商姣 张扬 赵同彪
【摘 要】模块化多电平变换器具有易于电平扩展和冗余设计的优点，介绍了H桥型和MMC型模块化多电平变换器在电力领域的主要应用场合，如电能质量治理、轻型直流输电、高压变频领域等，并指出其在应用中的特点。
【关键词】H桥；MMC；高压变频；电能质量治理；轻型直流输电
0 引言
20世纪50年代，美国通用电气公司研制出第一个晶闸管，标志着电力电子技术的诞生[1]。随后，出现了各式各样的电力电子器件。在中高压场合，为了解决单个电力电子器件电压等级不够的问题，可以将器件串联使用，但该方法会造成电压分配不均的问题。由此，多电平技术应运而生。1980年，日本学者A.Naba提出三电平中点箝位变换器；20世纪90年代中期，Robicon公司将H桥级联变换器应用于高压变频器；2001年，德国学者Marquardt R提出模块化多电平变换器MMC[2]。随着电力电子技术的发展，会有更多的电力电子拓扑结构出现。
H桥型结构和MMC型结构均为模块化结构，具有易于电平扩展和冗余设计等优点，其子模块拓扑结构如图1所示，本文将对这两种结构的模块化多电平变换器在电力领域中的应用进行综述。
1 级联H桥的主要应用领域
1.1 高压变频
将级联H桥应用于高压变频器，可以通过对H桥的控制，实现电机的变频调速。但由于各H桥直流侧需相互独立，因此需要隔离变压器从交流侧取电，经整流电路后给各H桥直流侧电容供电[3]。隔离变压器可以采用多重化移相多绕组变压器，从而减小整流电路的电流谐波对交流电网的影响。该结构扩展灵活，具有高度的稳定性和可靠性，是目前中高压变频领域的主流拓扑结构。
然而当电压等级升高时，级联H桥的个数增加，所需移相多繞组变压器的副边绕组增多，成本、体积、制造难度、工程应用难度大大增加。此外，若整流电路采用二极管整流桥，当电机处于再生发电状态时，需要增加电阻制动单元，防止直流侧电压泵升，增加了成本却将电机回馈的能量白白浪费。
1.2 电能质量治理
20世纪90年代中期，彭方正等学者提出将级联H桥应用于STATCOM（静止同步补偿器）[2]，作为中、高压领域的电能质量治理装置，可以实现同时补偿三相不平衡、无功电流、谐波电流的目的。由于各H桥直流侧电容悬浮，需要相应的控制算法维持各级联H桥直流侧电压恒定。针对不同的补偿要求，可以将三相级联H桥接成星形或三角形。在相同电压等级下，星形结构所需的模块数量较三角形结构少；三角形结构更适用于补偿三相不平衡电流，但相电流指令的分配较复杂。
2 MMC的主要应用领域
2.1 轻型直流输电
MMC最早被用于轻型直流输电（HVDC Light），2010年，西门子公司在TransBay工程中将MMC应用于直流输电[4]。在直流输电场合，MMC为双变换器形式，具有公共的直流母线，变换器分别工作在整流和逆变状态，以实现功率传递。
相比于传统6脉动和12脉动换流器，MMC的交流侧谐波含量少，可以节省滤波和无功补偿设备；可以通过子模块级联达到所需电压等级，避免了电力电子器件直接串联导致的电压不均问题；冗余设计简单。
随着风力发电等新能源分布式发电越来越多地接入电网，MMC型HVDC系统具有良好的发展前景[5]。
2.2 高压变频
2010年，日本学者Akagi指出可以将MMC应用于中、高压电机调速拖动领域[6]，以实现风机、水泵的节能，其交流输入经过二极管整流后，给直流母线供电，逆变器采用MMC拓扑结构，带电机负载运行。该结构无需移相多绕组变压器，但无法实现能量回馈。若将双MMC构成背靠背的结构，形成公共直流母线，即可实现电机的四象限运行。
该结构输入功率因数高，谐波含量低；无需变压器，体积小、重量轻；模块化设计，冗余设计简单；能够实现电机的能量回馈。但当电机处于低转速大负载转矩情况下，MMC的子模块电容电压波动过大，该问题是限制MMC应用于高压变频调速领域的瓶颈问题。
2.3 电能质量治理
MMC作为电压源型变换器，通过合理控制，可以输出想要的电压波形，因此，MMC可以应用于电能质量治理领域[7]，如STATCOM、APF（有源电力滤波器）等。该结构能够用于补偿三相不平衡电流，且相电流指令计算简单；但需要设计相应的环流抑制方案。
3 结语
H桥型和MMC型多电平变换器为模块化结构，具有易于电平扩展和冗余设计等优点，是电力电子的热门拓扑。H桥型变换器主要应用于高压变频调速、电能质量治理领域；MMC型变换器主要应用于轻型直流输电、高压变频调速、电能质量治理领域。在实际应用中，可以根据H桥和MMC的工作特点，选择合理的拓扑结构。
【参考文献】
[1]李先允，姜宁秋.电力电子技术[M].北京：中国电力出版社，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]陈琼.H桥级联型高压变频器的仿真与实验[D].长沙：湖南大学，2010.
[4]韦延方，卫志农，孙国强，等.适用于电压源换流器型高压直流输电的模块化多电平换流器最新研究进展[J].高电压技术，2012，38（5）：1243-1251.
[5]饶宏，宋强，刘文华，等.多端MMC直流输电系统的优化设计方案及比较[J].电力系统自动化，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]朱劲松，李磊.基于模块化多电平换流器的STATCOM分析与控制[J].电力系统保护与控制，2012，40（24）：113-117.
[责任编辑：田吉捷]
