基于MMC技术的有源滤波器可行性分析

摘 要：当有源滤波器（active power filter，APF）用于电气化铁路等大容量谐波补偿时，现有电力电子器件的载流能力的提高限制了其所容许的开关频率，较低的开关频率直接影响高频电流的跟踪能力，并使输出谐波含量增加。此外当APF用于大容量场合时，需要保障APF具有较大的补偿容量，避免补偿装置的频繁投切对电网造成的扰动。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、所需元件少等优点，其研究对APF灵活扩容具有重大意義，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。本文对MMC及基于MMC技术的APF进行数学模型分析，通过数学公式证明模块化多电平变换器可以应用于APF中，并提供补偿性能。

关键词：模块化多电平变换器 有源滤波器 电能质量

中图分类号：TN713 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）02（c）-0106-02

当APF用于大容量场合时，需要保障APF具有较大的补偿容量、较高的载波能力及开关频率。现有的APF面临这些问题时，一般会牺牲补偿性能，而更换新的大容量APF对原有的APF是很大的浪费，因此研究实现大容量APF以及如何实现APF的灵活扩容具有研究意义[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]。其具有独特优点：（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）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）每个子模内部结构相同，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 MMC数学模型分析

据图1所示的三相MMC拓扑结构以A相为例进行分析。ia、ib、ic为MMC三相输出电流，iap、ibp、icp为MMC三相上桥臂电流，ian、ibn、icn为MMC三相下桥臂电流，、分别为A相上、下桥臂第i个SM的开关状态，每相桥臂有N个子模[3]。通过定义MMC的A相开关状态可以得到A相输出电流动态方程：

由式2、式3可知，三相输出电流的大小与相位由、与、、共同决定，归根结底其实是由MMC上、下桥臂的开关状态决定。控制输出电流进可以一步控制补偿装置与电网之间的有功、无功功率的交换，实现综合补偿的目的。

3 结语

通过文中数学分析可知，模块化多电平变换器的输出电流由调制策略控制上下臂开关状态进行输出，而模块化多电平型APF的补偿电流由MMC输出电流直接控制，因此，寻找合适的调制策略可以使MMC型APF输出高精度、高质量的补偿电流，进而提高补偿能力。因此可以分析，对APF进行模块化多电平技术改进后，可以有效提高有源补偿性能、补偿容量、补偿精度等。

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 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]周月宾，江道灼，郭捷，等.模块化多电平换流器子模块电容电压波动与内部环流分析[J].中国电机工程学报，2012，32（24）：8-14.

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