與轉速平方成比例，功率與轉速立方成比例，因此工作所需的調速范圍小，大多<30％，個別<50％，起動時基本空載，不需要高于額定轉速的恒功率調速。這類機械一般不要求快速電氣制動，但某些風機有此要求，因其機械慣量大，自由停車時間長，若遇緊急情況停不下來易出事故。

3.變頻器輸出電壓的電平數N和PWM調制頻率fmod

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

因電機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N及PWM方波頻率fmod有關，N越多，fmod越高，鋸齒幅值越小，電流諧波越小。由諧波引起的電機附加損耗與電流諧波直接相關。

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機中以波的形式傳輸，傳輸速度150m//ms(光速的一半)，電路中的分布參數(寄生電容、電感)都在起作用，參見圖3。這種傳輸導致：

l由于波的反射，在電機端部出現電壓振蕩，引起過電壓，最嚴重時過壓的尖峰值=電壓跳變幅值DVstep，損害電動機絕緣；

l如果電纜過長，入射波和反射波在電纜中某處相遇、疊加形成駐波，會造成此處過電壓，損壞電纜；

l寄生電容的充放電電流流過IGBT器件，帶來附加電流沖擊，限制電纜長度。

圖3變頻器輸出電壓傳輸圖

另外，變頻器工作時，電動機繞組對地間存在共模電壓。這共模電壓通過寄生電容在電動機軸上感應出軸電壓。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，則通過軸承和電機外殼流過軸電流，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，代價較高；另一是增加變頻器輸出電壓的電平數N，減小電壓階梯跳變幅值DVstep在總輸出電壓中占的比例。

5.電網側交流進線功率因數和電流諧波

由于油氣壓縮機等設備沒有把電動機制動能量回饋給電網的要求，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>0.9，滿足國標對功率因數的要求。為滿足國標對電網側電流諧波的要求，需采用整流脈波數m≥12的不可控整流器。脈波數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標要求。

從理論上說選用更大的脈波數(例如30或36等)能使諧波更小，但由于網側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不大。為減小電流諧波，曾經有些項目采用PWM整流(AFE)。從理論上說AFE的網側電流為正弦波，諧波很小，但由于中壓AFE使用的高壓開關器件(IGBT或IGCT)的開關頻率低，實際的諧波和18脈波整流差不多。

二.H橋級聯(lián)變頻器(CHB)

CHB的每一相都由多個H橋功率單元(cell)串聯(lián)構成(圖1c)，串聯(lián)級數k取決于變頻器額定輸出電壓。通常每個H橋由4個價廉、可靠的1700V低壓IGBT構成，並用獨立的、此彼隔離的整流電源供電。

每個H橋由a(Sx1)和b(Sx2)兩個并聯(lián)的相支路構成(x=1…k—單元序號，見圖1c)，每個支路輸出Vdc和0兩個電平，兩個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)。一個開關周期的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，vox=2DDVdc>0(一個開關周期平均值)，是在0和+Vdc間跳變的方波，在DD<0時，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4一個開關周期(Ts)的H橋相支路輸出和橋輸出電壓波形

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

CHB的優(yōu)點：

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

2)輸出電壓電平數N多，PWM調制頻率fmod高，電壓畸變率小，電流諧波及轉矩脈動??；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，帶來許多好處：普通中壓電動機能承受，不用加強絕緣，軸電壓小，無軸電流問題；電纜寄生電容引起的附加電流沖擊小，允許電纜長度>1000m。

3)電網側整流橋數多，通過電網側變壓器副方繞組移相，等效整流脈波數多(每個橋6脈波整流，k組移相后6k脈波整流)，交流進線電流諧波小，功率因數>0.9。

基于上述優(yōu)點，有人稱它為“完美無諧波變頻器”。

CHB的問題：

1)電網側變壓器副方繞組數量多(3k組)，加之移相要求，設計和制造困難。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。為滿足防火要求，它必需是干式變壓器，體積、重量、價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，不僅占據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，增加冷卻通風負擔。這是CHB的主要問題。

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脈動幅值<允許值要求)所需之貯能電容能量大(遠大于三相逆變器)，加之H橋數多，電容器數量多，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。

3)整流電源數量多(3k套)又彼此隔離，很難裝設那么多套吸收電動機動能的制動單元和電阻，無法實現風機需要的快速電氣制動。

上述問題都源自網側變壓器的復雜和整流電源數量多。

(**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

模塊化多電平變換器M2C(ModularMultilevelConverter，又稱MMC)是另一種電壓型級聯(lián)多電平PWM變換器，它既可用作電網側整流器也可用作負載側逆變器。與CHB相同，M2C也是基于模塊化功率單元串聯(lián)的變頻器，可以通過增加串聯(lián)級數提高輸出電壓，滿足我國中壓電壓等級較高(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，因此在電網側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量，簡化結構。如果電網側也用M2C整流，則可以無變壓器，還能四象限運行。

M2C的每個相支路由2k個功率單元cell(又稱子模塊SM)和一個限制環(huán)流的中點抽頭電抗器串聯(lián)構成。串聯(lián)級數k取決于變頻器的額定輸出電壓。8個單元(k=4)級聯(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：單模塊和雙模塊。單模塊在許多文獻中都有介紹，用于直流輸電系統(tǒng)，雙模塊少見報導，用于西門子公司的調速變頻器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j=1…2k—單元序號)

圖58單元(k=4)級聯(lián)的M2C三相變換器及其功率單元cell

雙模塊cell由兩個斬波開關串聯(lián)構成，稱上開關為Sj1及下開關為Sj2，每個斬波開關中有兩個IGBT，定義上IGBT導通為1態(tài)，下IGBT導通為0態(tài)。若兩個電容電壓vC1.j=vC2.j=vC=1，4個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

這些開關都按脈寬調制(PWM)模式工作，占空比D=T1/Ts(T1—1態(tài)持續(xù)時間，Ts—開關周期)。

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。在圖中用理想開關代替IGBT，并忽略負載電流引起的電容電壓波動。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，這時該k=1單相M2C的輸出vo=0。開始工作后，開關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所示關系繪v1和v2曲線：在DD>0時，v1減小及v2增大，vo=2DDVc>0(一個開關周期平均值)，是在0和+Vc間跳變的方波；在DD<0時，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H橋的輸出電壓大小和波形相同，因此k級串聯(lián)的H橋與k級串聯(lián)M2C的輸出相同。和CHB一樣，也令M2C各級cell中的PWM信號彼此相位錯開Ts/k(上臂和下臂對應cell的PWM信號同相位)，則輸出相電壓的電平數N=2k+1，PWM調制頻率fmod=2k/Ts，是器件開關頻率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N=7，PWM調制頻率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和輸出電壓無關，因此限制環(huán)流電抗器的電感值不大。計及負載電流引起的電容電壓波動后，vab≠0，其大小隨電容電壓波動量增大而加大。

和CHB不同，CHB中每個H橋使用4個IGBT和1個電容，而k=1單相M2C需8個IGBT和4個電容，IGBT數量加倍，電容數量為4倍。在CHB變頻器中全部輸出電流都從H橋中的IGBT流過，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(計及環(huán)流，不是減半)，相應M2C中單個電容的電容量也比H橋小。根據西門子公司的計算[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％(它反映器件總價格)。由于M2C可以承受較高直流電壓脈動，它的電容總能量(它反映電容總價格)反而比CHB小(約40％)[16]。

以u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，因此可以通過調節(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，需通過各電容實際電壓與其期望值(Vdc/2k)之偏差來進行均衡控制。為此在產生占空比DD的控制信號中，除了控制正弦輸出電壓的信號外，還要加入電容總電壓控制及其均衡控制信號[12]。

由于M2C每個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，可以通過增加串聯(lián)級數提高輸出電壓，滿足我國中壓電壓等級較高(6和10kV)的要求。在器件和電容電壓相同及串聯(lián)級數k一樣時，二者輸出電壓的大小和波形相同，因此電平數、PWM調制頻率、波形總畸變率和dv/dt一樣，都可以使用普通電機、無軸電流問題及允許電纜長度>1000m。

2)和CHB不同，M2C有公共直流母線，在電網側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量，簡化結構。只要整流電源的脈波數≥24，就能滿足電網諧波的國標要求。整流電源數量少，裝設制動單元和電阻容易，可實現風機快速制動要求。如果電網側也用M2C整流，則可以無變壓器，還能四象限運行，如西門子可定制的SM120CM高壓變頻器。

3)M2C的電網側變壓器副方繞組及從其到功率單元柜的電纜數量減少后，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、價格及控制室的建筑面積和冷卻通風諸方面均獲益，可靠性也得到改善。

4)上述收益是有代價的。與CHB相比，同樣電壓和電流的M2C變頻器需要的開關器件數量加倍，器件芯片總面積(它反映器件總價格)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量增至4倍，但電容總能量(它反映電容總價格)反而比CHB小[16]。也就是說每個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的薄膜電容。

小結

H橋級聯(lián)變頻器CHB性能好，在我國應用最廣泛，但電網側的多繞組移相變壓器和整流電源過于龐大和復雜。西門子公司把成功用于直流輸電的模塊化多電平變換M2C技術移植過來，推出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。在本Part中介紹了評價中壓變頻器需要關注的幾個問題，并討論了M2C和CHB變頻器的原理、特點及它們的比較。

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