电驱压裂变频装备具有显著的经济效益和卓越的环保性，并可实现全自动数字化控制，实现精准排量控制，电驱压裂变频器方案一直是行业内聚焦的重要内容，现场压裂条件要求压裂变频系统具有更大的自适应柔性，便于实现自动化和智能化。目前采用电驱变频传动技术实现小体积、大功率和国产化压裂装备已经成为行业共识，成为压裂装备的主要发展方向，并成为各装备厂家的竞争关键。
目前国产压裂变频传动及控制系统特别是变频器本身相对国外产品在可靠性和适应性方面仍然存在不少差距，促进电驱压裂装备进一步降低成本和提高国产化率。 压裂用变频驱动系统从电路拓扑结构上而言，目前ABB的三电平（9电平）结构因控制算法灵活、结构简单、功率器件少而本质可靠性高，且已由宏华与宝石7000型样机验证过，此电路结构的变频器在压裂场合应用较为广泛。杰瑞与四机采用的共变压器、共直流母线方案在低压变频器中较为常见，但沿用到压裂大功率工况中时整流环节出现故障的风险高，尤其是两台泵同时大功率作业时变压器损坏后两台泵均无法工作，电路可靠性不如三电平结构。从散热方式而言，风冷对终端用户的维护性能好，但是针对新疆高温多风沙的环境，变频房的抗风沙环节必需考虑，川渝地区可不用考虑。
高压变频装置的功率器件因具有耐压上限而在选取使用上受到诸多限制，耐压性能高的器件成本较高，其阈值未必适应压裂设备的现场要求，而耐压性能较低的功率器件，需进行串联或级联等组合达到耐压要求，但功率开关器件使用数量大会导致功率器件存在均压问题，且控制策略较为复杂。
大功率高压变频驱动传动系统往往体量较大，运输不便，散热性能等方面都有待提升，控制系统拓扑架构直接影响国产变频器面临的这个关键问题。通过国产变频器设计方案的系统优化和模拟，进行集成模块化设计研究，提高系统功率，降低整体重量。
目前，IGBT等电子功率器件耐压等级存在高压瓶颈，三电平和多电平系统架构的出现主要就是解决这个问题，电平数多，波形更趋近于正弦波。为满足中高压使用要求，可以用以下3种方法来提高传动系统运行电压：
- 增加功率单元电平数
应用这种方法时，假定三电平NPC变频器的额定运行电压为4.16kV，则六电平NPC变频器可以提高一倍运行电压，然而六电平NPC变频器的元器件数量超过三电平NPC变频器的元器件数量4倍，六电平NPC变频器总共需要95个元器件，包括30个有源开关（功率器件）、60个箝位二极管和5个直流电容；而三电平NPC变频器只需要20个元器件，包括12个有源开关、6个箝位二极管和2个直流电容，这就导致了系统成本较高，因此增加功率单元电平数在10kV级传动系统开发中具有一定局限性。
- 串联功率开关器件
通过这种方法实现10kV级运行能力的变频器可能存在dv/dt问题。使用串联功率器件的10kV两电平变换器，输出电压的dv/dt 可能超过10kV/μs，这么高的dv/dt将导致很大的轴电流，并对电机定子绕组绝缘造成损害，需要采取措施加以抑制。为了确保串联的功率开关器件之间的电压能够均分，必须安装静态和动态电压均衡电路。串联多电平控制性能复杂，10kV高压系统IGBT开关状态繁多，导致不易进行复杂控制算法，电机的控制性能降低，由于电气元件数量多，变频器体积和重量都较大，但采用的是低压IGBT器件，因此具有成本较低的优势。
- 级联多个功率单元或子模块
变频器的模块化结构使其能够灵活地提高运行电压，这些模块化变频器同样能够输出具有很低dv/dt和THD的波形，但其代价则是功率器件数量的大量增加。由于变频器中没有功率器件的串联，因此避免了均压问题。 10kV级传动系统变频器拓扑结构的最终选择必须综合考虑各种因素，包括传动系统的运行条件和技术特性、功率开关器件选择、变频器的可靠性、保护功能、成本、效率和传动系统的体积等，下面是当前高压变频器市场上具有典型性的拓扑结构。
1 多电平串联H桥逆变传动系统
多电平串联H桥（Cascaded H-bridge，CHB）逆变器是国产中高压变频传动系统的主流拓扑结构，CHB逆变器通常在功率单元中采用低压IGBT作为开关器件，其中一组H桥功率单元如图所示，把这些功率单元串联起来满足高压需求，从而与其它多电平逆变器需要采用高压IGBT或GCT相比，成本显著降低。
CHB 逆变器的每个功率单元，由三相二极管整流器、直流电容和单相H桥逆变器组成。每个功率单元的输出电压为 650V（基波电压有效值)，这样就可以采用低压器件，尽管采用低压器件，功率单元之间以及单元对地之间必须达到中高压等级的绝缘水平。
CHB 逆变器可根据电压等级不同而进行相应的配置。图是6600V中高压传动系统CHB 逆变器结构框图，由两套完全一样的7电平CHB逆变器串联，共包含18个CHB功率单元，功率单元所用IGBT额定电压为1700V，单个功率单元输出电压为650V。
移相变压器为功率单元提供隔离的电源，减小线电流的THD总谐波畸变率，隔离电网和变频器以减小共模电压，移相变压器有3组二次侧绕组，每—组又包括了3个相同的绕组，在7电平CHB 传动系统中，每相任意两个相邻绕组间的相角差为20°，在这种结构中，每个二次侧绕组都与一个三相二极管整流器相连。
CHB 逆变器通常采用载波相移调制方案，为提高输出电压，可采用3次谐波注入法。多电平 CHB 逆变器具有很多独有优点：
1）模块化的结构。便于规模化大批量生产的低压功率单元，易于降低成本和便于维修，可用于不同电压等级下的多电平 CHB 逆变器，功率单元便于替换，从而缩短了生产故障停机时间。
2）接近正弦的输出波形。CHB 逆变器可产生 dv/dt很小的交流电压，通常不需要任何输出滤波器，在使电机免于受到过高 dv/dt 损害的同时，可将谐波损耗减到最小。
3）旁路功能提高系统可靠性。将故障功率单元旁路，利用其余正常单元，逆变器仍可继续降容运行，利用中性点偏移技术，逆变器的三相输出电压仍可保持正弦，最高输出压降较小。
4）易于实现冗余运行。在CHB逆变器每相桥臂上增加一个冗余的功率单元，可提高传动系统的可靠性，当某个功率单元发生故障时，可将其旁路，而不会降低逆变器的输出容量。
多电平 CHB 逆变器的缺点包括：
1）移相变压器成本较高。移相变压器是 CHB 逆变器中最昂贵的设备，它的二次绕组必须采用特殊设计以保证漏抗对称性，以消除谐波电流。
2） 需要大量电缆。多电平 CHB 逆变器通常需要 27~45根电缆连接功率单元和变压器，因此将变压器置于远离逆变器的地方，会使得系统成本增加很多，而将变压器安装在逆变器柜内，则会增加系统的占地面积，并且对房间冷却条件的要求也会提高。
3) 需要大量的开关器件。CHB 逆变器使用了许多低压开关器件，从而潜在降低系统可靠性。
2 NPC/H桥传动系统
NPC（Neutral Point Clamped）三电平拓扑结构是一种应用广泛的多电平拓扑结构。NPC拓扑结构最早由日本长冈科技大学学者南波江章（Akira Nabae）在80年的IAS年会上提出，并于90年代初在高压变频器上得到实际工业应用。近年来随着电力电子技术在电力行业的发展，NPC三电平技术开始越来越多的应用到包括高压变频器等的各个工业领域。
二极管箝位式多电平逆变器通过箝位二极管和串联直流电容器产生多电平交流电压，逆变器的拓扑结构通常有三、四、五这3种电平。目前只有三电平二极管箝位式逆变器（简称三电平 NPC逆变器）在中高压大功率传动系统中得到了实际应用，通常称为中点箝位式（NPC) 逆变器。NPC逆变器的主要特征是，输出电压比两电平逆变器具有更小的dv/dt 和THD。更重要的是，这种逆变器无需采用器件串联，就可以应用于一定电压等级的中高压传动系统。
3 CMC矩阵变换器传动系统
级联矩阵式变换器（Cascaded Matrix Converter, CMC) 是一种相对较新的大功率中高压变频器拓扑结构，基于该拓扑结构的传动系统已经具有了商业化应用。CMC拓扑的一个主要特征是功率变换不需要经过直流环节，直接从交流输入侧转换到交流输出侧。CMC拓扑结构中的每相桥臂由多个级联起来的矩阵式变换器（Matrix Converter, MC) 模块组成，以生成高质量的输出电压波形，但需要为每个MC模块提供独立的三相供电电源，这种拓扑结构主要采用IGBT器件。
中高压传动系统中常用到交-直-交变换器的拓扑结构，其整流器和逆变器通过直流母线连接在一起。经典的矩阵变换器（MC)作为可以替代交-直-交变换器的一种交-交换器，已经在变速电动机传动系统中得到了应用。然而，由于缺少足够高电流和电压等级的开关器件，经典矩阵变换器不能直接用于中高压传动系统中。借助多电平串联H桥式（CHB)变频器的思想，模块化级联矩阵变换器（CMC)在中高压传动系统中得到应用，可以通过易于采购的低压开关器件搭建出功率等级达到6MW、电压等级达到6.6kV的传动系统。图6为矩阵变换器的两种双向开关结构，图7为由9个双向开关组成的三相矩阵变换器拓扑结构图。
模块化级联矩阵变换器（CMC)的每一相，都是由多个三相转一相（3×1)的矩阵变换器模块级联而成。用于中高压传动系统的交-直-交电压源型变频器，其直流侧需要一个很大的电容，和低压驱动中常用的电解电容不同，这个电容必须是耐压值较高的薄膜电容，因此其造价高、体积大。同样，用于中高压传动系统的电流源型变频器直流侧电感同样也是造价高、体积大。由于CMC取消了直流环节，因此可以大大降低传动系统的成本和体积。
作为直接功率转换和多模块级联结构的组合，CMC还有许多其他特征，包括可以降低成本的模块化设计、具备四象限运行能力、输入和输出都接近正弦波等。然而，由于缺少直流环节，CMC的调制方法比较复杂。同时，CMC对输入电压的扰动很敏感，不具备故障穿越能力。尽管存在一些缺点，模块化变换器CMC在中高压传动系统中还是因其具有独特优势而得以发展推广。 CMC模块化变换器区别于MMC模块化多电平换流器，MMC的出现多用于高压直流（ＨＶＤＣ）输电技术，系统功率因素可控，可以四象限运行，电压应力小，输出波形谐波小，现在广泛应用于风电等新能源。
