基于模塊化多電平變換器的有源濾波器研究

周末 周權(quán)

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

關(guān)鍵詞：模塊化多電平變換器 有源濾波器 電能質(zhì)量

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

為解決APF的容量問題，現(xiàn)有5種思路：功率器件的串并聯(lián)技術(shù)、逆變器并聯(lián)技術(shù)、多重化技術(shù)、與無源補(bǔ)償混合、多電平變流器技術(shù)。其中采用多電平技術(shù)已成為高壓大功率領(lǐng)域理想的電能質(zhì)量治理方案，引起國內(nèi)外廣泛關(guān)注[1]。

MMC是目前最先進(jìn)的多電平結(jié)構(gòu)，自2001年提出以來，在中高壓應(yīng)用領(lǐng)域獲得廣泛關(guān)注[2]。MMC結(jié)構(gòu)具有其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：（1）與多重化技術(shù)相比，由于電壓等級的提高，無需特殊設(shè)計(jì)變壓器，節(jié)約成本；（2）與CHB結(jié)構(gòu)相比，無需移相隔離變壓器，具有公共直流母線，易實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，更適合高壓直流輸電與綜合補(bǔ)償領(lǐng)域；（3）每個(gè)SM內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同，模塊化的設(shè)計(jì)利于標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)行可靠性。

1 基于MMC的逆變系統(tǒng)仿真及分析

完整的三相MMC逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，由多個(gè)變流器單元疊加構(gòu)成，假設(shè)每個(gè)變流器單元工作在低開關(guān)頻率狀態(tài)，但是采用CPS-SPWM調(diào)制技術(shù)可以造成多電平結(jié)構(gòu)工作在高開關(guān)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(guān)頻率提高Lx倍，即開關(guān)器件可在較低的開關(guān)頻率下得到較高的等效輸出頻率[3]。

2 MMC-APF系統(tǒng)仿真

為了驗(yàn)證該文模塊化多電平型APF結(jié)構(gòu)的有效性，通過MATLAB7.10.0的動態(tài)仿真工具simulink建立有源補(bǔ)償系統(tǒng)的仿真模型，以交直型機(jī)車模型為負(fù)載，含較大的3、5、7、9等低次奇次諧波，載波頻率fc=10kHz。為驗(yàn)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(wǎng)測電流的波形進(jìn)行分析比較，分別如圖2～圖4所示。通過觀察可發(fā)現(xiàn)，采用MMC型APF后波形得到明顯改善，完全實(shí)現(xiàn)有源補(bǔ)償，且電平數(shù)越高，波形電流越平滑，說明APF自身向系統(tǒng)引入的諧波含量越少，即有源濾波器補(bǔ)償效果越好。

3 結(jié)語

該文采用模塊化多電平技術(shù)對APF進(jìn)行改進(jìn)，對MMC-APF的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行分析，為其可實(shí)現(xiàn)綜合補(bǔ)償提供理論基礎(chǔ)。

以電氣化鐵路中的普速機(jī)車負(fù)載為例對MMC-APF補(bǔ)償性能進(jìn)行分析，通過仿真驗(yàn)證了MMC-APF可以對電氣化鐵路中電能質(zhì)量問題實(shí)現(xiàn)綜合質(zhì)量，由于變流器輸出電流諧波含量少，因此其補(bǔ)償效果優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。即采用模塊化多電平技術(shù)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(yīng)用場合尋找最優(yōu)的電平數(shù)、成本、容量配置的研究將具有很高的研究價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳宇.APF擴(kuò)容的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].廣東工業(yè)大學(xué)，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(qiáng)，何衛(wèi)東.組合變流器相移SPWM技術(shù)研究[J].電力電子技術(shù)，1997（2）：9-11.