MMC模块化多电平换流器简介
MMC电磁仿真建模
基于MMC电磁仿真建模1.模块化多电平换流器建模研究模块化多电平换流器（modular multilevel converter, MMC）是一种新型电压源型换流器（voltage source converter ,VSC）拓扑结构。
基于子模块级联结构的MMC具有很多的优点，如保持较大桥臂等效开关频率的同时降低开关频率和开关损耗，不涉及直接串联开关元件动作一致性问题，输出的交流波形具有较高的质量。
因此，MMC在高电压大容量输送电能和电力驱动应用方面有很大的前景。
MMC详细模型只能通过小步长来捕捉高频开关的精确变化，且每有开关动作时须更新系统的导纳矩阵。
随着电力系统规模的不断扩大，MMC的大量应用及其子模块数目的增长，详细模型原有的仿真算法给电磁暂态仿真造成了极大的仿真负担。
下面将提出两种MMC建模方法。
2.一种基于多频段动态相量法的MMC换流器建模方法研究多频段动态相量法首先对信号进行频率分解，然后按频段重组，再针对重组的信号分频段移频，最后利用多核CPU进行大步长并行仿真。
2.1MMC拓扑结构MMC 主电路拓扑及其子模块结构如图1所示。
其主电路包括三个相单元，每相由上、下桥臂组成。
每个桥臂均由1个电抗器和N个子模块串联组成。
图1 MMC结构示意图：（a）MMC主电路图，（b）MMC子模块结构图2.2MMC开关模型子模块的开关函数：(1)其中，=1表示第K个子模块耦合到桥臂，参与桥臂运行；=0表示第K个子模块被旁路，不参与桥臂运行。
图2是MMC开关函数模型。
图2 MMC开关函数模型2.3 多频段动态相量耦合模型多频段动态向量模型：（2）2.4多频段动态相量解耦模型为了利用并行技术加快仿真，需对上式做简化处理，处理结果如下：（3）经过近似处理，各频段间解耦，各频段仿真可并行。
3.MMC换流器的戴维南等效模型MMC换流器的戴维南等效模型的目标是从图1所示的MMC出发，建立包含N个子模块的一个MMC桥臂的戴维南等效模型，如下图所示。
模块化多电平换流器(MMC)原理简介
3、用途介绍
柔性直流输电
110KV侧短路容1000MVA 等效电感 0.0385
e1r Idc e2r DC1 e1l e2l
0.0385 [H]
R=0
3 [MVAR]
10 [MW]
A端电网
B端电网
R=0
#1
#2
e1l
rectify
inverter
e1r
0.0385 [H] #1 #2
3、用途介绍
5、MMC功率模块均压控制
每个MMC换流器的功率模块电压的分别进行均衡控制，6个桥臂相互之间没有影 响。 在一个控制周期内，则根据桥臂电流的方向确定此桥臂功率模块的投入/切除状态： （a）若桥臂电流为投入的模块电容充电，则功率模块按照电容电压从低到高的 顺序排列，最低的N个模块在该控制周期内一直处于投入状态。 （b）若桥臂电流为投入的模块电容放电，则功率模块按照电容电压从高到低的 顺序排列，最高的N个模块在该控制周期内一直处于投入状态。
据全国大部分的市场份额。
32
2、鼠笼型异步电机 在不影响“能起动”的前提下，尽可能减小起动电流， 以减小起动电流对电网的冲击 I. 降压起动（起动电流减小，起动转矩随电压平方减小） 1 自耦变压器降压起动
2 Y 转换起动
3 定子回路串电抗器起动 4 用晶闸管构成的交流调压器降压起动
33
2、鼠笼型异步电机
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。
MMC技术解读：打造现代化电力系统
MMC技术解读：打造现代化电力系统在过去的几十年里，全球电力系统经历了巨大的变革。
传统的同步发电机逐渐被更加高效、可靠的燃气轮机和风力发电机所取代。
然而，这些新型发电设备的接入给电力系统带来了新的挑战。
同步发电机时代的电力系统依赖于发电机和负载之间的同步运行，而新型发电设备的接入则导致了电力系统的动态变化。
为了解决这一问题，模块化多状态控制器（Modular Multilevel Converter, MMC）技术应运而生。
以我国为例，近年来，我国风力发电和太阳能发电行业取得了显著的发展。
然而，这些新型发电设备的接入给电力系统带来了巨大的挑战。
为了解决这一问题，我国研究人员和工程师积极开展了MMC技术的研究和应用。
以我国国家电网公司为例，其已在全国范围内建设了大量基于MMC技术的直流输电线路，实现了电力资源的跨区域调配，提高了电力系统的运行效率和可靠性。
除了在电力系统中应用外，MMC技术还可广泛应用于其他领域。
以电动汽车充电桩为例，通过采用MMC技术，充电桩能够实现高效、快速的充电，满足电动汽车的需求。
MMC技术还可应用于智能电网、船舶电力系统、可再生能源等领域，为这些领域的发展提供了强大的技术支持。
然而，MMC技术的应用也面临一定的挑战。
MMC设备的成本相对较高，制约了其在电力系统中的应用。
MMC技术的研发和运维需要高素质的专业人才，这对我国电力行业的人才培养提出了更高的要求。
MMC技术在实际应用中还需克服诸多技术难题，如故障处理、散热问题等。
MMC技术作为一种新兴的电力电子技术，具有巨大的潜力和广阔的应用前景。
通过不断研究和创新，我国电力行业有望借助MMC技术，打造现代化、高效、可靠的电力系统，为经济社会发展提供强大的动力。
同时，我们也要认识到，MMC技术的应用仍需克服诸多困难和挑战。
因此，我国政府和相关部门应加大对MMC技术研发和产业化的支持力度，培养高素质的专业人才，推动电力行业的持续发展。
向无源网络供电的MMC型直流输电系统建模与控制
向无源网络供电的MMC型直流输电系统建模与控制管敏渊;徐政【摘要】模块化多电平换流器(MMC)是一种适合用于电压源换流器型高压直流输电(VSC-HVDC)的多电平电压源换流器拓扑.本文分析了向无源网络供电的MMC 型VSC-HVDC的系统结构和工作原理,给出了MMC型VSC-HVDC通用的换流系统和受端交流系统的数学模型,据此建立了无源逆变的内环电流和外环电压的双闭环控制系统.通过给定无源逆变的同步相位,保证了供电频率的不变性.在PSCAD/EMTDC中搭建了向无源网络供电的MMC型VSC-HVDC仿真系统,对有功和无功负荷增加以及交流电压抬升等三种工况进行了仿真研究.仿真结果表明所设计的控制器可以实现快速精确的电压电流反馈控制,具有良好的稳态精度和暂态响应特性,能够向无源网络提供高质量的电能供应.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2013(028)002【总页数】9页(P255-263)【关键词】模块化多电平换流器;电压源换流器型高压直流输电;无源网络;矢量控制;双闭环【作者】管敏渊;徐政【作者单位】浙江大学电气工程学院杭州 310027;浙江大学电气工程学院杭州310027【正文语种】中文【中图分类】TM7211 引言基于晶闸管的传统直流输电技术需要借助外部电源实现换相，因此无法向无源网络供电[1]。
这是传统直流输电的重要技术缺陷。
电压源换流器型直流输电技术，也称为柔性直流输电技术，是新一代的直流输电技术。
VSC-HVDC采用可关断器件，无须借助外部电源实现换相，可以向无源网络供电，从而拓展了直流输电技术的应用领域[2-5]。
随着国民经济的发展，向城市中心和海上孤岛等无源负荷供电以及间歇型分布式能源系统并网的需求日益增加。
在实际工程方面，ABB公司的 Troll A VSC-HVDC工程已于2005年投运，用于向海上油气平台提供低成本、高可靠性的清洁电能，取得了很好的经济技术效果[6]；另外，该公司的Valhall等多个类似的工程也正在建设当中[7]。
mmc的模块类型、控制原理
MMC，全称为模块化多电平换流器（modular-multilevel-converter，MMC），是一种新型的电力电子设备。
它具有模块化的结构，可以灵活地扩展以适应不同的电力需求。
以下是MMC的模块类型和控制原理：
1. 模块类型：
MMC的模块类型主要包括以下几种：
* 半桥模块：这是最基本的模块类型，它由两个IGBT和一个二极管组成。
半桥模块可以单独控制，实现电压的快速调节。
* 全桥模块：全桥模块由四个IGBT和两个二极管组成，可以实现更高的电压输出和更快的开关速度。
* 多电平模块：多电平模块由多个半桥或全桥模块串联而成，可以实现多电平输出，从而减小电压输出波形的畸变。
2. 控制原理：
MMC的控制原理主要基于脉冲宽度调制（PWM）技术。
控制系统根据所需的输出电压和电流来生成相应的PWM波形，然后通过控制每个模块的开关状态来调节输出电压和电流。
MMC的主要控制方式包括：
* 直接电流控制：通过控制每个模块的电流来实现对输出电流的控制。
这种方式具有快速的动态响应和较高的精度。
* 间接电压控制：通过调节MMC的输入电压来间接控制输出电压。
这种方式适用于对电压控制精度要求较高的场合。
* 混合控制：将直接电流控制和间接电压控制相结合，以实现更好
的控制效果。
这种方式可以根据实际需求进行灵活配置。
在实际应用中，MMC可以通过增加或减少模块的数量来实现输出电压的调节。
由于MMC具有模块化的结构，因此其扩展和维护都相对较为方便。
此外，MMC还具有较低的开关损耗和较高的效率，因此在风电、光伏等新能源领域得到了广泛的应用。
模块化多电平换流器电磁暂态高效建模方法研究
模块化多电平换流器电磁暂态高效建模方法研究一、本文概述随着可再生能源的大规模接入和电网结构的日益复杂，模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter, MMC）作为一种先进的电力电子装置，在高压直流输电（High-Voltage Direct Current, HVDC）、灵活交流输电系统（Flexible AC Transmission Systems, FACTS）等领域得到了广泛应用。
MMC的电磁暂态特性对于电力系统的稳定运行和故障分析至关重要。
开展模块化多电平换流器电磁暂态高效建模方法的研究，对于提高电力系统的安全性和经济性具有重要意义。
本文旨在探讨模块化多电平换流器电磁暂态高效建模方法，通过对MMC的基本结构和工作原理进行分析，结合现有建模方法的优缺点，提出一种更为高效、准确的建模策略。
本文首先介绍MMC的基本结构和工作原理，然后分析现有建模方法的主要问题和局限性，接着详细阐述本文提出的高效建模方法，并通过仿真实验验证该方法的准确性和有效性。
本文还将对高效建模方法在实际工程中的应用前景进行讨论和展望。
通过本文的研究，希望能够为模块化多电平换流器的电磁暂态建模提供一种新的高效方法，为电力系统的稳定运行和故障分析提供有力支持，同时也为相关领域的研究提供参考和借鉴。
二、模块化多电平换流器基本理论模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter, MMC）是一种先进的电力电子变换器拓扑，特别适用于高压大功率的电力系统应用，如高压直流输电（HVDC）和柔性交流输电系统（FACTS）。
MMC的基本结构由多个级联的子模块（Submodule, SM）和一个公共的直流侧电容组成，每个子模块都可以独立控制其投入或切除，从而实现对输出电压的精细调节。
MMC的核心思想是通过增加子模块的级数来实现电压等级的提升，同时保持每个子模块相对较低的电压应力。
子模块通常采用半桥（Half-Bridge, HB）或全桥（Full-Bridge, FB）结构，其中HB结构包含两个开关管和一个电容器，而FB结构则包含四个开关管和一个电容器。
模块化多电平换流器(MMC)调制方法综述
•分布式电源及并网技术！电器与能效管理技术(2017%). 8)模块化多电平换流器（MMC )调制方法综述王蕊1，王斌2，万杰星1(!东南大学电气工程学院，江苏南京210096;2.中航宝胜海洋工程电缆有限公司，江苏南京225100)摘要：介绍了模块化多电平换流器（MMC )的拓扑和工作原理，分类别详叙了各种调制方法。
总结了不同调制技术的优缺点和应用场合，为MMC 的工程应用提供了借鉴意义。
提出了 MMC 调制技术的改进方向，对进一步的研究探索有积极意义。
关键词：模块化多电平换流器；调制技术；载波移相调制法；载波层叠调制；最近电平逼近调制；多电平SVPWM ;特定次谐波消除脉宽调制中图分类号：TM 46文献标志码# A文章编号# 2095-8188(2017)08-0043-05DOI : 10.16628/j . cnki . 2095-8188. 2017. 08. 011王 蕊（1993—），女，硕士研究生，研 究方向为电力电子 技术在电力系统中 的应用。
Review on Modulation Metliods for Modular Multi-level ConvertersWANG Rui 1， WANG Bin 2， WAN Jiexing 1(1. School of Electrical Engineering ，Southeast University ，Nanjing 210096，China ;2. China Ocean Engineering Baoshen Cable Co .，Ltd .，Nanjing 225100，China )Abstract ： The topology and working principle ofmodular multi-level converter ( MMC ) were introduced andthe different modulation methods were introduced in detail . Next，it summarized the advantages and disadvantages of different modulation techniques and applications，providing a reference for the MMC ) s engineering application .At last ， this paper put forward the improvement direction of MMC modulation technology ，significance for the further research and exploration .Key words ： modular multi-level converter ( MMC ); modulation technique ; carrier phase shifted SPWM ( CPS -SPWM ); phase disposition PWM (PDPWM ); nearest level modulation (NLM ); multi-level space vector PWM ( SVPWM ); selective harmonic elimination PWM ( SHEPWM )步的研究成果，展现出良好的应用前景[1]。
模块化多电平换流器(MMC)原理简介方案
4、MMC控制策略
【总体控制功能设计】 外环控制器：换流器1作为从站，换流器2作为主站，高压直流电压（额定极间电压 20 kV）由换流器1从站负责控制，两站之间的有功功率可以反转，两站各自的无功 功率控制相互独立。 换流器1为直流电压环+无功功率给定； 换流器2为有功功率给定+无功功率给定；
5、MMC功率模块均压控制
为了保持 磁通为常数，调频时应同时调压，使 U/F=C, 变频调速系统常被称为变压变频（VVVF） 调速系统
(Variable voltage,variable frequnecy)
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3 异步电动机的调速
变频调速
n
n0(1
s
)
60 f1 p
(1
s
)
MMC目前的技术能力能够满足： 在1-50Hz变频工况，功率单元按照
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。
3、用途介绍
柔性直流输电
R=0 R=0
110KV侧短路容1000MVA 等效电感 0.0385
0.0385 [H]
rectify e1r Idc
e1l inverter
e1l
e1r
#1 #2
e2r DC1 e2l
#1 #2
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jXLI
4
© Manitoba HVDC Research Centre
Phase Locked Loop (PLL)
110 fsrc f (P LL)
[Hz]
Extracting the phase angle of phase-A voltage
100 90 80 70 60 50 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 0.10 0.00 -0.10 -0.20 -0.30 -0.40 -0.50 -0.60 Theta
8
Modular multilevel converters
+VDC/2
: Graphs E reference 1.00 Eac MMC
0.50
V
0.00
E
-0.50
VAC
VDC VDC VDC
-1.00
sec
0.0000
0.0050
0.0100
0.0150
0.0200
-VDC/2
© Manitoba HVDC Research Centre | a division of Manitoba Hydro International Ltd.
[rad]
Vq
[kV]
Cos(Theta) 1.00 0.50
Va
[kV]
t [s]
0.00 -0.50 -1.00 2.520 2.540 2.560 2.580 2.600 2.620 2.640 2.660 2.680 2.700
© Manitoba HVDC Research Centre
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1
Table of contents
1. 2. 3. 4. 5. 6. Modular multi-level converters dq decoupled vector current control Half and H-bridge converters Detailed equivalent models of MMC valves Simulation of a two-terminal system Simulation of a dc-fault and re-start process (half- and H-bridge MMCs) 7. Setup of a three-terminal system (on-line demonstration – if time allows) 8. Questions
vd x1
L
id* id
+-
PI
-+ -
ed
iq iq* +PI
L
x2
-+ +
vq
eq
© Manitoba HVDC Research Centre
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a division of Manitoba Hydro International Ltd.
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Modular multilevel converters
0.50
V
0.00
E
-0.50
VAC
-1.00
VDC V VDC DC VDC V DC VDC DC VDC
sec
0.0000
0.0050
0.0100
+VDC/2
: Graphs E reference 1.00 Eac MMC
0.50
V
0.00
E
-0.50
VAC
-1.00
VDC VDC VDC V VDC DC VDC V DC VDC DC VDC
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0.0000
0.0050
0.0100
0.0150
0.0200
-VDC/2
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θ
dq abc
VDC controller
iq1* Imax
1: Q control 2: Vac control
Vabc*
Valve controls
vq * id iq
Q*
d/dt
PI
Rate limiter VAC droop controller
Q controller
Q
Vac*
d/dt
Q
PI
I δ V I δ E V jXLI E jXLI
Absorbing P: Neglecting R: ∠0
∗
∠ ⇒ sin cos
V
Supplying Q:
I
V
jXLI E
Absorbing Q:
| a division of Manitoba Hydro International Ltd.
I
E
0.0150
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-VDC/2
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Modular multilevel converters
+VDC/2
: Graphs E reference 1.00 Eac MMC
0.0150
0.0200
-VDC/2
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Modular multilevel converters
+VDC/2
: Graphs E reference 1.00 Eac MMC
support@
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Grid-connected VSC: Operation principle
∠0 ∠
Supplying P:
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a division of Manitoba Hydro International Ltd.
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If you have questions during the Webinar
• Please e-mail PSCAD Support at
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Modular multilevel converters
+VDC/2
: Graphs E reference 1.00 Eac MMC
0.50
V
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E
-0.50
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VDC VDC VDC DC VDC
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0.0050
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abc
dq
P*
d/dt
vdq θ
PI
P
-
P controller
1: P control 2: Vdc control
Iabc
abc
dq
Rate limiter
idq
Vdc*
d/dt
Rate limiter
PI
Vdc id1
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Current limiter
id* Decoupled vd* iq*
current controller
Webinar:
MMC- Technologies
Presenters: Juan Carlos Garcia and Farid Mosallat February 26 - 2015
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Modular multilevel converters
+VDC/2
: Graphs E reference 1.00 Eac MMC
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