基于模块化多电平变换器的有源滤波器研究

周末 周权

摘 要：随着电气化铁路的日益发展，谐波、负序大量增多，在电网中运行的有源滤波器（Active Power Filter，APF）在补偿时可能会遇到待补偿容量大于装置实际输出容量的情况，模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter，MMC）结构因具有结构模块化易于扩展、所需元件少、可以避免补偿装置的频繁投切对电网造成的扰动等优点，其研究对APF灵活扩容具有重大意义，且多电平结构的有源滤波器自身输出谐波含量少，适用于有源补偿场合。该文对基于模块化有源滤波器进行分析与仿真，通过仿真结果证明模块化多电平型有源滤波器可以提高补偿性能。

关键词：模块化多電平变换器 有源滤波器 电能质量

中图分类号：TN713+.8 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）01（b）-0-02

为解决APF的容量问题，现有5种思路：功率器件的串并联技术、逆变器并联技术、多重化技术、与无源补偿混合、多电平变流器技术。其中采用多电平技术已成为高压大功率领域理想的电能质量治理方案，引起国内外广泛关注[1]。

MMC是目前最先进的多电平结构，自2001年提出以来，在中高压应用领域获得广泛关注[2]。MMC结构具有其独特优点：（1）与多重化技术相比，由于电压等级的提高，无需特殊设计变压器，节约成本；（2）与CHB结构相比，无需移相隔离变压器，具有公共直流母线，易实现四象限运行，更适合高压直流输电与综合补偿领域；（3）每个SM内部结构相同，模块化的设计利于标准化规模化生产，降低生产成本，也方便提高装置冗余度，增加运行可靠性。

1 基于MMC的逆变系统仿真及分析

完整的三相MMC逆变器拓扑结构如图1所示，由多个变流器单元叠加构成，假设每个变流器单元工作在低开关频率状态，但是采用CPS-SPWM调制技术可以造成多电平结构工作在高开关频率下的假象，而且输出最低次载波谐波在K=Lxfc/fm处，等效开关频率提高Lx倍，即开关器件可在较低的开关频率下得到较高的等效输出频率[3]。

2 MMC-APF系统仿真

为了验证该文模块化多电平型APF结构的有效性，通过MATLAB7.10.0的动态仿真工具simulink建立有源补偿系统的仿真模型，以交直型机车模型为负载，含较大的3、5、7、9等低次奇次谐波，载波频率fc=10kHz。为验证多电平APF的输出电压谐波含量减少，对APF投入前以及采用2电平、11电平、21电平APF后网测电流的波形进行分析比较，分别如图2～图4所示。通过观察可发现，采用MMC型APF后波形得到明显改善，完全实现有源补偿，且电平数越高，波形电流越平滑，说明APF自身向系统引入的谐波含量越少，即有源滤波器补偿效果越好。

3 结语

该文采用模块化多电平技术对APF进行改进，对MMC-APF的拓扑结构及工作原理进行分析，为其可实现综合补偿提供理论基础。

以电气化铁路中的普速机车负载为例对MMC-APF补偿性能进行分析，通过仿真验证了MMC-APF可以对电气化铁路中电能质量问题实现综合质量，由于变流器输出电流谐波含量少，因此其补偿效果优于传统结构。即采用模块化多电平技术的APF可以除了可以灵活有效地提升APF容量，也可以明显地提高性能。对具体应用场合寻找最优的电平数、成本、容量配置的研究将具有很高的研究价值。

参考文献

[1] 陈宇.APF扩容的关键技术研究[D].广东工业大学，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] 张仲超，方强，何卫东.组合变流器相移SPWM技术研究[J].电力电子技术，1997（2）：9-11.