西门子新一代多功能型模块化多电平高压变频器

电气传动２０１６年第４６卷第４期　ＥＬＥＣＴＲＩＣ　ＤＲＩＶＥ　２０１６　Ｖｏ１．４６　Ｎｏ．４　西门子新一代多功能型模块化多电平高压变频器　刘斌。，张登山　，Ｓｔｅｐｈａｎ　Ｂｕｓｓ￣，李季４　Ａｎｄｒｅａｓ　Ｍｕｅｎｚｅｂｒｏｃｋ　（１．西门子（中国）有限公司，上海，２０００８２；２．西门子（中国）有限公司，北京１００１０２；　３．西门子，纽伦堡９０４５９；４．西门子，匹兹堡１５２３９）　

摘要：模块化多电平变换器（Ｍ２Ｃ）不仅具有模块化设计的优点，而且具有公共的直流母线和交流侧，可　以直接应用于中高压大功率有功变换场合。西门子已于２０１０年首次成功将该拓扑应用于高压直流输电，并　基于该拓扑开发了高压大功率电机传动应用的变频器，该变频器具有更加快速可靠的单元旁路、更加灵活的　变压器设计和布局（如变压器柜与功率单元柜分离放置）等特点。详细介绍了Ｍ２Ｃ拓扑的结构与原理；并对　Ｍ２Ｃ高压变频器和目前工业应用的主要高压变频器的系统可靠性进行了比较分析；最后介绍了西门子新一代　多功能型模块化多电平高压变频器ＳＩＮＡＭＩＣＳ　ＯＨ１５０的技术特点。　关键词：半桥子模块；模块化多电平变流器；高压变频器；高压直流输电；可靠性；平均无故障时间（ＭＴＢＦ）　中图分类号：ＴＭ４６１　文献标识码：Ａ　

Ｓｉｅｍｅｎｓ　Ｎｅｘｔ　Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ　Ｍｅｄｉｕｍ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｄｒｉｖｅ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｍ２Ｃ　Ｔｏｐｏｌｏｇｙ　ＬＩＵ　Ｂｉｎ　，ＺＨＡＮＧ　Ｄｅｎｇｓｈａｎ２，Ｓｔｅｐｈａｎ　Ｂｕｓｓｅ３，ＬＩ　Ｊｉ　，Ａｎｄｒｅａｓ　Ｍｕｅｎｚｅｂｒｏｃｋ　（１．ＳｉｅｍｅｎｓＬｔｄ．，Ｃｈｉｎａ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００８２，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｉｅｍｅｎｓＬｔｄ．，Ｃｈｉｎａ，　１００１０２，Ｃｈｉｎａ；　３．ＳｉｅｍｅｎｓＡＧ，Ｎｕｅｒｎｂｅｒｇ９０４５９，Ｇｅｒｍａｎｙ：４．ＳｉｅｍｅｎｓＩｎｄｕｓｔｒｙ，Ｉｎｃ．，Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ　１５２３９，ＵＳＡ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：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　ｃｏｎｖｅ￣．　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　ＧＨＩ５０　ｍｅｄｉｕｍ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｄｒｉｖｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈａｌｆ－ｂｒｉｄｇｅ　ｓｕｂ　ｍｏｄｕｌｅ；ｍｏｄｕｌａｒ　ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ　ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ；ｍｅｄｉｕｍ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｄｒｉｖｅ；ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｄｉｒｅｃｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍｓ；ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ；ｍｅａｎ　ｔｉｍｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｆａｉｌｕｒｅｓ（ＭＴＢＦ）　

模块化多电平变换器（Ｍ２ｃ）得益于其模块化　特征，具有良好的电压和功率扩展能力、交流侧电　压畸变率小、良好的冗余特性及灵活的前端配置　等优势，被认为是未来最典型的应用于高压场合　的电力电子变换拓扑之一［１　。Ｍ２Ｃ在参数设计、　环流抑制、子模块电容均压、系统启动控制、电压　调制策略、容错运行、低频运行特性等方面已有广　泛而深人的研究［１－２，４，８，１１，１３］。西门子已于２０１０年首　次成功将该拓扑应用于高压直流输电　，现基于　该拓扑开发了高压变频器、致力于高压大功率电　机传动应用——在船舶发电、测试台、压缩机、高　炉鼓风机等负载已有成功应用案例。　为此，本文首先详细介绍了Ｍ２Ｃ拓扑的结构　与原理；并比较分析了Ｍ２Ｃ高压变频器和目前工　业应用的主要高压变频器的系统可靠性；最后介　绍了西门子新一代多功能型模块化多电平高压　

作者简介：刘斌（１９８５一），男，硕士研究生，工程师，Ｅｍａｉｌ：ｌｉｕｂｉｎ＿０７３３＠１２６．ｃｏｍ　２２　刘斌，等：西门子新一代多功能型模块化多电平高压变频器　电气传动２０１６年第４６卷第４期　变频器ＳＩＮＡＭＩＣＳ　ＧＨ１　５０的技术特点。　１　Ｍ２Ｃ拓扑基本原理及特点　模块化多电平变换器（Ｍ２ｃ）自提出以来，经　过不断发展，衍生出了许多子拓扑，如采用不同的　子模块——全桥模块、钳位型三电平模块等　；　典型的Ｍ２Ｃ结构如图１所示，每相由上下２个桥　臂组成，每个桥臂由　个完全一致的子模块串联　而成，以及１个桥臂电抗器Ｌ，每相输出由２个桥　臂电抗器之间引出。子模块（ＳＭ），包括１个电容　ｃ。　，２个全控型功率器件ＩＧＢＴ；在正常情况下，　任意时刻，２个ＩＧＢＴ仅有１个开通，另一只处于　关断状态：当上管开通、下管关断时，该子模块输　出电压为Ｖｏ＝Ｖｏ；当上管关断、下管开通时，该子模　块输出电压为Ｖｏ＝０。但Ｍ２Ｃ在暂态运行过程中，　子模块存在３种工作状态　：即续流导通状态（或　称为闭锁状态）、电容投入状态和电容切出状态，　如图２所示。将ｎ个子模块串联后，通过控制每　个子模块电容的投人与切出，即可实现输出０～＋ｎ　之间的任意电平、合成所需要的电压，如图３所示。　：镯．小　Ｉ　图１　Ｍ２Ｃ拓扑基本结构　Ｆｉｇ．１　Ｍ２Ｃ　ｔｏｐｏｌｏｇｙ　ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅ　电容投入状态　电容切出状态　寄　寄　蔷瀚　城　Ｋ－－ｏ　图２半桥子模块工作状态　Ｆｉｇ．２　Ｓｕｂ　ｍｏｄｕｌｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｓｔａｔｅ　由上述分析可知，模块化多电平变换器Ｍ２Ｃ　具有如下主要特点：１）模块化结构——不受半导　国营国　ｌ｛　＋１Ｖ　＿２．３一　Ｉ　Ｉ●ｕ’ ｌ　ｌ　’（罩　）　Ｌ　Ｌ　Ｌ　ｌ　廑｝圄瞳ｉ　＋２　ｒＷ　＾　图３　Ｍ２Ｃ交流侧电压合成示意图　Ｆｉｇ．３　Ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　Ｍ２Ｃ　体器件的限制，而具有很好的电压、功率及电平　扩展能力；２）交流侧输出多电平且易于电平扩展　——完美无谐波、对负载和电网友好；３）采用已　经工业验证的半导体器件、并具有良好的冗余特　性；４）配置方式灵活、易实现不同的联接方式；５）　具有公共的直流母线和交流侧，很容易实现高压　应用和有功双向传送。　

２高压变频器可靠性分析　高压变频器驱动的高压电动机往往系统容　量大、应用工艺对可靠性要求高；系统停机或工　艺流程的短时中断都会造成巨大的经济损失、材　料报废，甚至人身伤亡。因此，在选择高压变频　器时，可靠性和可用性指标倍受关注；但不同厂　家的可靠性指标大都基于不同的假设、计算方法　也各有不同，很难将它们直接对比＿ｌ　。　本文针对表１中所列拓扑和组件，对６．６　ｋＶ　水冷型高压变频器系统可靠性进行了比较分　析。分析中假设所有变频器的水冷却系统和控　制系统具有相同的可靠性，而侧重于对不同拓扑　及其相应特定组件的可靠性分析，主要包括：　１）电机侧变换器。①功率单元相关的ＰＣＢ　电路，即带内部电源或冗余供电的单元控制板和　带隔离电源的高压ＩＧＢＴ或ＩＧＣＴ的门极驱动电　路；②功率ＩＧＢＴ，ＩＧＣＴ，续流或尖峰抑制二极管　和相关无源缓冲电路元器件；③直流母线储能电　容器；④各拓扑相关的特定元器件，如Ｍ２Ｃ的桥　臂电抗器、Ｈ桥级联型拓扑的进线熔丝等。　２）系统元器件。①网侧进线变压器；②网侧　整流器，包括功率二极管和缓冲电路。　３）不包括输出ｄ　或正弦滤波器。　对上述元器件分析中使用的故障率主要源　于长期现场应用经验、供应商数据及相关应用笔　记和平均无故障时间的系统计算方法。对影响　２３　电气传动２０１６年第４６卷第４期　刘斌，等：西门子新一代多功能型模块化多电平高压变频器　表１　６．６　ｋＶ高压变频器系统和主要组件表　Ｔａｂ．１　６．６　ｋＶ　ｍｅｄｉｕｍ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｔｏｐｏｌｇｉｅｓ　ａｎｄ　ｍａｉｎ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　

不带冗余的电机侧变换器主要组件　軎　输出线电压　冗余配置　进线整流器　拓扑结构　时　尝　波　草轰　（ｎ＋１）　（ｎ＋２）　功率半导体器件　功率驱动ＰＣＢ　器的要求　’　

模块化多电　７２个１．７　ｋＶ　３６个ＰＣＢ（带内　平（Ｍ２Ｃ）　ＩＧＢＴ模块　部冗余电源）　

２５（不带冗余）　

２９（ｎ＋１）　３３（ｎ＋２）　

每台变频器　每台变频器　额外配置６　额外配置ｌ２　个单元模块　个单元模块　每个单元１个旁路开关　

ｌ２～３６脉冲　

可靠性和可用性的关键器件进行了单独分析与　考量ｎ　。在不考虑冗余配置的情况下，分析结果　如图４所示。　

差　［　．ｓｏ｝　擅　

．　函　图４　不同拓扑变频器系统的ＭＴＢＦ比较（非冗余）　Ｆｉｇ．４　Ｒｅｌａｔｉｖｅ　ＭＴＢＦ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｄｒｉｖｅ　ｔｏｐｏｌｏｇｉｅｓ　ｎｏ　ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ）　

结果表明：对比平均无故障时间（ＭＴＢＦ）可　知，模块化多电平变换器（Ｍ２ｃ）和传统Ｈ桥级联　型在可靠性方面略优于其它拓扑，但各拓扑的可　靠性并没有显著的差异。　采用冗余配置时的分析结果如图５所示。　Ｈ　ｍ　ｂｒｉ￣ｅ（ＩＧＣ．ｒ１）ｂｒｉｄｇｃ（１（￣ｇｒ）　图５　不同拓扑变频器系统的ＭＴＢＦ比较（含冗余）　Ｆｉｇ．５　Ｒｅｌａｔｉｖｅ　ＭＴＢＦ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｄｒｉｖｅ　ｔｏｐｏｌｏｇｉｅｓ　（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｃｅｌｌ／ＩＧＢＴ　ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ）　结果表明：１）模块化多电平变换器（Ｍ２Ｃ）和　传统Ｈ桥级联型在采用冗余配置时能极大地增　加系统可靠性；２）中点可控式三电平（３Ｌ—ＮＰＰ）　虽然具有冗余配置的能力，但因其要求故障时相　２４　应功率器件处于短路导通状态，因此即使采用冗　余配置——功率器件的驱动电路故障时（非ＩＧＢＴ　本身故障），仍不能保证冗余配置的可靠性——依　然不能有效提高系统的可靠性；３）采用ｎ＋２冗余　配置时，相比ｒｔ＋１冗余并不能有效地提高系统的　可靠性、甚至低于ｎ＋ｌ冗余的可靠性，如３Ｌ—ＮＰＰ　系统。这是因为采用冗余配置的同时也增加了系　统元器件的数量而对系统可靠性带来一定的负面　效应。　３　西门子ＧＨ１５０高压变频器简介　西门子推出的基于Ｍ２Ｃ拓扑的水冷型ＳＩＮ．　ＡＭＩＣＳ　ＧＨ１５０高压变频器示意图如图６所示，它　采用了双单元模块化设计，输出波形如图７所示，　适用于新建或改造项目。图７中，线电压　＝６．６　ｋＶ，每相桥臂ｌ２个双单元模块，线电流，Ｄｈ＝１　１００　Ａ，ＣＯＳ　０．９，Ｓ＝１２．５７　ＭＶ·Ａ。它除具有Ｍ２Ｃ拓　扑本身的优势外，还具有以下主要特性：１）变压　器、功率单元柜和控制柜三者之间可根据需求分　开布置——适用于空间受限的现场，有利于优化　工厂设备布局、方便运行控制、减少电气室投　资。２）灵活的变压器设计，如兼容标准和移相变　压器，干式或油浸变压器等。３）更加快速的单元　旁路：整个旁路动作时间小于ｌ　ｍｓ（约为６２５　ｓ）；　在配置冗余单元的情况下，旁路过程对负载几乎　无任何影响。４）前端维护设计，可靠墙放置。５）　采用自愈式薄膜电容。６）可集成内置制动模块，　适用于快速可控的制动应用需求。