模块化多电平换流器(MMC)原理简介..
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（2）子模块中上IGBT关断，下IGBT导通，子模块的端 口电压等于0，子模块中电容被旁路，子模块电容电压
保持稳定，此状态称切除状态。
（3）子模块上下IGBT均关断，此状态称闭锁状态，一 般在故障与启动时使用。
具体开关状态如表1所述。 表1 子模块的工作状态
MMC主回路拓扑结构
表1 子模块的工作状态 模式 1 2 3 4 5 6 T1 1 1 0 0 0 0 T2 0 0 1 1 0 0
2、主回路参数设计-减小电容后波形
2、主回路参数设计-增加电容后波形
2、主回路参数设计
目前的控制方法，能够满足：
1、在1-50Hz变频工况，功率单元按照30uf/A电容设置，装置保持稳定
2、主回路参数设计
功率模块直流电容
模块电容参数的大小直接决定了电容电压的波动范围。在额定工况下，由于功率模块 直流电容的额定电压为2000 V，按照纹波系数 =5%，则直流电容C应满足：
CPM
I ac 578 4.6m F 4U SM 4 100 5% 2000
因为本次试验方式受到时序限制，所以设置功率模块直流电容10mF。
MMC主回路拓扑结构
子模块都是两端元件，通过两个开关单元T1和T2的作用， USM可以同时在两种电流方向的情况下进行电容电压UC 与0之间的切换。一个子模块共有三种开关状态： （1）子模块中上IGBT导通，下IGBT关断，子模块端口 电压等于子模块中电容电压，这样根据电流的方向来决
定电容处于充电或是放电状态，此状态称投入状态。
va Rs Ls
vb Rs
Ls Ls
ica
icb
pcc isa isb pcc
usb
vc Rs
Sn1
Ean
+ C －
icc
pcc
isc
NS
usa
usc
Sn2
S i1
Sn4
E bn C
+ －
Si 3
Sn3
HBbn
E cnBiblioteka BaiduC
+ －
HBcn
ilc ilb ila
E a2
+ －
C
HBa2
+ E b2 － C
A
C Larm
模块 1AL1
Udc
a
c
Larm
模块 2AL1
Larm
模块 1BL1
Larm
模块 1CL1
Larm
模块 2BL1 模块 2CL1
模块 1AL2 模块 1AL20
模块 1BL2 模块 1BL20
模块 1CL2 模块 1CL20
模块 2AL2 模块 2AL20
模块 2BL2 模块 2BL20
2、主回路参数设计
桥臂电感Larm设计
电感量越大，电流波形越好控制、并网冲击越小、环流抑制越方便，但是电感
压降越大、成本越高。因为需要更多的功率单元支撑才能发出同等无功功率。
电感量越小，柜体体积和成本越低，但是系统稳定性变差。对控制算法提出更
高要求。
通过电科院动模试验，目前已经把桥臂电感量从20mH下降到5mH。实际上在系统 仿真模型中，桥臂电感量可以达到3mH并且系统保持稳定。
MMC主回路拓扑结构
什么是MMC?
模块化多电平换流器（modular-multilevel-converter，MMC）的 简称。siemens和中国电科院所投运的VSC-HVDC工程均采用此拓扑结 构。现在泛指半桥-模块化-多电平-逆变器。
MMC主回路拓扑结构
模块 1AU1
模块 1AU2
模块 1BU1
N级功率单元串联，最大输出 电压：
E ai
Sn3
Sn 4
Si1
+ C －
Si 2
Si 3
Si 4
U a NU m sin(t )
E a1
S11
+ C －
S12
S13
S14
三角波移相载波原理
uc ur
u
O
t
uo uo Ud uof
O
t
-U d
表示uo的基波分量 单极性PWM调制波形图，单极性PWM控制方式（单相桥逆变）在ur 和uc的交点时刻控制IGBT的通断
HBb2
E c2 +C －
HBc2
load
u di
Si 2 Si 4
uoi
Ea1
+ －
C
HBa1
+ E b1 － C
HBb1
E c1 +C －
HBc1
n
链式串联拓扑结构
功率单元全桥拓扑结构
全桥主回路拓扑结构
每个H桥输出产生SPWM波，基 波成分为：
Sn1
E an
+ C －
Sn 2
U1 U m sin(t )
MMC变流器原理介绍
基本原理
US
I
UC
U
在电网中，有功功率从相位超前侧流向相位滞后侧，无功功率由电压幅值高侧流向幅 值低侧！
基本原理
US
I UL
UC
US
I
UL
UC
U
UC
US
t
U
US UC
t
I Us UL I Uc UC > US时, I 为容性
UC
UL US
UC < US 时，I 为感性
全桥串联主回路拓扑结构
iSM
>0 <0 >0 <0 >0 <0
USM UC UC
0 0
状态 投入 投入 切除 切除 闭锁 闭锁
UC
0
MMC主回路拓扑结构
2、主回路参数设计
桥臂电感Larm设计
桥臂电感作用 1、交流连接电感
2、抑制相间环流
3、抑制短路电流
2、主回路参数设计
桥臂电感Larm设计
由于交流侧的三相线电压有效值为10 kV，即相电压有效值为5.77 kV。由于 直流电压为20 kV，则MMC输出的交流相电压有效值最大为7.07 kV。 ±2.5 Mvar,零功率因数运行时，允许电感上的压降最大为 7.07kV 5.77kV 1.3kV 此时，允许的网侧电感最大值为1.3 kV/(2×50 Hz×π×145A)=28.6 mH。 在初始引进技术资料中取值20mH。
模块 2CL2 模块 2CL20
换流器1
换流器2
MMC主回路拓扑结构
技术特点
1）所需开关器件耐压低，对器件的一致性要求低； 2）电平数多，谐波大大降低；
3）开关频率更低，开关损耗更小，系统利用率更高。
4) 很容易实现背靠背结构，能量方便双向流动。 5）无需输出变压器，大大地减小了装置体积和损耗，并且 节约了成本。 siemens和中国电科院所投 运的VSC-HVDC工程均采用 此拓扑结构。 6) 模块化的结构使得容量拓展和冗余设计更为容易。
模块 1CU1
模块 2AU1
模块 2AU2
模块 2BU1
模块 2CU1
模块 1BU2
模块 1CU2
模块 2BU2
模块 2CU2
模块 1AU20
模块 1BU20
模块 1CU20
模块 2AU20
模块 2BU20
模块 2CU20
Larm
三相 10 kV 电网
Larm
B
Larm
Larm
Larm b
三相 10 kV 电网
保持稳定，此状态称切除状态。
（3）子模块上下IGBT均关断，此状态称闭锁状态，一 般在故障与启动时使用。
具体开关状态如表1所述。 表1 子模块的工作状态
MMC主回路拓扑结构
表1 子模块的工作状态 模式 1 2 3 4 5 6 T1 1 1 0 0 0 0 T2 0 0 1 1 0 0
2、主回路参数设计-减小电容后波形
2、主回路参数设计-增加电容后波形
2、主回路参数设计
目前的控制方法，能够满足：
1、在1-50Hz变频工况，功率单元按照30uf/A电容设置，装置保持稳定
2、主回路参数设计
功率模块直流电容
模块电容参数的大小直接决定了电容电压的波动范围。在额定工况下，由于功率模块 直流电容的额定电压为2000 V，按照纹波系数 =5%，则直流电容C应满足：
CPM
I ac 578 4.6m F 4U SM 4 100 5% 2000
因为本次试验方式受到时序限制，所以设置功率模块直流电容10mF。
MMC主回路拓扑结构
子模块都是两端元件，通过两个开关单元T1和T2的作用， USM可以同时在两种电流方向的情况下进行电容电压UC 与0之间的切换。一个子模块共有三种开关状态： （1）子模块中上IGBT导通，下IGBT关断，子模块端口 电压等于子模块中电容电压，这样根据电流的方向来决
定电容处于充电或是放电状态，此状态称投入状态。
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模块 1AL1
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模块 2AL1
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模块 1BL1
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模块 1CL1
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模块 2BL1 模块 2CL1
模块 1AL2 模块 1AL20
模块 1BL2 模块 1BL20
模块 1CL2 模块 1CL20
模块 2AL2 模块 2AL20
模块 2BL2 模块 2BL20
2、主回路参数设计
桥臂电感Larm设计
电感量越大，电流波形越好控制、并网冲击越小、环流抑制越方便，但是电感
压降越大、成本越高。因为需要更多的功率单元支撑才能发出同等无功功率。
电感量越小，柜体体积和成本越低，但是系统稳定性变差。对控制算法提出更
高要求。
通过电科院动模试验，目前已经把桥臂电感量从20mH下降到5mH。实际上在系统 仿真模型中，桥臂电感量可以达到3mH并且系统保持稳定。
MMC主回路拓扑结构
什么是MMC?
模块化多电平换流器（modular-multilevel-converter，MMC）的 简称。siemens和中国电科院所投运的VSC-HVDC工程均采用此拓扑结 构。现在泛指半桥-模块化-多电平-逆变器。
MMC主回路拓扑结构
模块 1AU1
模块 1AU2
模块 1BU1
N级功率单元串联，最大输出 电压：
E ai
Sn3
Sn 4
Si1
+ C －
Si 2
Si 3
Si 4
U a NU m sin(t )
E a1
S11
+ C －
S12
S13
S14
三角波移相载波原理
uc ur
u
O
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O
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表示uo的基波分量 单极性PWM调制波形图，单极性PWM控制方式（单相桥逆变）在ur 和uc的交点时刻控制IGBT的通断
HBb2
E c2 +C －
HBc2
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Si 2 Si 4
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C
HBa1
+ E b1 － C
HBb1
E c1 +C －
HBc1
n
链式串联拓扑结构
功率单元全桥拓扑结构
全桥主回路拓扑结构
每个H桥输出产生SPWM波，基 波成分为：
Sn1
E an
+ C －
Sn 2
U1 U m sin(t )
MMC变流器原理介绍
基本原理
US
I
UC
U
在电网中，有功功率从相位超前侧流向相位滞后侧，无功功率由电压幅值高侧流向幅 值低侧！
基本原理
US
I UL
UC
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I
UL
UC
U
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U
US UC
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I Us UL I Uc UC > US时, I 为容性
UC
UL US
UC < US 时，I 为感性
全桥串联主回路拓扑结构
iSM
>0 <0 >0 <0 >0 <0
USM UC UC
0 0
状态 投入 投入 切除 切除 闭锁 闭锁
UC
0
MMC主回路拓扑结构
2、主回路参数设计
桥臂电感Larm设计
桥臂电感作用 1、交流连接电感
2、抑制相间环流
3、抑制短路电流
2、主回路参数设计
桥臂电感Larm设计
由于交流侧的三相线电压有效值为10 kV，即相电压有效值为5.77 kV。由于 直流电压为20 kV，则MMC输出的交流相电压有效值最大为7.07 kV。 ±2.5 Mvar,零功率因数运行时，允许电感上的压降最大为 7.07kV 5.77kV 1.3kV 此时，允许的网侧电感最大值为1.3 kV/(2×50 Hz×π×145A)=28.6 mH。 在初始引进技术资料中取值20mH。
模块 2CL2 模块 2CL20
换流器1
换流器2
MMC主回路拓扑结构
技术特点
1）所需开关器件耐压低，对器件的一致性要求低； 2）电平数多，谐波大大降低；
3）开关频率更低，开关损耗更小，系统利用率更高。
4) 很容易实现背靠背结构，能量方便双向流动。 5）无需输出变压器，大大地减小了装置体积和损耗，并且 节约了成本。 siemens和中国电科院所投 运的VSC-HVDC工程均采用 此拓扑结构。 6) 模块化的结构使得容量拓展和冗余设计更为容易。
模块 1CU1
模块 2AU1
模块 2AU2
模块 2BU1
模块 2CU1
模块 1BU2
模块 1CU2
模块 2BU2
模块 2CU2
模块 1AU20
模块 1BU20
模块 1CU20
模块 2AU20
模块 2BU20
模块 2CU20
Larm
三相 10 kV 电网
Larm
B
Larm
Larm
Larm b
三相 10 kV 电网