基于模塊化多電平變換器的有源濾波器研究

周末 周權

摘 要：隨著電氣化鐵路的日益發展，諧波、負序大量增多，在電網中運行的有源濾波器（Active Power Filter，APF）在補償時可能會遇到待補償容量大于裝置實際輸出容量的情況，模塊化多電平變換器（Modular Multilevel Converter，MMC）結構因具有結構模塊化易于擴展、所需元件少、可以避免補償裝置的頻繁投切對電網造成的擾動等優點，其研究對APF靈活擴容具有重大意義，且多電平結構的有源濾波器自身輸出諧波含量少，適用于有源補償場合。該文對基于模塊化有源濾波器進行分析與仿真，通過仿真結果證明模塊化多電平型有源濾波器可以提高補償性能。

關鍵詞：模塊化多電平變換器 有源濾波器 電能質量

中圖分類號：TN713+.8 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）01（b）-0-02

為解決APF的容量問題，現有5種思路：功率器件的串并聯技術、逆變器并聯技術、多重化技術、與無源補償混合、多電平變流器技術。其中采用多電平技術已成為高壓大功率領域理想的電能質量治理方案，引起國內外廣泛關注[1]。

MMC是目前最先進的多電平結構，自2001年提出以來，在中高壓應用領域獲得廣泛關注[2]。MMC結構具有其獨特優點：（1）與多重化技術相比，由于電壓等級的提高，無需特殊設計變壓器，節約成本；（2）與CHB結構相比，無需移相隔離變壓器，具有公共直流母線，易實現四象限運行，更適合高壓直流輸電與綜合補償領域；（3）每個SM內部結構相同，模塊化的設計利于標準化規模化生產，降低生產成本，也方便提高裝置冗余度，增加運行可靠性。

1 基于MMC的逆變系統仿真及分析

完整的三相MMC逆變器拓撲結構如圖1所示，由多個變流器單元疊加構成，假設每個變流器單元工作在低開關頻率狀態，但是采用CPS-SPWM調制技術可以造成多電平結構工作在高開關頻率下的假象，而且輸出最低次載波諧波在K=Lxfc/fm處，等效開關頻率提高Lx倍，即開關器件可在較低的開關頻率下得到較高的等效輸出頻率[3]。

2 MMC-APF系統仿真

為了驗證該文模塊化多電平型APF結構的有效性，通過MATLAB7.10.0的動態仿真工具simulink建立有源補償系統的仿真模型，以交直型機車模型為負載，含較大的3、5、7、9等低次奇次諧波，載波頻率fc=10kHz。為驗證多電平APF的輸出電壓諧波含量減少，對APF投入前以及采用2電平、11電平、21電平APF后網測電流的波形進行分析比較，分別如圖2～圖4所示。通過觀察可發現，采用MMC型APF后波形得到明顯改善，完全實現有源補償，且電平數越高，波形電流越平滑，說明APF自身向系統引入的諧波含量越少，即有源濾波器補償效果越好。

3 結語

該文采用模塊化多電平技術對APF進行改進，對MMC-APF的拓撲結構及工作原理進行分析，為其可實現綜合補償提供理論基礎。

以電氣化鐵路中的普速機車負載為例對MMC-APF補償性能進行分析，通過仿真驗證了MMC-APF可以對電氣化鐵路中電能質量問題實現綜合質量，由于變流器輸出電流諧波含量少，因此其補償效果優于傳統結構。即采用模塊化多電平技術的APF可以除了可以靈活有效地提升APF容量，也可以明顯地提高性能。對具體應用場合尋找最優的電平數、成本、容量配置的研究將具有很高的研究價值。

參考文獻

[1] 陳宇.APF擴容的關鍵技術研究[D].廣東工業大學，2013.

[2] Far AAJ，Hajian M，Jovcic D，et al.High-power modular multilevel converter optimal design for DC/ DC converter applications[J].IET Power Electronics，2016，9（2）：247-255.

[3] 張仲超，方強，何衛東.組合變流器相移SPWM技術研究[J].電力電子技術，1997（2）：9-11.