基于MMC技術的有源濾波器可行性分析

周末　周權

摘 要：當有源濾波器（active power filter，APF）用于電氣化鐵路等大容量諧波補償時，現(xiàn)有電力電子器件的載流能力的提高限制了其所容許的開關頻率，較低的開關頻率直接影響高頻電流的跟蹤能力，并使輸出諧波含量增加。此外當APF用于大容量場合時，需要保障APF具有較大的補償容量，避免補償裝置的頻繁投切對電網(wǎng)造成的擾動。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、所需元件少等優(yōu)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。本文對MMC及基于MMC技術的APF進行數(shù)學模型分析，通過數(shù)學公式證明模塊化多電平變換器可以應用于APF中，并提供補償性能。

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 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）02（c）-0106-02

當APF用于大容量場合時，需要保障APF具有較大的補償容量、較高的載波能力及開關頻率。現(xiàn)有的APF面臨這些問題時，一般會犧牲補償性能，而更換新的大容量APF對原有的APF是很大的浪費，因此研究實現(xiàn)大容量APF以及如何實現(xiàn)APF的靈活擴容具有研究意義[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]。其具有獨特優(yōu)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(jié)約成本；（2）無需移相隔離變壓器，具有公共直流母線，易實現(xiàn)四象限運行，更適合高壓直流輸電與綜合補償領域；（3）每個子模內部結構相同，模塊化的設計利于標準化規(guī)模化生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，也方便提高裝置冗余度，增加運行可靠性。

1 MMC數(shù)學模型分析

據(jù)圖1所示的三相MMC拓撲結構以A相為例進行分析。ia、ib、ic為MMC三相輸出電流，iap、ibp、icp為MMC三相上橋臂電流，ian、ibn、icn為MMC三相下橋臂電流，、分別為A相上、下橋臂第i個SM的開關狀態(tài)，每相橋臂有N個子模[3]。通過定義MMC的A相開關狀態(tài)可以得到A相輸出電流動態(tài)方程：

由式2、式3可知，三相輸出電流的大小與相位由、與、、共同決定，歸根結底其實是由MMC上、下橋臂的開關狀態(tài)決定。控制輸出電流進可以一步控制補償裝置與電網(wǎng)之間的有功、無功功率的交換，實現(xiàn)綜合補償?shù)哪康摹?/p>

3 結語

通過文中數(shù)學分析可知，模塊化多電平變換器的輸出電流由調制策略控制上下臂開關狀態(tài)進行輸出，而模塊化多電平型APF的補償電流由MMC輸出電流直接控制，因此，尋找合適的調制策略可以使MMC型APF輸出高精度、高質量的補償電流，進而提高補償能力。因此可以分析，對APF進行模塊化多電平技術改進后，可以有效提高有源補償性能、補償容量、補償精度等。

參考文獻

[1] 陳宇.APF擴容的關鍵技術研究[D].廣東工業(yè)大學，2013.

[2] Far A A J，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] 周月賓，江道灼，郭捷，等.模塊化多電平換流器子模塊電容電壓波動與內部環(huán)流分析[J].中國電機工程學報，2012，32（24）：8-14.