模塊化多電平變換器在電力領(lǐng)域的應(yīng)用綜述

商姣　張揚(yáng)　趙同彪

【摘 要】模塊化多電平變換器具有易于電平擴(kuò)展和冗余設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，介紹了H橋型和MMC型模塊化多電平變換器在電力領(lǐng)域的主要應(yīng)用場(chǎng)合，如電能質(zhì)量治理、輕型直流輸電、高壓變頻領(lǐng)域等，并指出其在應(yīng)用中的特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】H橋；MMC；高壓變頻；電能質(zhì)量治理；輕型直流輸電

0 引言

20世紀(jì)50年代，美國通用電氣公司研制出第一個(gè)晶閘管，標(biāo)志著電力電子技術(shù)的誕生[1]。隨后，出現(xiàn)了各式各樣的電力電子器件。在中高壓場(chǎng)合，為了解決單個(gè)電力電子器件電壓等級(jí)不夠的問題，可以將器件串聯(lián)使用，但該方法會(huì)造成電壓分配不均的問題。由此，多電平技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。1980年，日本學(xué)者A.Naba提出三電平中點(diǎn)箝位變換器；20世紀(jì)90年代中期，Robicon公司將H橋級(jí)聯(lián)變換器應(yīng)用于高壓變頻器；2001年，德國學(xué)者M(jìn)arquardt R提出模塊化多電平變換器MMC[2]。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，會(huì)有更多的電力電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)出現(xiàn)。

H橋型結(jié)構(gòu)和MMC型結(jié)構(gòu)均為模塊化結(jié)構(gòu)，具有易于電平擴(kuò)展和冗余設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，其子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，本文將對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)的模塊化多電平變換器在電力領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1 級(jí)聯(lián)H橋的主要應(yīng)用領(lǐng)域

1.1 高壓變頻

將級(jí)聯(lián)H橋應(yīng)用于高壓變頻器，可以通過對(duì)H橋的控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變頻調(diào)速。但由于各H橋直流側(cè)需相互獨(dú)立，因此需要隔離變壓器從交流側(cè)取電，經(jīng)整流電路后給各H橋直流側(cè)電容供電[3]。隔離變壓器可以采用多重化移相多繞組變壓器，從而減小整流電路的電流諧波對(duì)交流電網(wǎng)的影響。該結(jié)構(gòu)擴(kuò)展靈活，具有高度的穩(wěn)定性和可靠性，是目前中高壓變頻領(lǐng)域的主流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

然而當(dāng)電壓等級(jí)升高時(shí)，級(jí)聯(lián)H橋的個(gè)數(shù)增加，所需移相多繞組變壓器的副邊繞組增多，成本、體積、制造難度、工程應(yīng)用難度大大增加。此外，若整流電路采用二極管整流橋，當(dāng)電機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)時(shí)，需要增加電阻制動(dòng)單元，防止直流側(cè)電壓泵升，增加了成本卻將電機(jī)回饋的能量白白浪費(fèi)。

1.2 電能質(zhì)量治理

20世紀(jì)90年代中期，彭方正等學(xué)者提出將級(jí)聯(lián)H橋應(yīng)用于STATCOM（靜止同步補(bǔ)償器）[2]，作為中、高壓領(lǐng)域的電能質(zhì)量治理裝置，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)補(bǔ)償三相不平衡、無功電流、諧波電流的目的。由于各H橋直流側(cè)電容懸浮，需要相應(yīng)的控制算法維持各級(jí)聯(lián)H橋直流側(cè)電壓恒定。針對(duì)不同的補(bǔ)償要求，可以將三相級(jí)聯(lián)H橋接成星形或三角形。在相同電壓等級(jí)下，星形結(jié)構(gòu)所需的模塊數(shù)量較三角形結(jié)構(gòu)少；三角形結(jié)構(gòu)更適用于補(bǔ)償三相不平衡電流，但相電流指令的分配較復(fù)雜。

2 MMC的主要應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 輕型直流輸電

MMC最早被用于輕型直流輸電（HVDC Light），2010年，西門子公司在TransBay工程中將MMC應(yīng)用于直流輸電[4]。在直流輸電場(chǎng)合，MMC為雙變換器形式，具有公共的直流母線，變換器分別工作在整流和逆變狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)功率傳遞。

相比于傳統(tǒng)6脈動(dòng)和12脈動(dòng)換流器，MMC的交流側(cè)諧波含量少，可以節(jié)省濾波和無功補(bǔ)償設(shè)備；可以通過子模塊級(jí)聯(lián)達(dá)到所需電壓等級(jí)，避免了電力電子器件直接串聯(lián)導(dǎo)致的電壓不均問題；冗余設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。

隨著風(fēng)力發(fā)電等新能源分布式發(fā)電越來越多地接入電網(wǎng)，MMC型HVDC系統(tǒng)具有良好的發(fā)展前景[5]。

2.2 高壓變頻

2010年，日本學(xué)者Akagi指出可以將MMC應(yīng)用于中、高壓電機(jī)調(diào)速拖動(dòng)領(lǐng)域[6]，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)、水泵的節(jié)能，其交流輸入經(jīng)過二極管整流后，給直流母線供電，逆變器采用MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，帶電機(jī)負(fù)載運(yùn)行。該結(jié)構(gòu)無需移相多繞組變壓器，但無法實(shí)現(xiàn)能量回饋。若將雙MMC構(gòu)成背靠背的結(jié)構(gòu)，形成公共直流母線，即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行。

該結(jié)構(gòu)輸入功率因數(shù)高，諧波含量低；無需變壓器，體積小、重量輕；模塊化設(shè)計(jì)，冗余設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單；能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的能量回饋。但當(dāng)電機(jī)處于低轉(zhuǎn)速大負(fù)載轉(zhuǎn)矩情況下，MMC的子模塊電容電壓波動(dòng)過大，該問題是限制MMC應(yīng)用于高壓變頻調(diào)速領(lǐng)域的瓶頸問題。

2.3 電能質(zhì)量治理

MMC作為電壓源型變換器，通過合理控制，可以輸出想要的電壓波形，因此，MMC可以應(yīng)用于電能質(zhì)量治理領(lǐng)域[7]，如STATCOM、APF（有源電力濾波器）等。該結(jié)構(gòu)能夠用于補(bǔ)償三相不平衡電流，且相電流指令計(jì)算簡(jiǎn)單；但需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的環(huán)流抑制方案。

3 結(jié)語

H橋型和MMC型多電平變換器為模塊化結(jié)構(gòu)，具有易于電平擴(kuò)展和冗余設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，是電力電子的熱門拓?fù)?。H橋型變換器主要應(yīng)用于高壓變頻調(diào)速、電能質(zhì)量治理領(lǐng)域；MMC型變換器主要應(yīng)用于輕型直流輸電、高壓變頻調(diào)速、電能質(zhì)量治理領(lǐng)域。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)H橋和MMC的工作特點(diǎn)，選擇合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李先允，姜寧秋.電力電子技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2006：1.

[2]H.Akagi，Classification，terminology，and application of the modular multilevel cascade converter（MMCC）[C].IEEE Transaction on Power Electronics.，2011，26（11）： 3119-3130.

[3]陳瓊.H橋級(jí)聯(lián)型高壓變頻器的仿真與實(shí)驗(yàn)[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2010.

[4]韋延方，衛(wèi)志農(nóng)，孫國強(qiáng)，等.適用于電壓源換流器型高壓直流輸電的模塊化多電平換流器最新研究進(jìn)展[J].高電壓技術(shù)，2012，38（5）：1243-1251.

[5]饒宏，宋強(qiáng)，劉文華，等.多端MMC直流輸電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案及比較[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，37（15）：103-108.

[6]H.Akagi，New Trends in Medium-voltage Power Converters and Motor Drives [C].IEEE International Symposium on Industrial Electronics，2011，19（5）：5-14.

[7]朱勁松，李磊.基于模塊化多電平換流器的STATCOM分析與控制[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40（24）：113-117.

[責(zé)任編輯：田吉捷]