全新固变方案-04｜10kV上楼超高层避难层1600kVA分层供电全碳化硅设计方案

【倾佳副总杨茜-全新固变方案】

文｜倾佳电子副总 杨茜

一、为什么避难层需要一台全新的固变

一栋 450m 的办公塔楼，通常每隔 12~15 层设一个避难层兼设备层，全楼 7~9 个。10kV 电缆沿强电竖井送上去，每个避难层放 1~2 台 1600~2000kVA 干式变压器，再配一排低压柜。按这个做法，一栋楼要把 8~16 台单重 4~5t 的铁芯吊到 100~450m 的高度。结构专业为此在变压器位置做局部梁板加固，建设期靠塔吊整体吊装；运营期一旦需要整台更换，货梯载重通常只有 2~3t，只能拆解、拆幕墙外吊，或者走屋顶吊装平台。

同一个避难层还放着电梯机房。6~10m/s 的穿梭梯和区间梯，一栋楼 30~60 台，每台都有自己的整流输入级；满载下行、轻载上行时电机处于发电状态，这部分能量要么在制动电阻上烧掉，要么经能量回馈装置送回 400V 交流侧。一个电梯群里，经常一台在发电、隔壁一台在耗电，两台之间的能量却要各自经过一次整流和一次逆变才能见面。

本篇的机型就是冲着这三件事来的：10kV 直接进一台分体式固态变压器，输出 750V 直流母线直接挂各台电梯驱动的直流侧，再由一组四桥臂逆变器输出 400V 交流供照明、空调末端和水泵。它是全新的，原因有三条，每条都有数字支撑：

驱动力属于标准和结构成本两类。GB 55015-2021 把新建建筑安装太阳能系统列为强制条文，住建部"十四五"建筑节能规划把"光储直柔"写进了推广方向；超高层幕墙光伏、储能、直流末端要接进来，需要一条楼层级的直流母线。结构侧，一台 1600kVA 干变约 5t 落在约 3.2m² 的底座上，折合 15.2kN/m²，而设备层楼面常规设计活荷载在 7kN/m² 量级，变压器位置必须单独加固。

分体可搬运是这台机器存在的物理前提。1200V 碳化硅 E2B 半桥模块让 38kW 级功率单元可以用风冷跑到 35kHz，单元中频变压器做到 18kg，整个单元约 46kg，两个人加一台手推车就能从货梯运上楼。干变做不到这一点，工频铁芯的重量由 50Hz 决定。

买方是超高层业主的机电总包、设计院电气专业和电梯厂的直流输入变频器团队。三方里只要电梯厂愿意给出直流输入版本的驱动，这台机器就有了落点；电梯厂不配合，本方案的一半价值会消失，这一点放在诚实账里算。

先把结论摆出来：这台机器在交流供电路径上输干变约 1.8~2.0 个点效率；在电梯本就带能量回馈的楼里，单算电费它是亏的。它能成立，靠的是重量、集中荷载、可搬运性和直流接口，节电只在特定基线下才是正账。下面逐项算。

二、设计输入

三、拓扑与级联数推导

（一）为什么是 CHB＋DAB 的三级结构

中压侧只能是级联 H 桥（CHB）。10kV 对 1200V 器件来说必须串联分压，而 CHB 每个单元有独立的直流电容，正好给隔离级 DAB 当输入。输出侧 750V 母线由 45 个 DAB 副边并联组成，这一级把中压和低压彻底隔离。400V 交流从 750V 母线再逆变一次。三级结构的代价是交流负荷多走一道变换，这是效率账里输给干变的主要来源，后面单列。

（二）级联数

相电压峰值上限：

V_ph,pk = 10kV×1.07×√2/√3 = 8737V

单元直流电压取 800V。1200V 碳化硅器件在 800V 下的电压利用率为 0.67，给开关尖峰和宇宙射线失效率留足余量；再往上提到 900V，1200V 器件的宇宙射线失效率会上一个数量级，不划算。

N ≥ V_ph,pk/(m_max×V_cell) = 8737/(0.8×800) = 13.65，取 14。

每相再加 1 个冗余单元，得到 15 个/相，三相共 45 个单元。

冗余单元采用全投运的分布式冗余，正常时 45 个单元一起分担功率，每单元 35.6kW；任一相旁路 1 个单元后，该相 14 个单元各承担 38.1kW。单元额定按 38kW 设计，连续过载 1.1 倍到 41.8kW。

（三）单元功率为什么不再往上加

中频变压器在 15~25kHz、强迫风冷条件下，单台约 100kW 是散热天花板。本机型单元只有 38kW，离这个天花板很远，频率就可以往上走到 35kHz，把中频变压器做小、做轻。单元功率不是被变压器散热卡住的，而是被级联数卡住的：10kV 需要 14 级，1600kVA 除以 42 个工作单元就是 38kW。换句话说，1600kVA 这个容量档，单元天然轻，正适合分体搬运。若同一拓扑做 2000kVA，单元升到 47.6kW，重量约 55kg，超过单件 50kg 的搬运上限，需要把中频变压器和功率板拆成两件运输，这是 2000kVA 档的实际限制。

（四）CHB 开关频率

CHB 每管开关频率 5kHz，单极性倍频，15 个单元载波移相后等效开关频率 2×15×5kHz = 150kHz。网侧滤波电感只需要很小的值，总谐波电流畸变率可以做到 2% 以内。再提高 CHB 开关频率没有意义：损耗里导通占 198W、开关只占 26W，频率翻倍只换来更小的网侧电感，而网侧电感在这台机器里本来就不是重量大头。

四、功率单元设计

（一）AC-DC 级

每单元一个 H 桥，由 2 只 1200V E2B 半桥模块组成。桥臂电流即线电流，有效值 92.4A，峰值 130.6A。H 桥中任一时刻电流流经两只开关管，导通损耗为 I²×2×R_ds(on)。

（二）隔离级：选 DAB 不选 LLC-DCX

LLC 做成固定变比的 DCX，效率可以比 DAB 高约 0.25 个点，而且 45 个 DCX 副边并在同一条母线上，单元电压会被母线自动钳平，二倍频功率还能在三相之间经低压母线互相抵消，单元电容可以减半。这些优点都是真的，本机型仍然选 DAB，理由有两条：

母线故障限流。750V 母线在楼里有十几路馈线，挂电梯、风机和末端变换器，馈线短路是必然会发生的事。DCX 没有内在的电流限幅，低压侧短路会直接反射成中压单元的短路。DAB 靠移相角限功率，把 45° 移相对应的功率设为额定的 2 倍，母线短路时总电流被钳在 2 倍额定，给下游熔断器和断路器留出选择性动作的时间。

电梯群的功率反转。穿梭梯从满载上行切换到满载下行制动，功率在一两秒内从 +144kW 翻到 −47kW，DAB 只需把移相角变号，一个开关周期内就能反向，母线电压由闭环直接控制，不依赖中压侧调制。

代价也写清楚：二倍频脉动留在单元电容上，每单元需要 2.0mF 薄膜电容；DAB 比 DCX 少约 0.25 个点效率。

（三）DAB 参数与漏感推导

原边接单元电容 800V，副边接 750V 母线，变比 n = 800:750 = 1.067，额定点电压匹配（d=1），全负载范围内零电压开通。开关频率 35kHz。

单移相 DAB 的传输功率：

P = V1×(n·V2)×φ(π−φ)/(2π²·f_s·L_s)

令 φ = 45° 时 P = 2×38kW = 76kW，反推漏感：

L_s = 800×800×(π/4)(3π/4)/(2π²×35kHz×76kW) = 22.6μH

用这个 L_s 回算各工况：

额定点移相角只有 18.8°，回流功率小，这是"45° 对应 2 倍额定"这个取法带来的好处：正常运行离限幅点远，电流有效值接近纯有功电流。2 倍限幅点只在母线故障和电梯群瞬时冲击时短时出现，持续时间按 ≤10s 核算器件热容量。

（四）单元电容

单相 H 桥单元的直流侧有二倍频功率脉动，电容量按下式计算：

C = P/(2ω·V_cell·ΔV)

取 P = 38kW、V_cell = 800V、ΔV 为 ±5%（40V），得 C = 1.89mF，取 2.0mF 薄膜电容，额定点实际脉动 ±37.8V。副边每单元只配约 200μF 高频吸收电容，45 个单元合计 9.0mF；三相二倍频功率在低压母线上本来就相互抵消，母线不需要大电容。

（五）中频变压器设计量

漏感公差 ±5% 这条要单独说。45 个 DAB 副边并联在同一条母线上，移相角由各自闭环决定，漏感偏差会被闭环吸收，但限幅点会跟着漂：漏感偏小 5%，2 倍限幅就变成 2.1 倍，故障时单管电流多出 5%。原副边杂散电容 50pF 的上限来自共模电流：CHB 单元电位每次开关跳变 800V，按 20V/ns 的 dv/dt 计算，50pF 对应 1.0A 的共模脉冲电流，这个量级下低压母线上的共模滤波器仍然可以做小。

五、750V 电梯群共直流母线与 400V 四桥臂输出

（一）母线电压为什么定 750V、为什么中点接地

电梯驱动是 400V 级变频器，整流后直流环节在 540~650V，逆变级器件普遍按 1200V 设计，制动斩波门槛在 780V 前后。750V 母线直接接到它的直流端子上，逆变级电压应力不变，只需要取消输入整流、输入电抗器和制动电阻（或回馈装置），并补一套直流预充电回路。母线再往上提到 800V 以上，电梯驱动的制动门槛和电容耐压都要改，电梯厂的改动量会从"换输入级"变成"改整机"，这个门槛不值得跨。

母线做成 ±375V、中点接地，是被四桥臂逆变器倒逼出来的。四桥臂有两种接法：一种是第四桥臂中点直接作 N 线并接地，直流母线整体悬浮，此时正负极对地电位随第四桥臂的 PWM 以 ±375V 方波跳变，电梯驱动、风机、LED 电源的直流电缆全部变成共模干扰源，这种接法在本机型里不成立。另一种是 N 线与直流母线中点 O 同电位并在 SST 出口一点接地，第四桥臂经中线电感接到 O 点，只负责把不平衡负荷的零序电流从分裂电容上引走、维持中点电压平衡。本机型只能取后一种，正负极对地稳定在 ±375V，交流侧是标准 TN-S。

代价是相电压峰值只能对半母线调制。400V 输出相电压峰值 325V，按 1% 稳压上限和 3% 滤波器压降计，需要 339V，对 375V 半母线的调制比为 0.90，余量不宽但够用；母线不能长期低于 735V 运行，这一条写进控制的电压带。

（二）四桥臂逆变器分组

交流输出 1200kVA 拆成 5 组，每组 240kVA，并联运行。每组相电流有效值 346.4A，峰值 489.9A，每组四只 1200V/600A 62mm 半桥模块，前三只作三相桥臂，第四只作中点平衡桥臂。开关频率 12kHz。

拆 5 组而不是 4 组，是按电流峰值定的：4 组时每组峰值 612A，已经超过模块标称电流，过载和限流都没有余量；5 组时额定峰值 490A，2 倍限流 100ms 时峰值 980A，落在模块短时脉冲电流能力以内。5 组还带来 N−1 运行能力：任一组退出，剩余 4 组按每组 260kVA 连续运行，可带 1040kVA，只需在白天高峰切除约 160kVA 非关键负荷，算例见第九章。

1200kVA 这个容量是按首期全部照明、风机仍走交流来配的。LED 和 EC 风机全部改直流以后，交流侧常态负荷约 700kW，逆变器负载率降到六成左右，多出来的容量留给租户改造和水泵启动冲击。

（三）直流侧挂什么

12 台电梯按同时系数 0.35 计需量约 390kW，EC 风机与 LED 合计约 356kW，直流侧需量约 750kW，与 1200kVA 交流侧叠加后，前级 1600kVA 按需量系数不会同时满载。

（四）同一避难层两台 SST 的母线互联

避难层放两台时，两条 750V 母线经直流联络开关互联，正常分列运行，各带半个服务区；任一台前级退出，联络开关投入，由另一台带住两条母线上的电梯群和关键交流负荷。两台同时满载 3200kVA 的情况在办公楼里不会出现，单台 1600kVA 足以覆盖另一台退出期间的实际需量。联络开关不用机械式直流断路器，而用两台 DAB 的限流特性配合隔离开关：先把两侧母线电压调到差值 5V 以内，再合隔离开关，合闸冲击电流由母线电压差和电缆电感决定，不到 200A。这样避难层的供电可靠性从"一台干变带一个区"变成"两台互为热备"，而且不需要在低压侧再做一套母联柜。柜间连接用安费诺 1000V/250A 储能高压连接器，联络回路按 250A 两路并联设计，只承担电梯群和关键负荷，不承担整台 1600kVA 的转移。

六、电梯群再生能量算例

（一）运行剖面

对重平衡系数取 0.45，机械与电机加驱动的电动效率取 0.82、发电效率取 0.80，井道摩擦等效为额定载重的 5%。行程载荷分布按办公楼典型剖面：上行中 40% 行程载荷 80%（早高峰）、30% 载荷 40%、30% 载荷 10%；下行与之镜像，30% 载荷 80%（晚高峰）、30% 载荷 40%、40% 载荷 10%。

不平衡质量 ΔM = 载荷 − 0.45×额定载重，上行 ΔM>0 为电动、ΔM<0 为发电，下行相反。穿梭梯各类行程的直流侧功率：

（二）年电量

再生电量占电动耗电的 33.7%。这个比例对 6m/s 以上的高速梯是合理区间，提升高度越大、对重平衡越偏离实际平均载荷，比例越高。

（三）"一台在发一台在用"的就地消纳

按 12 台梯、白天 10 小时、单台运行占空比 0.55 做秒级蒙特卡洛：每台梯空闲时按占空比随机发起行程，行程类型按上表概率抽取，逐秒统计电梯群内的总再生功率 R 与总电动功率 M，就地消纳量取 min(R, M)。结果：

四分之三的再生能量在母线上直接被隔壁电梯吃掉，一次变换都不经过。剩余四分之一由同一母线上的 EC 风机、LED 和四桥臂逆变器消纳，白天直流母线上的非电梯负荷远大于 162.5kW，实际反送 10kV 的电量接近零。DAB 的反向能力是 2 倍额定，反送通道只在夜间低负荷时才会用到。

（四）共直流母线的节电量

以电梯每 kWh 电动耗电为基准，比较三条链路的中压侧输入：

对基线 A，电梯每 kWh 电动耗电少用 0.342kWh，12 台梯每年节电 82.8MWh；对基线 B 只少用 0.016kWh，每年 3.9MWh。这个差距就是本机型节电账的全部矛盾：6m/s 以上的超高速梯，主流配置本来就带能量回馈，共直流母线相对回馈装置几乎没有节电优势，只是把 12 套回馈装置的钱和空间省掉了。

（五）电梯驱动侧要改什么

电梯厂需要改的只有输入级。取消输入整流桥、输入电抗器和电磁兼容滤波器，保留直流环节电容和逆变级；新增直流预充电回路（限流电阻加接触器，预充电时间约 1s）和直流输入熔断器；制动斩波器保留电路但去掉制动电阻，斩波门槛从 780V 改为 820V 且只作过压保护动作，正常再生全部交给母线。驱动的控制软件要增加一个直流功率指令输出口，按 1ms 周期经现场总线发给 SST 主控，作 DAB 的功率前馈。

安全链不动。电梯的机械制动、限速器、安全钳和自动救援装置与供电方式无关，母线失电时驱动按原有逻辑封锁输出、抱闸，自动救援装置用自带电池把轿厢就近平层开门。直流输入对电梯安全认证的影响仅限于电气部分的型式试验，需要电梯厂按直流输入版本重新做电磁兼容和电气安全试验，周期在 3~6 个月。这是本方案对电梯厂提出的全部要求，也是立项前必须拿到的书面确认。

七、器件规格倒推

（一）逐位置推导

DAB 原副边选 100A 而不是和 CHB 一样的 160A，是因为 DAB 零电压开通，开关损耗只剩关断，额定点单管电流有效值只有 36~39A；换成 160A 模块，导通电阻从 13mΩ 降到 8mΩ，单元 DAB 导通损耗从 179W 降到约 110W，省下 69W，折合整机 3.1kW、效率约 0.19 个点，按全年加权负载折算的电费抵不过 180 只模块升档的成本差。

（二）硬指标

DAB 那一列的 Qoss(800V) ≤0.35μC 是零电压开通边界的来源：死区 150ns，零电压开通需要关断电流 ≥2×0.35μC/150ns = 4.7A，对应单元负载约 10%。夜间单元负载低于 10% 时切换到双移相调制，保住零电压开通。Qoss 实测曲线偏大 20%，零电压开通边界就上移到 12% 负载，所以这条必须按实测，不能按手册典型值。

功率循环的次数来自本机型剖面：12 台梯每年约 172 万次单程行程，25 年约 4.3×10⁷ 次，每次行程在单元上引起的结温波动约 3K；日负荷从 10% 到 70% 的循环在 CHB 与 DAB 模块上约 25K，25 年 9125 次。

（三）整机器件汇总

驱动板只配在模块位置，三条硬指标：四路传输延时离散 ≤20ns、CMTI ≥100V/ns、退饱和保护总响应 <600ns。绝缘分工写死：驱动板只承担单元内部绝缘（原边侧对单元 800V、副边侧对 750V 母线），10kV 级主绝缘由中频变压器、单元冷却底板与机柜间绝缘、光纤通信和单元辅助电源变压器承担。驱动板不需要做到 42kV 耐压，这样驱动板的外形和成本与普通 1200V 应用一致。制动单元的单管位置由控制板直接驱动，不配驱动板。

八、热设计与风冷约束

（一）损耗分解（1600kVA 额定、交流侧 1200kW）

（二）结温

环境 40℃，每单元一块共用散热器，承载 CHB 与 DAB 共 451W，热阻 0.055K/W，散热器温升 24.8K。CHB 单只模块 112W、单管 56W，结壳热阻 0.20K/W，结温 80.5℃；DAB 单只模块 56.8W，结温 75.0℃。逆变器每只 62mm 模块 502.5W，结温 96.8℃。三处都离 150℃ 有 50K 以上的余量，这个余量留给两件事：避难层夏季实际环境可能超过 40℃，以及 2 倍限流 10s 的瞬时温升。

（三）风量与噪声

整机散热 41.1kW，进出风温差 15K，所需风量 2.27m³/s，即约 8200m³/h。避难层有外墙自然通风口，这是消防对避难层的要求，但设备区的热风不能排进避难区，也不能借用避难区的外窗。做法是设备间单独开百叶，风道直排室外，进风从设备间另一侧百叶取，冬季在进风口加电动风阀防止单元结露。

风机全部用 EC 变速风机，额定 2.4kW。噪声约束是设备间外 1m 处 ≤65dB(A)，夜间 ≤55dB(A)。风机转速按散热器温度闭环，夜间负载在 10%~25% 时整机损耗 5.7~7.6kW，只有额定的六分之一左右，风机转速降到四成，风机功率按转速三次方降到 0.2kW 以下，噪声降约 20dB。单元柜内的中频变压器在 35kHz 下本身不在可听频段，磁致伸缩噪声不构成约束，这一点比干变的 100Hz 本体噪声好处理。

九、绝缘、保护与故障工况

（一）绝缘

中压主绝缘由三道构成：中频变压器原副边之间（工频 42kV/1min、雷电冲击 75kV、局部放电 ≤10pC）、单元安装底板与机柜之间的绝缘支撑、单元辅助电源变压器。单元对地绝缘按 10kV 不接地系统单相接地时的工况设计：非故障相对地电压升到线电压，最高 10.7kV，峰值 15.1kV，比正常相电压峰值 8.7kV 高出七成。按小电阻接地系统设计的 SST 放到不接地系统里会欠绝缘，这一条在设计输入里就锁死两种系统都兼容。通信全部走光纤，单元控制板与主控之间没有任何铜导体跨越中压绝缘。

（二）短路与限流倍数

400V 侧这一条要单独说：干变出口的短路电流在 30kA 以上，下游断路器按这个量级整定；逆变器只能给出 2 倍额定，原设计里依赖大短路电流瞬时脱扣的大容量馈线必须重新整定，设计院电气专业要知道这一点，否则选择性全部失效。

（三）单元旁路

每单元交流端并一对反并联晶闸管和一只真空接触器。单元故障时晶闸管 1ms 内导通旁路，真空接触器 30ms 内合闸接替。旁路以后，这一相剩下的单元分担全部相功率：

旁路 1 个单元，10.7kV 上限时调制比 0.78，仍在 0.8 以内，满功率不降额。该相损耗几乎不变：线电流不变，单元数少了，CHB 导通损耗跟着减少，DAB 损耗随单元功率上升，两者基本抵消。

旁路 2 个单元，单元功率 41.0kW，落在 1.1 倍连续过载 41.8kW 以内，热上仍能满功率运行；卡住的是调制比，10.7kV 时到 0.84，超过 0.8 的设计上限，网侧电压骤升时电流会失控。降功率解决不了这个问题，因为调制比由电网电压决定，不由功率决定。对策是把该相单元直流电压从 800V 提到 850V，10.7kV 时调制比回到 0.79，1200V 器件电压利用率从 0.67 升到 0.71，短期可以接受；代价是该相 DAB 原副边电压失配约 6%，额定点电流有效值上升、轻载零电压开通范围收窄。这个状态告警运行，要求 24 小时内换件。

四桥臂逆变器的 N−1 算例：

4 组硬扛 1200kVA 不成立：峰值 612.4A 超过模块标称 600A，结温 125.4℃，2 倍限流已无余量，下游馈线短路时逆变器会先于断路器保护动作。N−1 的连续上限定为 4×260kVA = 1040kVA，结温 105.7℃，超出部分按优先级切除租户插座中的非关键回路和部分空调末端，约 160kVA。夜间和节假日负荷低于 1040kVA，只有白天高峰才需要切负荷。

（四）接地方式

中压侧 CHB 星形中点悬浮，不与中压系统中性点发生联系，中压系统无论小电阻接地还是不接地都不向 SST 注入零序电流。低压侧直流中点 O 与交流 N 同电位，在 SST 出口 PE 排一点接地，正负极对地 ±375V，交流侧 TN-S。每路直流馈线配直流剩余电流监测，电梯驱动的直流母线电缆按 ±375V 对地选型。

（五）直流电弧与带电插拔

750V 直流电弧没有过零点，不会自熄，这是直流母线进楼以后物业最容易出事故的地方。三条硬规矩：电梯驱动与直流母线的连接器必须带高压互锁回路，互锁触点先于主触头断开，SST 侧馈线开关在 10ms 内分断；每路电梯馈线前端装安费诺手动维修开关，检修时先断开维修开关、确认母线侧电压低于 60V 再拔连接器；直流馈线柜内的母排与连接器之间留足电弧隔离距离，柜门与维修开关机械联锁。直流剩余电流监测的动作值按 300mA 整定、延时 0.2s，既能发现电缆绝缘劣化，又不会被电梯驱动的共模电容电流误触发。

（六）中压电缆上楼段的绝缘与局放验收

10kV 电缆从地下变电所沿强电竖井送到各避难层，最高一段垂直长度约 450m。电缆选 8.7/15kV 交联聚乙烯绝缘，不选 6/10kV，理由与 SST 单元对地绝缘相同：不接地系统单相接地时非故障相对地电压升到线电压，允许带故障运行 2 小时，6/10kV 电缆在这个工况下过应力。垂直敷设用带承重钢丝的竖井专用电缆，每个避难层设一处承重固定，电缆自重不传到终端。

交接验收做三项：

交流耐压：20~300Hz 谐振耐压，2U0 即 17.4kV 持续 60min，或 2.5U0 即 21.75kV 持续 5min，二选一。

局放检测：振荡波局放检测作为交接附加项，终端与中间接头的局放量设 ≤100pC 门槛。SST 进线柜里的电缆终端单独测一次，并作为运行期年度复测的基准值。

电容与充电电流：每相 450m 电缆电容约 0.126μF，10kV 下充电电流 0.23A，记录下来作为 SST 预充电与空载并网的基准。

SST 对电缆的额外影响来自 CHB 的开关台阶。每次单元开关都会在 SST 端口产生 800V、20V/ns 的台阶，如果直接送进电缆，终端和中间接头会反复承受高频电压应力，局放起始电压逐年下降。本方案在进线柜里设每相 1.5mH 网侧电感加 0.5μF 星形滤波电容（中点不接地），谐振频率 5.81kHz，对 150kHz 等效开关频率衰减 666 倍，800V 台阶到电缆端口只剩约 1.2V，网侧电感纹波电流峰峰值 0.89A。电缆看到的是平滑的工频电压，验收和运维标准与接干变时一致。这组滤波器约占进线柜重量的一半，但不能省。

十、控制要点

（一）环路与状态机

网侧电流环：dq 坐标 PI 加 5、7 次谐振，带宽 1.2kHz，150kHz 等效开关频率足够支撑。外环是各相单元电压之和的闭环，带宽 15Hz，给出有功电流指令。

单元间电压均衡：同一相 15 个单元的电压偏差由各自 DAB 的移相角微调 ±3% 功率来纠正，不依赖 CHB 调制重分配，这样 CHB 调制只负责网侧电流。

750V 母线：45 个 DAB 并联，每个按 2% 下垂（满载下垂 15V）分担负荷，母线电压环带宽 800Hz。电梯驱动经现场总线每 1ms 上报直流功率指令，DAB 做功率前馈，穿梭梯 143.6kW 满载起动时母线跌落控制在 3% 以内。

母线电压带：735~765V 正常；780V 时 DAB 全反向；800V 投母线制动单元；820V 电梯驱动封锁再生；690V 以下按优先级切除交流非关键馈线。

四桥臂逆变：静止坐标比例谐振控制，基波加 3、5、7 次，电压环带宽 1kHz；第四桥臂中点平衡环 20Hz；5 组之间用虚拟阻抗下垂均流。

状态机：停机 → 中压预充电（三相限流电阻，满压后旁路）→ DAB 软起建立 750V 母线 → 并网空载 → 带载 → 单元故障旁路 → 母线故障限流 → 10kV 失压 → 恢复。10kV 失压时母线在数十毫秒内塌陷，电梯驱动进入自带电池的救援运行，正在减速的电梯再生能量由母线制动单元吸收；应急照明由自带蓄电池的应急电源承担，不依赖这条母线。

（二）母线能量调度与制动投切算例

母线上能缓冲再生能量的只有电容：45 个 DAB 副边合计 9.0mF，12 台电梯驱动直流环节按每台 3.3mF 计合计 39.6mF，母线总电容 48.6mF。从 765V 升到 800V 能吸收的能量：

ΔE = ½×48.6mF×(800²−765²) = 1331J

电梯群瞬时再生峰值 186.5kW（不计同群消纳的最坏情况），若 DAB 不反向，母线 7.1ms 就会升到 800V。DAB 一个开关周期 28.6μs，母线电压环 800Hz 带宽对应的响应时间约 0.6ms，比 7.1ms 快一个数量级，所以并网运行时制动单元不会动作，800V 这一档只为失压工况准备。

能量调度按母线电压和中压状态分四个状态：

就地消纳：母线 735~765V，电梯再生先被同群电梯吸收，余量由 EC 风机、LED 和逆变器吸收，DAB 正向送电。白天绝大部分时间处于这个状态。

反送中压：直流侧与交流侧负荷之和小于电梯净再生，母线升到 765~780V，DAB 按下垂自动反向，把余量送回 10kV，最大反送能力 2 倍额定。只在夜间低负荷时出现。

失压制动：10kV 失压，CHB 与 DAB 封锁，母线升到 800V 时制动单元以 2kHz 斩波投入，790V 退出，10V 滞环。

封锁再生：母线达到 820V，电梯驱动封锁再生，由机械制动停车。

制动单元按失压时 4 台穿梭梯同时受控减速选型。单台穿梭梯运动质量（轿厢、额定载荷、对重、钢丝绳与补偿链）约 10900kg，10m/s 时动能 545kJ，4 台按 0.80 发电效率回到母线的能量合计 1744kJ。按 0.7m/s² 减速，历时 14.3s，单台峰值再生功率 61.0kW，4 台合计 244.2kW，平均 122.1kW。制动单元定为 250kW/15s，制动电阻 2.56Ω（800V 下 250kW）。

这里有一个边界要说清楚：4 台穿梭梯同时满载下行、又恰好同时失压，每台再叠加 86.3kW 的重力不平衡功率，250kW 只够 1.7 台受控减速，其余按电梯原有的失电抱闸逻辑停车。把制动单元做到 600kW 可以全覆盖，但为一个概率极低的工况多出一倍多的电阻和散热空间，不值得。

十一、效率账与对账表

（一）分级效率

全年加权按四档负载计：70% 负载 1000h、45% 负载 1500h、25% 负载 2500h、10% 负载 3760h，年用电 3612MWh。干变在低负载段效率反而高，因为它的固定损耗只有 1.4kW；SST 的固定损耗（中频变压器铁损、单元辅助电源、风机底速、控制）合计约 5kW（中频变压器铁损 2.0kW、单元辅助电源 1.1kW、风机底速与控制 1.0kW、逆变滤波与辅助 0.9kW），低负载段吃亏更多。

（二）整链对整链

（三）年电量对账

本层服务范围年用电 3612MWh，其中一般交流负荷 2302MWh、LED 468MWh、EC 风机 600MWh、电梯电动耗电 242MWh，幕墙光伏年发电 45MWh。直流侧负荷占比 36.3%。

按 0.90 元/kWh，对基线 A 每年省 5.03 万元，对基线 B 每年多花 2.06 万元。

（四）直流侧负荷占比阈值推导

设直流侧负荷占全年用电的比例为 x，交流负荷每 kWh 多耗 p = 1.85%，直流侧负荷每 kWh 按能量加权平均少耗 g。整体打平的条件是 x·g = (1−x)·p，得：

x* = p/(p+g)

阈值 55.1% 在办公塔楼里基本做不到：插座、IT、水泵和厨房这些交流负荷天然占六成以上。所以对基线 B，这台机器从电费上是回不了本的，它只能靠别的账成立。

换一个角度看基线 B 要怎样才能打平：一般交流负荷每搬一 kWh 到直流侧，按 EC 风机的收益水平算，整体改善 1.85%＋1.99% = 3.84%。当前年亏 22.9MWh，需要搬过来约 596MWh，直流侧占比从 36.3% 提到 52.8%。在本服务区里，业主能决定的只有冷冻水二次泵、生活给水变频泵和厨房排风机改直流输入型，合计约 400MWh，还差约 200MWh，只能靠租户侧的办公电源和 IT 设备改直流来补。这笔账说明，基线 B 下打平需要租户参与，不是配电一个专业、也不是业主一方能决定的。

十二、重量、荷载与面积对账

（一）重量

总重减少 3.94t，约 31%，这个数不算惊人。真正起作用的是集中荷载：干变 5t 压在约 3.2m² 的底座上，折合 15.2kN/m²；SST 最重的单相单元柜 967kg，占地 1.2m×1.2m，折合 6.6kN/m²，落在设备层常规 7kN/m² 的设计活荷载以内，不需要局部加固。每个避难层省掉的变压器位置梁板加固，按 8 万元计。

单件重量是第二个起作用的数：SST 最重的可拆运输件是单个功率单元 45.8kg，机柜框架可以散件进场。运营期换一个单元，两个人经货梯送上去，拔插更换约 2 小时；干变整台更换则需要拆解或外吊，工期以周计，费用视楼高和幕墙条件在数十万元量级。

（二）面积

现行方案：干变与 11 面低压柜同室布置，柜列长 13.1m（含两端检修通道），前后通道深 4.0m，约 52.4m²；12 台电梯机房内的输入柜与回馈装置每台约 1.0m²，合计 12m²；共 64.4m²。

SST 方案：进线柜 0.8m＋三相单元柜 3×1.2m＋逆变柜 3×1.0m＋交流馈线柜 4×0.8m＋直流馈线柜 3×0.8m，柜列 13.0m，加两端通道 15.0m；单元从正面抽出，不设后通道，深 3.6m，约 54.0m²。

净省 10.4m²，按超高层建安成本 1.5 万元/m² 折算约 15.6 万元。这个面积在避难层里不能出售，它的价值体现在两处：设备区缩小后避难区净面积更容易满足人数核算，或者腾出位置给储能柜。面积账只在方案设计阶段能兑现，施工图定稿后再换 SST，这 10m² 省不出来。

（三）避难层安装约束

SST 所有柜体都在 7kN/m² 以内，最重的单相单元柜 6.6kN/m²；设备间平均 1.57kN/m²，现行方案 2.09kN/m²。柜体压强只在单元装满后成立，施工顺序是先立空柜、后插单元，立柜阶段楼面几乎没有荷载。

运输分施工期和运营期两段。施工期柜体框架与中压进线柜经施工升降机运输，单件不超过 350kg；功率单元 45.8kg、逆变功率组件（4 只 62mm 模块连散热器与母排）38.3kg，全部人工搬运。运营期没有施工升降机，只有 2t 级货梯，轿厢门宽通常约 1.1m、净高约 2.1m、轿厢深约 2.7m。单相单元柜宽 1.2m、高 2.2m，整柜进不了货梯，这不构成问题：运营期需要替换的只有功率单元、逆变功率组件和单件约 35kg 的滤波电感，柜体框架的设计寿命与建筑同期。万一柜体要换，拆成侧板与顶底框散件，最长件 2.2m，平放进 2.7m 深的轿厢。

消防分隔对柜体的影响有三处：

设备间与避难区之间是 3.00h 防火隔墙、甲级防火门，SST 的风道穿越防火分隔处必须装 70℃ 熔断关闭的防火阀，风道本身按耐火风管做。

电气设备间一般配气体灭火，释放前有 30s 延时预警，防火阀和百叶电动风阀同时关闭，SST 失去散热。控制上接入消防联动：预警期内切除非消防负荷，SST 降到空载后停机。若预警时处于 25% 负载，整机散热约 7.6kW，30s 内柜内温升有限；若处于额定 41.1kW，单元散热器的热容能撑过 30s，但停机后 10 分钟内柜内温度会继续上升，单元重启前必须等风道恢复。

薄膜电容和环氧浇注中频变压器是柜内主要可燃物，要求电容外壳和浇注料提供阻燃等级报告，单元之间用金属隔板分隔，单个单元起火不蔓延到相邻单元。

十三、成本账与回收期

（一）整机成本

只算中压到 750V 的前级，约 0.372 元/W。

单元成本构成：中频变压器 40%、功率模块 20%、驱动板 12%、薄膜电容 10%、散热器与风机及结构 10%、控制采样与辅助电源 8%。中频变压器占四成，是单元里最值得做规模化的部分；功率模块只占两成，器件单价再降 20%，整机只降约 2.6%。

（二）投资对比与回收期

假设写清楚：电价 0.90 元/kWh，年用电 3612MWh，不计电价上涨，不计碳交易，不计干变整台更换的一次性费用，不计光伏与储能的收益。一栋 8 个避难层的塔楼，基线 A 下全楼增量投资约 210 万元，年省电费约 40 万元。

十四、诚实账

（一）哪些条件下不成立

电梯已配能量回馈（基线 B）且直流侧负荷占比低于 55%：电费账不成立，每层每年多花约 2 万元。超过 6m/s 的高速梯，主流配置正是基线 B，所以这台机器在大多数超高层里不能拿节电当主理由。

电梯厂不提供直流输入驱动：电梯侧收益归零，SST 退化成一台效率更低、价格更高的"电子变压器"，不成立。

施工图已定稿：面积和加固账无法兑现，回收期回到只算电费的口径。

负载率长期在 10% 附近：SST 约 5kW 的固定损耗在低负载段占比高，10% 负载时整机损耗 5.7kW，交流路径效率约 95.9%，而干变在同一负载下仍有 99.0%，差距拉大到 3 个点以上。避难层服务的楼层出租率低于四成时，就会落进这个区间。

（二）消防验收与规范归类

建筑防火规范要求避难层的设备管道区用耐火极限不低于 3.00h 的防火隔墙与避难区分隔，高层建筑内的变电所要求采用干式或非可燃液体变压器。SST 的难点在于它不在"变压器"这个类别里：它是含中压电力电子、薄膜电容和强迫风冷的变流设备，消防审查和供电部门在归类上没有现成条文可套。本方案的做法是：中频变压器采用干式环氧浇注并提供阻燃等级报告，单元柜按干式变压器室的防火分隔要求布置，整机按"中压变流设备"申请专项论证。这一关过不去，方案落不了地，立项前必须先和当地消防审查机构、供电部门沟通归类口径。

消防电梯不上直流母线。消防电梯要求消防电源双路供电、末端自动切换，把它挂到单台 SST 的直流母线上，等于把双路电源变成单路，不符合要求。

（三）维护可达性与可靠性

一台 SST 有 270 只 E2B 模块、45 台中频变压器、45 组薄膜电容。按单元失效率 2000FIT 估算，每台每年约 0.79 次单元故障，也就是说一台 SST 大约每年要换一个单元。冗余单元保证不停电，但物业必须有能换单元的人。备件按每台 3 个单元（137kg）存放在避难层设备间，货梯即可运输，这是 SST 在高层的实际优势；干变故障率远低于此，但一旦故障，更换难度是另一个量级。

（四）主要技术风险

中频变压器绝缘老化。原副边绝缘承受的不是纯工频电压，而是工频相电位上叠加 800V、35kHz 的开关台阶。局部放电起始电压按不接地系统单相接地时的工况定：工频峰值 15.1kV 叠加 0.8kV 台阶为 15.9kV，再乘 1.3 的余量，要求起始电压 ≥20.7kV 峰值，并在 35kHz 方波下做局放试验，不能只做工频局放。

风机寿命。EC 风机在 40℃ 环境下 L10 寿命约 5~7 万小时，全年运行意味着 6~8 年要整体换一轮风机，这笔维护费要写进物业预算。

冗余只有一级。每相只多一个单元，同一相连续两个单元故障就要降额；按每台每年约 0.79 次单元故障，同一相在更换周期（按 2 小时换件、备件在现场计）内再坏一个的概率可以忽略，但前提是备件真的在现场，而不是在厂家仓库。

电梯厂的绑定。电梯驱动改直流输入以后，后续更换驱动只能找原厂或同样有直流输入版本的厂家，业主的议价空间会变小。

（五）量化立项判据

满足前四条中的三条以上，才值得进入样机阶段。

十五、料单（单台 1600kVA）

十六、供货与交付

分档配组。每个单元的 2 只 CHB 模块同档，4 只 DAB 模块同档，每组逆变的 4 只 62mm 模块同档，档位按 V_th 与 R_ds(on) 双指标 ±5% 划分。一台 SST 的 180 只 DAB 模块尽量出自同一晶圆批次，因为 45 个 DAB 并联靠下垂均流，R_ds(on) 离散直接变成单元间的温差。

数据包随货。每批货附：短路耐受实测（800V 下 ≥3μs）、Qoss(V) 实测曲线（DAB 位置单独标注 800V 值）、体二极管 1000h 双极退化报告、按本机型剖面的功率循环报告（日循环 ΔTj 25~30K 与电梯秒级 ΔTj 3K 两组）、分档数据表。

BOM 锁在封装外形层。料单只锁 E2B、62mm、TO-247PLUS-4、TO-247-2 四种外形和电压电流档，不锁到单一料号，驱动板按外形配套，产线切换批次不影响结构和驱动。

失效分析闭环。现场失效件 48 小时内给出初判（电应力、热应力、还是制程），一周内给出完整报告，涉及批次问题时同步给出受影响序列号范围。

备货节奏。超高层机电安装按避难层自下而上推进，一栋 8 个避难层的塔楼跨度 12~18 个月。整楼用量：1200V/160A E2B 720 只、1200V/100A E2B 1440 只、62mm 160 只、E2B 驱动板 2160 块、62mm 驱动板 160 块。按每个避难层机电进场前 6 周分批交货，首批锁定整楼的晶圆批次，每台另备 3 个单元的器件（CHB 模块 6 只、DAB 模块 12 只、驱动板 18 块）加 62mm 模块 1 只，存放在项目现场。

十七、器件落点

本机型用到的倾佳杨茜代理的器件：1200V/160A E2B 半桥模块 90 只（CHB）；1200V/100A E2B 半桥模块 180 只（DAB 原副边各 90 只）；1200V/600A 62mm 半桥模块 20 只（四桥臂逆变，5 组×4）；1200V/13mΩ TO-247PLUS-4 单管 4 只（母线制动）；1200V/40A TO-247-2 碳化硅二极管 4 只（制动续流）；E2B 压接式驱动板 270 块；62mm 即插即用驱动板 20 块。安费诺连接器：1000V/250A 储能高压连接器用于直流母线分段与柜间连接，1000V 直流高压连接器用于 12 台电梯驱动的直流接口，手动维修开关用于直流馈线检修隔离。

整机前级效率 98.14%（额定）、交流路径 97.21%（额定）/97.58%（全年加权），对比干变 99.22%/99.38%；整机 0.432 元/W；对制动电阻基线回收期 5.2 年，计入面积价值 2.1 年；对能量回馈基线电费不回收。

倾佳副总杨茜-力推器件方案

审核编辑 黄宇