本文是“新型油氣壓縮機(jī)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(guān)注的幾個(gè)問(wèn)題，H橋級(jí)聯(lián)變頻器(CHB)和模塊化多電平變頻器(M2C)的原理、特點(diǎn)及它們的比較己經(jīng)在那里介紹，本Part介紹M2C變頻器的低頻運(yùn)行問(wèn)題及對(duì)策、另外兩種常用的中點(diǎn)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(jiǎn)介西門子的GH150產(chǎn)品。

Ⅳ.M2C變頻器的低頻運(yùn)行問(wèn)題及對(duì)策

M2C技術(shù)始于2001年，2006年前后西門子公司率先推出基于此技術(shù)的HVDCPLUS系統(tǒng)，成功用于柔性直流輸電。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，但存在一個(gè)技術(shù)障礙—低頻運(yùn)行問(wèn)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(gè)電壓等級(jí)，國(guó)內(nèi)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(tái)階幅值DVstep=Vdc/2≈2.5kV。

3L-NPC變頻器的優(yōu)點(diǎn)：

1)線路最簡(jiǎn)單，元器件數(shù)量最少。

2)有公共直流母線，整流電源和油浸變壓器簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)能量吸收或回饋容易。與CHB變頻器相比它是優(yōu)點(diǎn)，但與M2C變頻器相比它算不上優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槎叨加泄仓绷髂妇€。

3)三相逆變共用直流貯能電容，數(shù)量少(2個(gè))，直流母線電流中無(wú)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(zhǎng)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(diǎn)，M2C變頻器也用薄膜電容，只是數(shù)量多及總能量大，分散安裝。

3L-NPC變頻器是進(jìn)入市場(chǎng)最早的中壓PWM變頻器，在國(guó)外應(yīng)用廣泛，我國(guó)早期曾進(jìn)口不少這種變頻器。CHB變頻器問(wèn)世后，這類變頻器在我國(guó)不需要電動(dòng)機(jī)制動(dòng)能量吸收的油氣壓縮機(jī)和泵等調(diào)速傳動(dòng)中用得越來(lái)越少。其原因是：

1)輸出電壓達(dá)不到6kv，不滿足我國(guó)中壓電壓等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。在無(wú)特殊理由的情況下采用非標(biāo)準(zhǔn)電壓，很難被用戶接受。

2)輸出電壓電平數(shù)少，加之PWM調(diào)制頻率低(高壓器件開(kāi)關(guān)頻率<1kHz)，一個(gè)基波周期中的PWM方波數(shù)少，諧波大。

3)輸出電壓臺(tái)階幅值DVstep高，dv/dt大，導(dǎo)致：普通中壓電動(dòng)機(jī)不能承受，需加強(qiáng)絕緣(ABB要求[14]3.3kV電機(jī)的最小絕緣等級(jí)為7.2kV，變頻器和電機(jī)間聯(lián)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(zhǎng)度<300m。若使用普通電機(jī)，需在變頻器輸出端裝設(shè)龐大的輸出濾波器。

4)使用高壓開(kāi)關(guān)器件，雖數(shù)量少，但由于高壓器件芯片厚、導(dǎo)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(duì)3L-NPC變頻器在中國(guó)市場(chǎng)的不利局面，ABB和日本TMEIC公司為適應(yīng)中國(guó)對(duì)6kv的需求，利用己有的中點(diǎn)鉗位三電平技術(shù)和相支路功率組件(PEBB)開(kāi)發(fā)出改進(jìn)產(chǎn)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(diǎn)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(guó)標(biāo)中的保留電壓等級(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。

2)與3L-NPC相比，5L-HNPC輸出相電壓電平數(shù)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(shù)=11，遠(yuǎn)大于5L-HNPC。國(guó)家電控配電設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心應(yīng)用戶委托對(duì)5L-HNPC進(jìn)行了檢驗(yàn)，結(jié)論是電流輸出諧波含量明顯偏大，電機(jī)噪音明顯比工頻運(yùn)行時(shí)大很多，對(duì)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行有一定的影響。

3)與3L-NPC相比，5L-HNPC的電平數(shù)增加，但因仍使用4.5kV高壓器件，輸出電壓跳變臺(tái)階幅值DVstep≈2.5kV沒(méi)變，相應(yīng)dv/dt也沒(méi)變，只是相對(duì)變頻器額定輸出電壓來(lái)說(shuō)減小了，電機(jī)和電纜仍需加強(qiáng)絕緣。根據(jù)TMEIC公司的計(jì)算：變頻器最大輸出電壓峰值=4×DVstep(見(jiàn)圖11)，dv/dt引起的過(guò)壓尖峰最大1×DVstep，因此電機(jī)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(kāi)關(guān)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(wǎng)側(cè)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(shí)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(shù)多使其喪失3L-NPC實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量吸收或回饋容易的優(yōu)點(diǎn)。5L-HNPC使用油浸變壓器。

7)美國(guó)IEEE的綜述報(bào)告指出[2]，與使用4.5kv器件的兩級(jí)串聯(lián)(k=2)的CHB變頻器相比，5L-HNPC的輸出電壓大小和波形、電平數(shù)，全控器件數(shù)，整流電源數(shù)，變壓器復(fù)雜性及dv/dt等都和CHB一樣，但多用12支鉗位二極管，沒(méi)什么優(yōu)點(diǎn)。ABB和TMEIC公司由于己有成熟的3L-NPC技術(shù)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(jìn)，未能完全解決它的問(wèn)題，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。

Ⅵ.冗余和可靠性

M2C和CHB是級(jí)聯(lián)型變頻器，由多個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成。為提高可靠性，可以在設(shè)計(jì)時(shí)多串聯(lián)一個(gè)單元(k+1冗余)或兩個(gè)單元(k+2冗余)，出現(xiàn)單元故障時(shí)通過(guò)旁路開(kāi)關(guān)去掉該單元，維持變頻器繼續(xù)工作。稱這種技術(shù)為“單元冗余及旁路”，增加設(shè)備和投資不多，效果顯著，對(duì)某些生產(chǎn)連續(xù)性要求高、故障停機(jī)會(huì)造成重大損失的應(yīng)用場(chǎng)合(例如油氣壓縮機(jī)、冶金和礦山風(fēng)機(jī)等)意義大。

2000年美國(guó)MaratbonAsbland石油公司在一套油氣壓縮機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中使用了這技術(shù)[15]。該項(xiàng)目釆用CHB變頻器，功率5500Hp/電壓4.16kV，原本只需4級(jí)串聯(lián)，為實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速系統(tǒng)5年連續(xù)運(yùn)行目標(biāo)，它多串2級(jí)，共6級(jí)。在相故障單元數(shù)≤2時(shí)，變頻器仍能輸出額定電壓；在相故障單元數(shù)>3時(shí)，變頻器降低最大輸出電壓運(yùn)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(duì)稱旁路在無(wú)故障的另兩相旁路同樣數(shù)量的無(wú)故障單元，並維持三相相電壓彼此互差120°不變，此法簡(jiǎn)單，適合用于相故障單元數(shù)≤2時(shí)。如果相故障單元數(shù)>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(diǎn)偏移只旁路有故障單元，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整三個(gè)相電壓間的相位關(guān)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(guò)程波形示于圖12，無(wú)電流時(shí)間約250ms，這期間電動(dòng)機(jī)靠機(jī)械慣量維持自由運(yùn)行，轉(zhuǎn)速約降10％，旁路過(guò)程結(jié)束后恢復(fù)。

圖12CHB的旁路過(guò)程波形

為實(shí)現(xiàn)“單元冗余及旁路”，西門子公司也在其M2C變頻器的每個(gè)功率單元兩端都并聯(lián)一個(gè)旁路開(kāi)關(guān)(圖13a)，并為此開(kāi)發(fā)專用快速旁路接觸器(圖13b)。這接觸器在變頻器運(yùn)行過(guò)程中一直處于待激活狀態(tài)，它的動(dòng)作時(shí)間約625ms，整個(gè)旁路操作時(shí)間<1ms。由于操作時(shí)間非常短，旁路操作期間電流穩(wěn)定，沒(méi)變化，因此也無(wú)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速下降(“無(wú)縫”旁路操作)，見(jiàn)圖14。

a)變頻器                         b)旁路接觸器

圖13有旁路開(kāi)關(guān)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(yīng)指出，單元旁路技術(shù)不僅用于有功率單元冗余時(shí)，也可用于無(wú)功率單元有冗余時(shí)。若無(wú)冗余，即使只有一個(gè)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(diǎn)偏移控制能減小電壓降低程度。

3L-NPC和5L-HNPC不是由多個(gè)較小功率的單元通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成的變頻器，很難實(shí)現(xiàn)冗余。若想實(shí)現(xiàn)3L-NPC變頻器的k+1冗余需增加12個(gè)4.5kV高壓IGBT和二極管，若想實(shí)現(xiàn)k+2冗余需增加24個(gè)4.5kV高壓IGBT和二極管，代價(jià)巨大且操作麻煩。雖然己經(jīng)有一些代價(jià)較小的容錯(cuò)運(yùn)行方案，但都因控制復(fù)雜及輸出電壓下降多而未實(shí)用。5L-HNPC變頻器的冗余更難實(shí)現(xiàn)，未在市場(chǎng)出現(xiàn)。

3L-NPC和5L-HNPC變頻器使用4.5kV高壓器件，數(shù)量少，級(jí)聯(lián)型M2C和CHB變頻器使用1.7kV低壓器件，數(shù)量多。通常器件數(shù)量越少的變頻器越可靠，但從器件本身來(lái)說(shuō)，低壓器件比高壓器件技術(shù)更成熟，使用量大、經(jīng)驗(yàn)多、可靠，究竟那種變頻器更可靠？

為比較油氣領(lǐng)域常用變頻器的可靠性和了解冗余效果，參考文獻(xiàn)[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(shí)間MTBF(meantimebetweenfailures)定量分析結(jié)果。

平均故障間隔時(shí)間MTBF=1/l

式中l(wèi)是總故障率，它等于109小時(shí)中所有部件的總故障次數(shù)。在計(jì)算故障率時(shí)計(jì)及電網(wǎng)側(cè)變壓器、電網(wǎng)側(cè)整流器、電機(jī)側(cè)逆變器、冷卻單元及變頻器控制系統(tǒng)等，電機(jī)沒(méi)考慮。為使計(jì)算結(jié)果更直觀，該文獻(xiàn)在介紹比較果時(shí)采用相對(duì)MTBF，以無(wú)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(jié)果如下：

1)無(wú)冗余之四種變頻器的相對(duì)平均故障間隔時(shí)間MTBF示于圖15，彼此相差不大，都較可靠。

圖15無(wú)冗余變頻器的相對(duì)MTBF

2)有k+1和k+2冗余的級(jí)聯(lián)型M2C及CHB變頻器的MTBF大幅提高，效果顯著，可靠性遠(yuǎn)超3L-NPC和5L-HNPC變頻器。3L-NPC變頻器的冗余代價(jià)高，且效果不明顯，k+2反而不如k+1，這是由于實(shí)現(xiàn)冗余的復(fù)雜性所致。5L-HNPC變頻器不適合冗余。

圖16無(wú)冗余及有冗余(k+1和k+2)變頻器的相對(duì)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(jìn)入調(diào)速市場(chǎng)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(bào)告，未見(jiàn)產(chǎn)品。由于M2C調(diào)速系統(tǒng)的低速轉(zhuǎn)矩<額定轉(zhuǎn)矩，所以西門子公司把GH150的應(yīng)用領(lǐng)域限制在大功率油氣壓縮機(jī)、泵和風(fēng)機(jī)等設(shè)備的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，它們調(diào)速范圍不大，且起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小。

M2C和CHB變頻器都基于功率單元級(jí)聯(lián)，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(jī)、適合長(zhǎng)電纜運(yùn)行和支持功率單元冗余等。西門子公司己經(jīng)有CHB變頻器系列產(chǎn)品GH180，被人們熟悉和廣泛應(yīng)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(jià)，換取電網(wǎng)側(cè)變壓器和整流電源的簡(jiǎn)化及靈活性。M2C有公共直流母線，可以通過(guò)加裝制動(dòng)單元和電阻吸收電動(dòng)機(jī)制動(dòng)能量，從而實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)，這性能對(duì)機(jī)械慣量大的風(fēng)機(jī)很重要。

目前GH150中逆變器的指標(biāo)：功率4—13.3MVA，可擴(kuò)展至30MVA；電壓4.16—7.2kV；采用價(jià)廉、可靠的1.7kV低壓IGBT；6—7.2kV變頻器的cell(雙模塊)數(shù)=36，級(jí)聯(lián)數(shù)k=6；輸出電壓電平數(shù)=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(biāo)(單套)：功率52MVA；電壓12kV。GH150的網(wǎng)側(cè)變壓器和整流電源根據(jù)用戶需要靈活配置：變壓器可干式或油浸，戶內(nèi)或戶外；整流電源脈波數(shù)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(yīng)用案例：

Part-2結(jié)論

西門子公司推出一款基于M2C技術(shù)的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。CHB和M2C的原理、特點(diǎn)及它們的比較己經(jīng)在本文PART-1中介紹。在本PART中討論了下列幾個(gè)問(wèn)題：

A.M2C存在低頻運(yùn)行問(wèn)題，可通過(guò)注入諧波解決，但它的低速持續(xù)運(yùn)行轉(zhuǎn)矩<額定轉(zhuǎn)矩，適用于壓縮機(jī)、泵、風(fēng)機(jī)等調(diào)速應(yīng)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(jí)國(guó)標(biāo)要求、諧波及dv/dt大、使用特殊電機(jī)等缺點(diǎn)，不宜用于壓縮機(jī)、泵和風(fēng)機(jī)等設(shè)備。5L-HNPC只是3L-NPC的改進(jìn)，未能完全解決它的問(wèn)題。

C.M2C和CHB是級(jí)聯(lián)型變頻器，可以通過(guò)“單元冗余及旁路”技術(shù)大幅提高它們的可靠性。為此西門子開(kāi)發(fā)了專用快速旁路接觸器，實(shí)現(xiàn)M2C無(wú)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩下降的“無(wú)縫”旁路操作。文中示出四種中壓變頻器的平均故障間隔時(shí)間MTBF的定量分析結(jié)果。

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