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 Busse，李季，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）

西门子新一代多功能型模块化多电平高压变频器

刘斌1，张登山2，Stephan Busse3，李季4，Andreas Muenzebrock1

（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）

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 GH150的技术特点。

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）

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［1-12］。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入的研究［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［10］，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变频器SINAMICS GH150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［8］；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n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CSM，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=Vc；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［10］：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入与切出，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。

图1　M2C拓扑基本结构Fig.1　M2C topology illustrate

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。

图3　M2C交流侧电压合成示意图Fig.3　Voltage synthesize method of M2C

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［14］。

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dv/dt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。对影响可靠性和可用性的关键器件进行了单独分析与考量［14］。在不考虑冗余配置的情况下，分析结果如图4所示。

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

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。

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n+1冗余并不能有效地提高系统的可靠性、甚至低于n+1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SINAMICS 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Uline=6.6 kV，每相桥臂12个双单元模块，线电流Iph=1 100 A，cosφ=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1 ms（约为625 μs）；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。

图6　SINAMICS GH150原理示意图Fig.6　SINAMICS GH150 single drive

图7　GH150变频器输出波形Fig.7　GH150 drive output waveforms

4　结论

本文详细分析了M2C的拓扑结构、主要特点及其波形合成原理，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，最后介绍了基于这一拓扑结构的工业产品——西门子SINAMICS GH150高压变频器的技术特点，由上述分析可知：1）模块化多电平变换器（M2C）具有模块化设计的优点，同时还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——配置方式灵活、易实现不同的联接方式。2）比较分析了目前工业应用的主要高压变频器的系统可靠性，分析表明：在不考虑冗余配置的情况下，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，模块化多电平变换器（M2C）和传统H桥级联型能极大地增加系统可靠性，而其它拓扑不具有这一特性。3）西门子SINAMICS GH150高压变频器致力于高压大功率电机传动应用，适用于新建或改造项目，并且具有更强大的功能、更加灵活的系统配置，如：更加快速的单元旁路功能（≤1 ms）、灵活的变压器设计和工厂布局等。

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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

刘斌（1985-），男，硕士研究生，工程师，Email：liubin_0733@126.com