周末 周權(quán)

摘 要：隨著電氣化鐵路的日益發(fā)展，諧波、負序大量增多，在電網(wǎng)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(jié)構(gòu)因具有結(jié)構(gòu)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(wǎng)造成的擾動等優(yōu)點，其研究對APF靈活擴容具有重大意義，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(jié)果證明模塊化多電平型有源濾波器可以提高補償性能。

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(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)具有其獨特優(yōu)點：（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，易實現(xiàn)四象限運行，更適合高壓直流輸電與綜合補償領(lǐng)域；（3）每個SM內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同，模塊化的設(shè)計利于標準化規(guī)?；a(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 基于MMC的逆變系統(tǒng)仿真及分析

完整的三相MMC逆變器拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，由多個變流器單元疊加構(gòu)成，假設(shè)每個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建立有源補償系統(tǒng)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(wǎng)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(fā)現(xiàn)，采用MMC型APF后波形得到明顯改善，完全實現(xiàn)有源補償，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進行改進，對MMC-APF的拓撲結(jié)構(gòu)及工作原理進行分析，為其可實現(xiàn)綜合補償提供理論基礎(chǔ)。

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(zhì)量問題實現(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值。

參考文獻

[1] 陳宇.APF擴容的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].廣東工業(yè)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(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.