模塊化多電平變換器在電力領域的應用綜述

商姣　張揚　趙同彪

【摘 要】模塊化多電平變換器具有易于電平擴展和冗余設計的優點，介紹了H橋型和MMC型模塊化多電平變換器在電力領域的主要應用場合，如電能質量治理、輕型直流輸電、高壓變頻領域等，并指出其在應用中的特點。

【關鍵詞】H橋；MMC；高壓變頻；電能質量治理；輕型直流輸電

0 引言

20世紀50年代，美國通用電氣公司研制出第一個晶閘管，標志著電力電子技術的誕生[1]。隨后，出現了各式各樣的電力電子器件。在中高壓場合，為了解決單個電力電子器件電壓等級不夠的問題，可以將器件串聯使用，但該方法會造成電壓分配不均的問題。由此，多電平技術應運而生。1980年，日本學者A.Naba提出三電平中點箝位變換器；20世紀90年代中期，Robicon公司將H橋級聯變換器應用于高壓變頻器；2001年，德國學者Marquardt R提出模塊化多電平變換器MMC[2]。隨著電力電子技術的發展，會有更多的電力電子拓撲結構出現。

H橋型結構和MMC型結構均為模塊化結構，具有易于電平擴展和冗余設計等優點，其子模塊拓撲結構如圖1所示，本文將對這兩種結構的模塊化多電平變換器在電力領域中的應用進行綜述。

1 級聯H橋的主要應用領域

1.1 高壓變頻

將級聯H橋應用于高壓變頻器，可以通過對H橋的控制，實現電機的變頻調速。但由于各H橋直流側需相互獨立，因此需要隔離變壓器從交流側取電，經整流電路后給各H橋直流側電容供電[3]。隔離變壓器可以采用多重化移相多繞組變壓器，從而減小整流電路的電流諧波對交流電網的影響。該結構擴展靈活，具有高度的穩定性和可靠性，是目前中高壓變頻領域的主流拓撲結構。

然而當電壓等級升高時，級聯H橋的個數增加，所需移相多繞組變壓器的副邊繞組增多，成本、體積、制造難度、工程應用難度大大增加。此外，若整流電路采用二極管整流橋，當電機處于再生發電狀態時，需要增加電阻制動單元，防止直流側電壓泵升，增加了成本卻將電機回饋的能量白白浪費。

1.2 電能質量治理

20世紀90年代中期，彭方正等學者提出將級聯H橋應用于STATCOM（靜止同步補償器）[2]，作為中、高壓領域的電能質量治理裝置，可以實現同時補償三相不平衡、無功電流、諧波電流的目的。由于各H橋直流側電容懸浮，需要相應的控制算法維持各級聯H橋直流側電壓恒定。針對不同的補償要求，可以將三相級聯H橋接成星形或三角形。在相同電壓等級下，星形結構所需的模塊數量較三角形結構少；三角形結構更適用于補償三相不平衡電流，但相電流指令的分配較復雜。

2 MMC的主要應用領域

2.1 輕型直流輸電

MMC最早被用于輕型直流輸電（HVDC Light），2010年，西門子公司在TransBay工程中將MMC應用于直流輸電[4]。在直流輸電場合，MMC為雙變換器形式，具有公共的直流母線，變換器分別工作在整流和逆變狀態，以實現功率傳遞。

相比于傳統6脈動和12脈動換流器，MMC的交流側諧波含量少，可以節省濾波和無功補償設備；可以通過子模塊級聯達到所需電壓等級，避免了電力電子器件直接串聯導致的電壓不均問題；冗余設計簡單。

隨著風力發電等新能源分布式發電越來越多地接入電網，MMC型HVDC系統具有良好的發展前景[5]。

2.2 高壓變頻

2010年，日本學者Akagi指出可以將MMC應用于中、高壓電機調速拖動領域[6]，以實現風機、水泵的節能，其交流輸入經過二極管整流后，給直流母線供電，逆變器采用MMC拓撲結構，帶電機負載運行。該結構無需移相多繞組變壓器，但無法實現能量回饋。若將雙MMC構成背靠背的結構，形成公共直流母線，即可實現電機的四象限運行。

該結構輸入功率因數高，諧波含量低；無需變壓器，體積小、重量輕；模塊化設計，冗余設計簡單；能夠實現電機的能量回饋。但當電機處于低轉速大負載轉矩情況下，MMC的子模塊電容電壓波動過大，該問題是限制MMC應用于高壓變頻調速領域的瓶頸問題。

2.3 電能質量治理

MMC作為電壓源型變換器，通過合理控制，可以輸出想要的電壓波形，因此，MMC可以應用于電能質量治理領域[7]，如STATCOM、APF（有源電力濾波器）等。該結構能夠用于補償三相不平衡電流，且相電流指令計算簡單；但需要設計相應的環流抑制方案。

3 結語

H橋型和MMC型多電平變換器為模塊化結構，具有易于電平擴展和冗余設計等優點，是電力電子的熱門拓撲。H橋型變換器主要應用于高壓變頻調速、電能質量治理領域；MMC型變換器主要應用于輕型直流輸電、高壓變頻調速、電能質量治理領域。在實際應用中，可以根據H橋和MMC的工作特點，選擇合理的拓撲結構。

【參考文獻】

[1]李先允，姜寧秋.電力電子技術[M].北京：中國電力出版社，2006：1.

[2]H.Akagi，Classification，terminology，and application of the modular multilevel cascade converter（MMCC）[C].IEEE Transaction on Power Electronics.，2011，26（11）： 3119-3130.

[3]陳瓊.H橋級聯型高壓變頻器的仿真與實驗[D].長沙：湖南大學，2010.

[4]韋延方，衛志農，孫國強，等.適用于電壓源換流器型高壓直流輸電的模塊化多電平換流器最新研究進展[J].高電壓技術，2012，38（5）：1243-1251.

[5]饒宏，宋強，劉文華，等.多端MMC直流輸電系統的優化設計方案及比較[J].電力系統自動化，2013，37（15）：103-108.

[6]H.Akagi，New Trends in Medium-voltage Power Converters and Motor Drives [C].IEEE International Symposium on Industrial Electronics，2011，19（5）：5-14.

[7]朱勁松，李磊.基于模塊化多電平換流器的STATCOM分析與控制[J].電力系統保護與控制，2012，40（24）：113-117.

[責任編輯：田吉捷]